冲压成形中破裂和回弹的细观损伤力学分析

摘要

板料冲压成形技术在制造业中占有极其重要的地位，被广泛应用于航空航天、汽车、船舶、电器等工业领域。但由于变形条件、工艺参数及材料选择等因素，常产生破裂、同弹和起皱等缺陷，使得零件的废品率和试错次数显著增加。在板料成形工艺分析中，引入数值模拟技术是解决上述问题的有效手段，但目前对破裂和回弹缺陷的预测精度仍不可靠。如何准确而又迅速地预测冲压成形中可能出现的这两种缺陷，对有效控制产品质量，降低成本，缩短产品开发周期，提高产品的竞争力有重要意义。
　　 本构模型是影响数值模拟可靠性一个重要方面。实际材料由于内部存在微缺陷，因而在变形过程中其力学性能是逐渐劣化的，但目前数值模拟分析少有考虑该因素，为了提高数值模拟预测精度，将损伤引入本构模型显得十分必要。为此，本文基于GTN细观损伤理论，考虑了板料的塑性各向异性性能和包申格效应，建立了符合冲压成形特点的损伤模型，并对数值实现方法进行了改进。将新的本构模型应用于成形和回弹分析，提出了与应变路径无关的韧性失稳判据和韧性断裂判据。本文的主要研究内容如下：
　　 针对板料冲压成形问题，提出并建立了Hill'48-GTN和Barlat'89-GTN细观损伤模型。对原来GTN细观损伤模型进行了改进，将Hill'48和Barlat'89各向异性屈服准则表示的宏观等效应力引入到模型中，反映了材料的各向异性性能，推导了相应的本构方程及数值实现表达式。通过数值算例表明，新模型Hill'48-GTN和Barlart'89-GTN相对原来的GTN模型可以同时反映板料成形中的塑性各向异性行为和损伤发展过程。
　　 针对原有本构方程数值算法在求解板料成形，尤其是破裂问题时计算效率低、收敛困难的问题，改进了本构积分算法的数值实现方法。将完全隐式的向后Euler本构积分算法与显式有限元法相结合，既保证了算法的准确性和稳定性，又提高了计算效率。基于有限元软件ABAQUS编写了几种GTN损伤模型的VUMAT材料子程序，实现了对板料成形过程中损伤演化的可视化。通过圆杯拉深成形试验验证了GTN损伤模型的可靠性。
　　 研究比较了目前板料成形中3种常用流动应力模型：Hollomon、Swift和Voce方程的描述准确性。为了对韧性损伤机理有更深入直观的理解，利用扫描电镜观测了拉断试样断口形貌并进行了微观分析。采用逆向方法，将单向拉伸试验与有限元数值模拟相结合来确定GTN模型损伤参数。由于GTN模型中各损伤参数的组合不是固定不变的，而是在一定范围内变化的。基于正交试验设计和有限元数值模拟，研究了各参数变化对板料损伤行为的影响。
　　 为了准确预测板料回弹，提出建立了遵循线性随动强化、非线性随动强化和混合强化法则的几种GTN模型，通过在模型中考虑了背应力的影响来反映回弹中的包申格效应。将几种遵循不同强化法则的GTN模型采用显隐式有限元求解相结合的方法来分析板料回弹，为准确预测回弹提供了理论方法和计算依据。分析比较了几种GTN损伤模型在采用不同强化法则时对板料回弹量的影响规律。考察了本构模型在考虑损伤因素前后的同弹量变化。
　　 从工程应用角度考虑，提出了以GTN模型中损伤变量孔洞体积分数作为判别板料冲压成形中韧性失稳和破裂的依据。由于孔洞体积分数自然而然地考虑了材料的成形历史，为判断缩颈现象不明显的韧性较差板材（如铝合金板）或非线性应变路径条件下板料的成形性能提供了另一条途径。结合有限元数值模拟计算，分析了镀锌钢板和AA5052-0铝合金板圆杯件拉深的成形极限，并与试验比较。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景

