非线性应变路径下金属薄板的成形极限研究

摘要

金属薄板冲压成形是一种广泛用于汽车、航空航天、装备制造业零部件生产的塑性成形工艺，成形极限是评价成形零件质量好坏和工艺设计优劣的重要指标，准确与否对成形工艺设计至关重要。传统的成形极限图是基于线性应变路径假设进行理论计算或试验测试获取的，然而，实际冲压成形过程中的材料所经历的多为非线性应变路径状态，在复杂的非线性加载路径条件下，由晶体塑性变形理论，一个滑移方向的塑性变形会影响晶体其它方向的后续变形，应变路径变化对材料行为尤其足强化特性和成形极限有着显著的影响。因此，对非线性应变路径条件下的材料本构模型和成形极限进行研究，探索预应变加载条件下的成形极限理论，分析热冲压工艺条件下的成形极限，对于提高成形性评价准确度及其在金属塑性成形工艺中的工程应用具有重要意义。
　　本文围绕非线性应变路径变化条件下金属薄板的成形极限，开展了预应变加载条件下的成形极限理论与计算方法、连续应变路径变化条件下的成形极限试验测试方法和数值模拟分析，热冲压工艺条件下的成形极限及其在热成形工艺中的应用等方面的研究。本论文完成的主要研究内容和所取得的研究成果如下:
　　(1)针对Swift分散性失稳理论和Hill集中性失稳理论受到线性应变路径假设条件约束的问题，建立了变应变路径条件下材料失稳的约束方程，并基于该约束方程，提出了适用于含预应变加载条件的双段线性应变路径成形极限理论与计算方法。在理论计算中，当采用复杂的材料本构模型时，往往难以得到直接的解析结果，此时，采用基于沟槽缺陷假设的M-K模型成为计算非比例加载条件下的板料成形极限的合理选择，然而，材料本构模型中高次屈服函数的引入易使得M-K模型中力平衡条件和几何相容条件组成的非线性方程组的求解计算产生振荡，造成塑性应变率比达不到临界收敛值的问题，为了克服这一问题，在非线性方程组的迭代求解中引入了一个回溯算子，对迭代步长进行相应的缩放，有效的抑制和消除了迭代计算过程中的振荡和不收敛问题，使得基于M-K模型的成形极限计算更易于得到收敛的结果。同时，采用文中的方法对铝合金板Al2008-T4在双段线性应变路径条件下的成形极限进行了计算，结果表明，计算结果与成形极限试验曲线吻合良好，较为准确的预测了预应变对材料成形极限曲线的影响。
　　(2)提出了包含应变路径加载历史的全新成形极限评价指标Fsp，为准确判断连续应变路径变化条件下的金属薄板成形性提供了科学的依据，为验证该成形性评价指标的准确性，基于拉延成形工艺中材料的变形模式，设计了拉延-反拉延成形极限试验装置，通过试验研究了采用DIC技术获取板料成形过程中实时应变路径的方法和成形极限应变状态的判断方法。测量得到的板料初始失效点的应变路径数据表明，拉延-反拉延成形极限试验装置成功的实现了薄板成形过程中应变路径的典型变化，得到的连续应变路径变化模式包括:单轴拉伸-平面应变转变模式、等双轴拉伸-平面应变转变模式、平面应变-等双轴拉伸-平面应变转变模式。基于拉延-反拉延成形极限试验中板料的变形特点，修正了极限拱顶高评价指标，定量地分析了试样形状和工艺条件对拉延-反拉延成形极限试验过程中应变路径和修正的极限拱顶高评价指标的影响，依据测量得到的试样初始失效点应变路径试验数据验证了所提出的连续应变路径变化条件下的薄板成形性评价指标的准确性。
　　(3)建立了考虑非线性应变路径引起的材料潜在硬化(Latent Hardening)效应的各向异性本构模型，该模型通过引入反映材料变形过程加载路径变化的内变量，分别考虑了非线性应变路径加载中材料微结构变化对各向同性硬化和随动硬化模量的影响，反映了材料特性的应变路径相关性，能够表征材料在反向加载时的包辛格效应和正交应变路径变化时的交叉硬化效应，弥补了标准的各向同性-随动强化组合模型存在没有考虑因非比例加载路径变化引起的潜在硬化效应的缺陷。编写了二次开发材料子程序UMAT将该模型集成到薄板成形有限元数值模拟软件LS-DYNA中。采用文中建立的各向异性本构模型对拉延-反拉延成形极限试验和先进高强度钢的扭曲回弹进行了数值模拟仿真，得到的结果和相应的试验数据比较表明，考虑了潜在硬化效应的强化模型结合先进的各向异性屈服准则提高了数值模拟的精度。
　　(4)分析了温度和应变率对22MnB5超高强度钢的材料特性和力学行为的影响，引入Logistic方程对热成形板料塑性各向异性特性的温度相关性进行描述，构建了热成形工艺条件下的塑形各向异性材料本构模型，研究结果表明，所建立的本构方程对板料在高温奥氏体条件下的流动行为描述与试验结果一致;基于M-K模型，计算得到了恒温常应变率稳态条件下的成形极限曲线，结果表明，在考虑的工艺条件范围内，当温度升高时，板料的成形性提高，当应变率增加时，成形极限曲线有所提高;构建了适用于热冲压成形工艺过程的三维成形极限曲面，建立了B立柱的热-力耦合有限元模型，B立柱热成形数值模拟结果和试验结果的对比表明，对成形后零件截面的厚度分布二者吻合良好，有限元仿真准确的预测了工件的破裂失效位置，验证了所建立的材料本构模型和热-力耦合模型的准确性以及三维成形极限曲面在热成形工艺中应用的有效性，提出的热冲压成形极限的模拟预测方法为温热状态下薄板的成形性分析提供了重要的依据。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 金属薄板冲压成形性能评价及其研究现状

