镁合金板材电磁成形的破裂准则及数值模拟研究

摘要

AZ31镁合金是一种最常使用的商业化生产的镁基合金。在常温下AZ31板材的压力成形十分困难。使用电磁温热成形能有效提高镁合金板材的塑性变形能力。有必要系统揭示电-力学因素、温度及模具参数对镁合金板材成形性能及失效模式的影响规律，而镁合金的温热成形性能高度依赖于温度和应变率，因而有必要提出包括应变率和温度效应的破裂准则，以正确预测板材成形过程中的破裂。在板料成形过程中，成形极限是由局部颈缩决定，通过拉伸失稳或分叉现象来预测的。然而，传统的分析方法并不适用于AZ31镁合金板材。在AZ31板材成形过程中，断裂会突然发生，在成形极限前没有任何明显的颈缩现象。
　　 本文介绍了板材电磁成形的原理及研究进展，对于常用的几种破裂准则进行了研究与分析，并比较其适用性及可靠性，以求得到能够较好的应用于AZ31板材电磁成形中的破裂准则。根据之前课题组所做的关于AZ31镁合金的旋转盘冲击拉伸试验、准静态拉伸试验及得到的成形极限图(FLD)中的数据，在之前建立的AZ31的J-C本构方程的基础上，进一步研究引入了断裂应变的J-C断裂准则；并引入Zener-Holloman参数，研究计算了AZ31镁合金的断裂应变与损伤值，得到关于Zener-Holloman参数的断裂准则。
　　 镁合金电磁成形是一个多参数耦合作用的过程，各工艺参数对镁合金的变形以及成形后的尺寸精度影响不同。对于各种电磁成形线圈的结构、磁场分布及应用范围作了介绍。并根据本文所要研究的内容建立合适的工装模型，选择均匀压力线圈作为工作线圈，设计了线圈的具体尺寸。详细介绍了松散耦合法的思路，并基于此对电磁脉冲成形过程进行分析，讨论了均匀压力线圈电磁成形的磁场特性，利用ANSYS有限元分析软件对均匀压力线圈电磁成形的磁场进行了模拟，得到了平板线圈磁场和磁场力的分布情况。然后把节点磁场力作为边界条件代入到ANSYS/LS-DYNA中进行高速变形分析。研究结果表明：除了板料端部由于端部效应电磁力有些许发散，在板坯大部分区域，磁场力呈均匀分布。