1.2 延性损伤模型研究概况

1.2.1 连续损伤力学的发展及现状

1.2.2 细观损伤力学的发展及现状

1.2.3 损伤理论在金属板料成形领域的应用

1.3 板料冲压成形回弹预测方法研究现状

1.3.1 回弹分析方法

1.3.2 回弹控制方法

1.4 板料成形极限的国内外研究现状

1.4.1 成形极限研究现状

1.4.2 韧性破裂准则及其在板料成形中的应用

1.5 本文的主要研究内容

本章参考文献

第二章 塑性各向异性GTN细观损伤本构模型及其数值实现

2.1 引言

2.2 材料屈服准则及其参数确定

2.2.1 von Mises各向同性屈服准则

2.2.2 Hill’48正交各向异性屈服准则

2.2.3 Barlat’89各向异性屈服准则

2.3 细观损伤力学

2.3.1 损伤力学的分类

2.3.2 细观损伤力学模型

2.3.3 塑性各向异性GTN损伤模型

2.4 GTN细观损伤本构模型数值算法

2.4.1 数值算法的实现

2.4.2 流程图

2.5 ABAQUS/Explicit中的用户材料定义

2.5.1 子程序的编写

2.5.2 壳单元和平面应力单元情况

2.6 GTN细观损伤本构模型的验证及应用

2.6.1 单个单元测试

2.6.2 单向拉伸

2.6.3 圆杯件拉深成形模拟

2.6.4 方盒件拉深成形模拟

2.7 本章小结

本章参考文献

第三章 金属板材的损伤断裂研究及微观结构分析

3.1 引言

3.2 材料性能参数的测定

3.2.1 试验方案

3.2.2 镀锌钢板的性能参数

3.2.3 铝合金板的性能参数

3.3 断口形貌分析

3.3.1 镀锌钢板的断口形貌

3.3.2 AA5052-O铝合金板的断口形貌

3.4 本章小结

本章参考文献

第四章 损伤参数确定及其变化对板料损伤行为的影响

4.1 引言

4.2 GTN损伤模型参数确定

4.2.1 GTN模型的参数确定方法

4.2.2 损伤参数的确定

4.3 GTN模型参数变化的研究

4.3.1 损伤参数变化的研究概况

4.3.2 正交试验法概述

4.3.3 正交设计试验方案

4.3.4 参数变化对板料损伤行为的影响

4.4 本章小结

本章参考文献

第五章 几种GTN模型及其在板料回弹有限元分析中的应用

5.1 引言

5.2 考虑随动强化的GTN损伤模型及其数值积分

5.2.1 本构方程

5.2.2 本构方程的数值积分

5.2.3 考虑随动强化的GTN损伤本构模型

5.3 回弹计算的有限元法

5.3.1 回弹有限元分析的特点

5.3.2 显隐式结合分析回弹

5.3.3回弹分析的实现方法

5.4 塑性强化法则

5.4.1 各向同性强化法则

5.4.2 随动强化法则

5.4.3 非线性混合强化法则

5.5 几种GTN模型的板料回弹有限元分析

5.6 本章小结

本章参考文献

第六章 GTN模型及韧性破裂准则在板料拉深成形中的应用

6.1 引言

6.2 GTN细观损伤模型分析圆杯件拉深成形性研究

6.2.1 圆杯件拉深试验

6.2.2 应变分析方法

6.2.3 有限元模拟结果

6.3 韧性断裂准则的建立

6.3.1 几种常见的韧性破裂准则

6.3.2 基于GTN模型的韧性断裂准则建立

6.4 韧性断裂准则在板料成形中的应用

6.4.1 分析模型

6.4.2 成形极限预测

6.5 本章小结

本章参考文献

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

附录

作者在攻读博士学位期间发表的学术论文

致 谢