1．2．1 成形极限图及其试验方法

1．2．2 成形极限的应变路径相关性及其研究现状

1．3 非线性应变路径下的材料强化特性及其研究现状

1．4 热成形极限评价及其研究现状

1．5 存在问题及本文主要研究内容

第2章 预应变加载条件下的成形极限理论与计算方法

2．1 引言

2．2 基于变应变路径失稳准则的的成形极限理论与计算方法

2．2．1 失稳准则向变应变路径加载条件的推广

2．2．2 双段线性应变路径下成形极限计算过程

2．3 基于M-K模型的成形极限数值迭代求解方法

2．3．1 基于M-K模型的成形极限计算流程

2．3．2 M-K模型的迭代求解算法

2．4 预应变对成形极限的影响

2．4．1 单向拉伸预应变对成形极限的影响

2．4．2 平面应变预应变对成形极限的影响

2．4．3 等双轴拉伸预应变对成形极限的影响

2．5 小结

第3章 连续应变路径变化下金属薄板的成形极限研究

3．1 引言

3．2 连续应变路径变化下的新成形极限评价指标

3．3 连续应变路径变化下的反向拉延成形极限试验

3．3．1 连续应变路径变化的实现方法

3．3．2 连续应变路径变化的DIC在线测量技术

3．3．3 试样设计及其材料特性

3．3．4 试验流程与工艺条件

3．4 试验结果与讨论

3．4．1 试样形状对修正的极限拱顶高评价指标的影响

3．4．2 下凸模高度对修正的极限拱顶高评价指标的影响

3．4．3 试样形状对初始失效点应变路径的影响

3．4．4 下凸模高度对初始失效点应变路径的影响

3．4．5 连续应变路径变化下的新成形极限评价指标验证

3．5 小结

第4章 各向异性金属薄板的潜在硬化效应建模及应用

4．1 引言

4．2 潜在硬化效应与材料建模

4．2．1 考虑潜在硬化效应的强化模型构建

4．2．2 各向异性屈服准则

4．2．3 本构模型的有限元实现

4．3 各向异性本构模型参数分析与材料参数识别

4．3．1 潜在硬化效应强化模型的参数识别

4．3．2 各向异性屈服准则的参数识别

4．4 各向异性本构模型在金属成形数值模拟中的应用

4．4．1 反拉延成形极限的有限元模拟预测

4．4．2 先进高强度钢扭曲回弹的数值模拟

4．5 小结

第5章 热冲压成形极限的模拟预测方法

5．1 引言

5．2 考虑温度和应变率效应的超高强度钢本构模型

5．2．1 温度相关的屈服准则

5．2．2 硬化模型的建立与分析

5．2．3 流动法则

5．3 材料22MnB5本构模型参数确定

5．3．1 塑性各向异性系数的温度相关性

5．3．2 高温奥氏体下22MnB5的流变行为

5．3．3 22MnB5材料的试验成形极限图

5．4 结果分析和讨论

5．4．1 温度对成形极限的影响

5．4．2 应变率对成形极限的影响

5．4．3 三维成形极限曲面的建立

5．4．4 超高强度钢热冲压成形极限的模拟预测

5．5 小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间所发表的学术论文