冲击液压载荷作用下管材动态塑性本构关系的研究

摘要

基于轻量化和一体化特征开发的管材液压成形技术（THF），具有成本低、成形零件质量好、节约材料等优点，正获得快速发展。然而，在实际生产应用中发现，THF存在制造过程繁琐、成形难度大、成形效率较低等缺点。冲击液压成形（Liquid Impact Forming,LIF）是在液压胀形和冲压成形基础上发展起来的一种新型复合成形技术，它利用压力机上下模具闭合时的径向压管运动，使管材内部液体自发产生内压力而快速填充模具型腔，完成胀形过程，以此甩掉复杂的液压系统而大幅降低管材成形的成本和周期。高精度的管材塑性本构关系不仅对管材成形机理的分析具有重要影响，而且是有限元数值模拟的重要前提。因此，本文对冲击液压载荷作用下管材的动态塑性本构关系进行研究具有重要意义。
　　本文研究的主要内容包括：
　　（1）分析本构关系的基础理论和材料的应变速率响应，根据管材冲击液压成形的受力条件，选定管材冲击液压成形的动态塑性本构模型。
　　（2）对SS304不锈钢管材进行不同速度的冲击液压成形试验，通过应变在线测量系统对管材胀形区的动态变化数据进行在线测量，根据试验数据计算轮廓上的轴向曲率半径和周向半径。
　　（3）基于上述试验变形数据，先用一般线性回归法，求解两种本构模型的参数；然后研究根据遗传算法的收敛特点，求解管材冲击液压条件下的两种塑性本构关系。
　　（4）基于DYNAFORM和ANSYS Workbench联合仿真，建立管材冲击液压成形的有限元模型，分别将线性回归法和遗传算法得到的管材塑性本构关系作为材料模型，对管材冲击液压成形过程分别进行有限元模拟，通过试验结果与模拟结果的对比，来检验所构建出冲击液压成形条件下管材的动态塑性本构关系的精度。
　　研究表明：
　　（1）本文提出的动态塑性本构关系，从应变速率角度研究冲击载荷作用下金属薄壁管准确的塑性本构关系。通过模拟结果与试验结果对比，表明本文构建的动态塑性本构关系具有较高的精度。
　　（2）根据模拟结果的最大胀形高度与试验的结果对比，可以定量地得出J-C本构模型最大误差范围在7.43%以内，F-B本构模型最大误差范围在8.65%以内，表明J-C本构模型更适合描述管材冲击液压胀形时的塑性硬化关系。
　　（3）根据验证结果，线型回归法确定的本构模型误差均大于遗传算法确定的本构模型的误差，表明遗传算法具有稳定且快速收敛的优点，能够在变量空间中找出包含最优解和极值的单峰值区域并搜索最优解，在拟合复杂目标函数时具有明显优势。
　　（4）随着冲击速度的提高，仿真结果的误差逐渐减小，表明本文确定的动态塑性本构关系适应于冲击速度较大的管材液压成形。
　　本课题研究成果提供了一种冲击液压载荷作用下管材动态塑性本构关系的构建方法，对LIF的其他研究和有限元模拟具有一定的借鉴和指导作用。

目录

声明

第一章 绪论

§1.1 管材液压胀形概述

§1.2 管材液压胀形技术研究现状

§1.3 课题来源

§1.4 研究内容及技术路线

§1.6 本章小结

第二章 动态塑性本构关系研究

§2.1 引言

§2.2 本构关系的基础理论

§2.3 材料的应变速率响应

§2.4 冲击液压载荷下薄壁管本构模型的选择

§2.5 力学模型的理论分析

§2.6 本章小结

第三章 管材冲击液压胀形试验研究

§3.1 引言

§3.2 冲击液压胀形试验系统

§3.3 试验过程及数据处理

§3.4 等效应变和等效应力的确定

§3.5 本章小结

第四章 动态塑性本构关系参数的确定

§4.1 引言

§4.2 线性回归法确定本构关系参数

§4.3 遗传算法确定本构关系参数

§4.4 本章小节

第五章 动态塑性本构关系的有限元模拟验证

§5.1 前言

§5.2 基于ANSYS WORKBENCH的数值模拟分析

§5.3 基于 DYNAFORM的数值模拟分析

§5.4 模拟结果与实验结果的对比分析

§5.5 本章小节

第六章 总结与展望

§6.1 总结

§6.2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间的主要研究成果

附件