挤压铝型材的断裂失效行为研究

摘要

随着汽车产业的飞速发展，带来了严重的能源紧缺和环境恶化等问题。因此，节能和环保是汽车工业转型发展的重要方向，而轻量化技术是有效的途径之一。新材料、新结构和新工艺等轻量化技术推动了汽车轻量化的快速发展。铝合金材料具有密度小，强度高，耐腐蚀性，良好的加工性和可回收性的特征，被称为最具潜力的轻量化材料。经过挤压成型加工制造的铝管结构，有着出色的轻量化效果和机械特性，为汽车薄壁结构件的设计带来了新的思路。挤压铝型材作为一种薄壁结构件，在汽车发生碰撞情况下，材料会产生断裂失效行为。因此，为了深入研究挤压铝型材的断裂失效问题，本文围绕其本构模型的构建方法开展了一系列的研究，主要内容如下：　　(1)由于经过挤压成型，会使材料产生各向异性，即在不同方向上表现出不同的力学特性。因此，以AA6063挤压铝管为研究对象，建立了准静态下不同方向(0°、45°、90°)上的单向拉伸试验，结合DIC技术对其塑性行为的各向异性进行了分析，得到各方向上的应力-应变曲线以及对应的各向异性参数r值，结果表明该铝材有着比较明显的各向异性，进而确定Barlat89各向异性屈服准则的材料参数。　　(2)建立挤压铝管材料在多应力状态下的材料试验方法，包括单向拉伸试验、等双轴拉伸、平面应变拉伸、剪切试验。对各试验下的试件进行了详细分析，设计确定了相关试件的形状尺寸，并对相应的试验平台进行了改进搭建。通过使用DIC技术对试件的变形过程进行分析，获得试件在不同应力状态下的断裂失效应变，进而确定DIEM断裂模型所需的材料参数。　　(3)通过挤压铝管的轴向压溃试验，分析其在压缩过程中的失效变形模式，压溃力变化以及吸能等耐撞性指标。同时建立了精准的轴向压溃有限元模型，基于试验获得的材料参数，分别使用Barlat89屈服准则、DIEM断裂模型与Mises屈服准则，对试验的力学响应进行了仿真对比研究。将模拟获得的结果与试验得到的结果比较分析，结果表明使用Barlat89屈服准则和DIEM断裂模型能够很好地预测试验中的载荷响应和失效变形模式，验证了试验参数和建立的模型的准确性。

目录

声明

第1章绪论

1.1 引言

1.2 挤压铝型材的研究现状

1.2.1 挤压铝的屈服准则

1.2.2 挤压铝的断裂模型

1.3 本文主要研究内容

第2章金属材料性能研究的理论基础

2.1 引言

2.2 铝合金多胞薄壁结构

2.3 金属材料的屈服准则

2.3.1 各向同性屈服准则

2.3.2 各向异性屈服准则

2.4 金属材料的断裂准则

2.5 考虑各向异性的断裂模型参数分析

（1）基于各向同性的断裂失效模型分析

（2）基于各向异性的断裂失效模型分析

2.6 本章小结

第3章材料模型参数标定方法研究

3.1 引言

3.2 DIC 技术介绍

3.2.1 DIC 技术原理

3.2.2 DIC 试验过程

3.2.3 DIC 处理方法

3.3 断裂模形参数标定试验

3.3.1 单向拉伸试验

3.3.2 双轴拉伸试验

3.3.3 平面应变拉伸试验

3.3.4 剪切试验

3.4 断裂模型的标定

3.4.1 韧性断裂失效曲线的确定

3.4.2 剪切断裂失效曲线的确定

3.5 本章小结

第4章考虑各向异性及失效的多胞薄壁结构耐撞性分析

4.1 引言

4.2 金属结构的耐撞性研究

4.2.1 评价指标

4.2.2 变形模式

4.3 薄壁铝管的耐撞性数值分析

4.3.1 几何模型建立

4.3.2 网格划分

4.3.3 材料与属性定义

4.3.4 边界条件与载荷定义

4.3.5 接触关系定义

4.4 薄壁铝管的耐撞性试验研究

4.4.1 试件准备

4.4.2 轴向准静态压溃试验

4.4.3 试验结果分析

4.5 有限元模型验证分析

4.6 本章小结

总结与展望

参考文献

致 谢