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面向制造的铝合金材料失效准则建模与应用研究

侯波  
【摘要】:在全球化竞争环境下,复杂产品性能指标不断提升,对制造质量提出越来越高的要求。如轿车覆盖件冲压成形中要求产品尺寸精度达到±0.5mm,在飞机大型薄壁件制造中要求尺寸精度达到±0.125mm。计算机仿真技术是替代实验的高效、快捷、可靠的手段。工业产品的日益复杂化,工作环境的多样化使得制造商越来越多地依靠仿真技术来修改和完成工程设计。 在金属塑性成形与加工过程中,难以避免地会产生材料的失效。在仿真中需要建立失效准则以准确反映材料的损伤与断裂失效,进而指导工艺优化设计。建立合理实用的失效准则试验方法,开展深入的失效准则理论研究一直是研究的重点和难点。本文以铝合金板温成形、航空铝合金切削加工过程为研究对象,开展失效准则建模研究,旨在突破铝合金板温成形与航空铝合金切削加工技术发展的瓶颈问题,指导典型制造过程的工艺设计。 在借鉴和吸收国内外先进研究成果的基础上,研究面向制造的材料失效准则建模理论,建立温成形中铝合金板成形极限理论预测方法,建立切削加工中航空铝合金的失效准则,并分别应用于温成形和切削加工仿真。主要研究工作如下: (1)面向典型制造过程的材料失效准则建模理论研究 面向制造的材料失效准则理论研究成果十分丰富,但这些理论成果分散于各类文献中,对各类失效准则的总结和比较,对其预测效果的比较研究很少;缺乏对失效准则理论基础进行系统、详细的总结。通过查阅文献,在国内外前沿研究成果基础上,系统总结材料失效准则建模理论基础,选取应用和影响广泛的流动应力试验测试方法、流动应力模型和屈服准则进行介绍,对其特点进行对比和讨论。介绍几种拉伸失稳理论建模方法,结合NUMISHEET’2008标准考题公开的材料力学性能和成形极限试验数据,对它们的预测效果进行对比研究。 (2)温成形中综合考虑温度、应变率的铝合金板失效准则建模方法研究 对温成形中铝合金板的失效准则,相关研究集中于如何引入温度对成形极限的影响,目前缺乏综合考虑温度、应变率影响的理论计算方法。通过对Backofen型流动应力模型进行扩展,建立耦合温度、应变率的铝合金板力学性能描述方法;结合M-K理论和Logan-Hosford屈服准则,建立综合考虑温度、应变率影响的铝合金板成形极限预测方法,通过与试验数据的比较,验证理论预测方法的正确性。将理论计算的成形极限作为失效判据应用于杯形件温成形仿真,将仿真结果与试验数据进行对比,验证所建立的理论预测方法的正确性和实用性。 (3)切削加工中航空铝合金的失效准则建模方法研究 切削加工中材料的失效机理十分复杂,目前相关研究主要采用建立在以拉应力为主条件下基于微孔洞演化理论的失效准则,缺乏适用于切削典型应力状态下的失效准则。通过分析切削条件下航空铝合金的失效特点与应力状态,建立了失效理论模型和失效准则公式;设计并建立了内高压冲剪断裂试验平台用于模拟切削典型应力状态下材料的失效行为,结合仿真与试验确定了AA7075-T651航空铝合金的失效准则参数。将建立的失效准则用于切削加工仿真,通过对比仿真结果与试验数据,验证所建立的失效准则的正确性、有效性和实用性。


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