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《吉林大学》 2016年
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基于损伤理论的铝合金板料成形极限研究

张学广  
【摘要】:随着工业化进程的推进,铝合金板料在航空航天、交通运输、建筑、新兴行业的应用呈现快速增长的趋势。模具成形是当前最基本、便捷的铝合金板料加工工艺。由于铝合金板料大多强度高、塑性低,在模具成形中极易出现起皱、断裂、局部颈缩或者滑移线等缺陷。在实际生产中,一般采用成形极限图(FLD)来评判铝合金板类零件的成形效果。因此,快速、低成本、准确的获取铝合金板料FLD,对于指导工件选材、结构设计和参数优化有重要意义。获取铝合金板料FLD的方法主要包括:实验方法、理论推导方法和有限元模拟方法。其中,将理论推导和有限元模拟相结合,可以降低FLD的获取成本,提高获取FLD的效率。由于铝合金材料的失稳形式异于普通延性金属材料,传统的拉伸失稳理论和缺陷理论难以指导铝合金板料FLD的获取。因此,本文探究了应用损伤理论获取铝合金板料FLD的可行性,为铝合金板料FLD的获取开辟了新的途径。本文优化了铝合金板料FLD的实验获取方法;建立了获取铝合金板料FLD的有限元模型;对比了不同损伤准则在获取铝合金板料FLD中的适用性;提出通过设计简单实验获取材料损伤关键参数的方法;分析了材料参数和加载条件对铝合金板料FLD的影响规律;提出了铝合金板料实时FLD的预测方法,并通过实验加以验证。论文的主要研究内容和成果归纳如下:1.铝合金板料FLD实验获取方法及优化分析了传统的实验方法及测量手段在获取铝合金板料FLD中的缺陷。以5083-H32铝合金板料为例,根据板料FLD的特性,选用圆顶冲头胀形作为板料FLD的实验获取方法;通过改变试样有效成形区域的尺寸,实现试样在不同加载路径下的失稳;将试样中心有效成形区域设计为弧形,有效避免胀形过程中试样边缘及压边圈处的断裂问题;选用油润滑和薄膜润滑的复合润滑方式,有效降低加载过程中摩擦因素对试样失ii稳的影响;利用冲头运动延迟效应获取了试样的断裂时刻;选用非接触式光学测量手段获取了试样断裂时的全局应变,并用实验方式获取了5083-h32铝合金板料的成形极限图(efld)。2.铝合金板料fld获取过程有限元模型建立探讨了利用有限元模拟软件abaqus建立铝合金板料圆顶冲头胀形模型中的关键问题,包括:材料参数的获取、本构模型的建立、几何模型简化、摩擦条件测试及优化、边界和载荷设置。在结果分析中,选用最大凸模力准则作为板料失稳的判据。将模拟结果中提取的5083-h32铝合金板料在‘名义颈缩’条件的成形极限图(nfld)与efld进行对比。结果表明:由于铝合金材料变形过程中‘名义颈缩’早于断裂出现,因此efld曲线分布在nfld曲线之上。efld和nfld曲线在形状和跨度上存在明显差异,进一步证实弹塑性力学难以准确描述铝合金板料的变形失稳特性。3.连续介质损伤力学在铝合金板料fld获取中的适用性分别利用宏观实验和微观实验获取了5083-h32铝合金材料的断裂形式和断口形貌。结果表明:在铝合金材料大变形过程中,选用断裂作为材料失稳判据更具有实际意义;材料断裂是由延性损伤和剪切损伤共同主导的。在延性损伤和剪切损伤中,通过定义裂纹状态变量预测铝合金板料的断裂。利用缺陷试样加载模拟获取了铝合金材料损伤过程中的关键参数,综合考虑了加载历程和加载路径对损伤的影响。将延性损伤和剪切损伤理论应用到圆顶冲头胀形模拟中,获取了试样的断裂位置,以及断裂时的冲头行程、极限厚度和损伤成形极限图(dfld)。并与实验结果和不包含损伤作用的模拟结果进行对比。结果表明:在单向拉伸和平面应变条件下,基于延性损伤和剪切损伤理论获取的板料成形极限和实验结果相吻合;但是在双向拉伸条件下,基于延性损伤理论和剪切损伤理论得到的板料成形极限远小于材料的实际成形极限。4.修正lemaitre损伤准则在铝合金板料fld获取中的适用性选用一种基于热力学不可逆性的lemaitre损伤准则指导铝合金板料fld的获取。在材料塑性变形中定义了易于量化的损伤变量,并修正了损伤变量演化的非线性和路径相关性。基于积分方式获取了材料在任意小变形区间内损伤变量增量,考虑了损伤累积效应对材料断裂的影响,并推导了断裂初始时的损伤阀值和极限主应变。根据材料变形过程中弹性模量的衰减规律确定了损伤变量与应变之间的非线性函数。利用VUMAT将修正的Lemaitre损伤准则和获取的损伤参数植入到有限元模拟中,获取了试样断裂初始的冲头行程、极限厚度和断裂成形极限图(FFLD)。并与实验结果、不包含损伤作用的模拟结果和基于经典Lemaitre损伤准则的模拟结果进行对比分析。结果表明:基于有限元模拟方式和修正的Lemaitre损伤准则可以准确获取铝合金板料的FLD。5.铝合金板料FLD的实时预测利用有限元模拟方式探究了铝合金板料力学性能参数、成形性能参数和加载条件对板料FLD的影响规律。汇总5083-H32铝合金板料在广义变形条件下的极限应变点,得到了板料的成形极限带。根据极限应变点在成形极限带中的分布,利用统计学规律规范了板料简易FLD的建立方法。针对于不同力学性能参数和厚度的铝合金板料,建立了用于快速预测板料简易FLD的非线性函数。为了实时预测铝合金板料FLD,选择了一种适合于处理高维非线性问题的径向基神经网络算法,以有限元模拟中获取的板料FLD作为样本,建立了铝合金板料FLD的实时预测模型,并验证了该预测模型的适用性和可靠性。结果表明:文中建立的径向基神经网络模型可以避免大量的实验和模拟工作,简化铝合金板料FLD的获取流程。6.FLD在铝合金板料成形预测中的应用利用径向基神经网络模型获取了4mm厚5083-P-O铝合金板料在低应变率下的FLD,并将之应用在高速动车组曲面覆盖件拉延成形效果分析中,利用有限元模拟方式得到了不同棱线半径下工件的断裂位置与裂纹长度,并与应用减薄率方法和应力分布方法得到的结果进行对比。利用镶块式组合进行了曲面覆盖件的成形实验。对比表明:利用FLD预测得到的工件断裂位置和裂纹长度与实验结果相吻合。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TG146.21

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