变应变路径下铝合金板料的变形回弹预测

摘要

近年来，铝合金等轻质金属材料由于其自身具有的各种优点，因此被广泛的应用于各类工程领域中。该类材料普遍具有较高的强度，并在变形力卸载后会产生相较于普通材料更加明显的回弹。回弹作为金属板料塑性成形中的主要缺陷之一，严重影响了金属板料制品的产品质量和生产效率。如何对回弹进行有效的控制及预防，一直是金属塑性成形领域研究的热点和难点。因此，有必要深入研究金属板料的塑性变形机制，对产品成形后的回弹量进行预测，从而采取措施避免或控制回弹，以使零件达到生产要求。
　　板料的回弹主要受到两点因素的影响:弹性模量和板料卸载前呈现的应力状态。材料内部的损伤扩展、非弹性回复行为、材料的硬化机理等都可以随着板料加载路径的改变而影响到上述两点因素，从而对材料的回弹产生影响。为提高回弹预测精度，必须以更贴合实际的材料理论模型作为研究基础。金属材料到达屈服点后的塑性变形过程中，不仅存在同向硬化和动态硬化，还会由于塑性变形诱发各向异性而产生畸变硬化，对最终的应力状态产生影响。因此，模拟过程硬化类型的选择对最终回弹模拟结果的准确性至关重要。材料屈服面在经历屈服后的后继演化规律也决定了金属材料硬化过程中应力和应变的演化关系。同时，屈服面的演化对应变历史和损伤的扩展规律非常敏感，加之加载路径变化时，最终材料内部的应力状态预测也将变得更加复杂。只有准确掌握金属材料加载和卸载过程中的弹塑性变形机理，包括材料后继屈服面的准确描述，才能实现回弹的高精度预测。
　　因此本文基于考虑塑性变形诱发后继各向异性的全耦合损伤模型，探讨AA7055铝合金在变应变路径下的回弹机理。主要研究内容如下:
　　本文结合实验验证和有限元仿真分析对金属板料的回弹进行研究。实验中，以AA7055铝合金作为研究对象，为模拟板料冲压过程，采用先预拉伸后三点弯曲的实验方法，可以获得变应变路径下试件的回弹角度，并对复杂应变路径下的回弹规律进行探讨。同时，还对铝合金板料试件实现反复加载-卸载的循环加载过程，研究不同塑性应变程度的材料弹性模量E的变化规律，进而通过弹性模量变化研究损伤的演化情况。另外，模拟部分还考虑了塑性变形诱发各向异性，并实现了与损伤的全耦合关系，提出全耦合的损伤模型，并将模型引入到Abaqus中，显式、隐式分析相结合，对金属板料变应变路径下的回弹过程进行有限元仿真。对比实验和仿真模拟结果，探讨了不同动态硬化比例、非弹性回复行为、损伤和塑性变形诱发各向异性等多种因素对变应变路径下金属板料回弹的影响规律。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 板料变形回弹机理

1．2．1 变形回弹的物理机理

1．2．2 影响回弹的主要因素

1．3 板料回弹预测的研究现状

1．3．1 基于屈服准则的回弹研究

1．3．2 基于硬化准则的回弹研究

1．3．3 变应变路径下的回弹研究

1．4 课题主要研究内容

第2章 铝合金板料的本构模型构建

2．1 状态方程

2．2 屈服准则和势能方程

2．3 演化方程

2．4 模型数值的实现

2．5 本章小结

第3章 铝合金变形回弹规律的实验研究

3．1 实验准备

3．2 单向拉伸实验

3．3 循环加载实验

3．4 变应变路径回弹实验

3．5 本章小结

第4章 铝合金板料变形回弹仿真预测及对比分析

4．1 板料回弹过程几何模型的构建

4．1．1 板料回弹的限元仿真设置

4．1．2 平面应力几何模型的构建

4．1．3 平面应变几何模型的构建

4．2 动态硬化对变形回弹的影响研究

4．2．1 材料硬化参数的确定

4．2．2 不同预拉伸量对板料内部应力的影响

4．2．3 变动态硬化占比对板料内部应力的影响

4．2．4 变动态硬化占比对板料回弹的影响

4．2．5 非弹性回复行为对板料回弹的影响

4．3 延性损伤对变形回弹的影响研究

4．3．1 铝合金损伤参数的确定

4．3．2 损伤参数对塑性变形行为的影响

4．3．3 微裂纹对损伤演化的影响

4．3．4 主要损伤参数对板料回弹的影响

4．4 塑性变形诱发各向异性对回弹的影响

4．4．1 材料参数的确定

4．4．2 畸变硬化对板料回弹的影响

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间学术成果