【摘要】：隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn),鋁合金板料在航空航天、交通運輸、建筑、新興行業(yè)的應(yīng)用呈現(xiàn)快速增長的趨勢。模具成形是當(dāng)前最基本、便捷的鋁合金板料加工工藝。由于鋁合金板料大多強(qiáng)度高、塑性低,在模具成形中極易出現(xiàn)起皺、斷裂、局部頸縮或者滑移線等缺陷。在實際生產(chǎn)中,一般采用成形極限圖(FLD)來評判鋁合金板類零件的成形效果。因此,快速、低成本、準(zhǔn)確的獲取鋁合金板料FLD,對于指導(dǎo)工件選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化有重要意義。獲取鋁合金板料FLD的方法主要包括:實驗方法、理論推導(dǎo)方法和有限元模擬方法。其中,將理論推導(dǎo)和有限元模擬相結(jié)合,可以降低FLD的獲取成本,提高獲取FLD的效率。由于鋁合金材料的失穩(wěn)形式異于普通延性金屬材料,傳統(tǒng)的拉伸失穩(wěn)理論和缺陷理論難以指導(dǎo)鋁合金板料FLD的獲取。因此,本文探究了應(yīng)用損傷理論獲取鋁合金板料FLD的可行性,為鋁合金板料FLD的獲取開辟了新的途徑。本文優(yōu)化了鋁合金板料FLD的實驗獲取方法;建立了獲取鋁合金板料FLD的有限元模型;對比了不同損傷準(zhǔn)則在獲取鋁合金板料FLD中的適用性;提出通過設(shè)計簡單實驗獲取材料損傷關(guān)鍵參數(shù)的方法;分析了材料參數(shù)和加載條件對鋁合金板料FLD的影響規(guī)律;提出了鋁合金板料實時FLD的預(yù)測方法,并通過實驗加以驗證。論文的主要研究內(nèi)容和成果歸納如下:1.鋁合金板料FLD實驗獲取方法及優(yōu)化分析了傳統(tǒng)的實驗方法及測量手段在獲取鋁合金板料FLD中的缺陷。以5083-H32鋁合金板料為例,根據(jù)板料FLD的特性,選用圓頂沖頭脹形作為板料FLD的實驗獲取方法;通過改變試樣有效成形區(qū)域的尺寸,實現(xiàn)試樣在不同加載路徑下的失穩(wěn);將試樣中心有效成形區(qū)域設(shè)計為弧形,有效避免脹形過程中試樣邊緣及壓邊圈處的斷裂問題;選用油潤滑和薄膜潤滑的復(fù)合潤滑方式,有效降低加載過程中摩擦因素對試樣失ii穩(wěn)的影響;利用沖頭運動延遲效應(yīng)獲取了試樣的斷裂時刻;選用非接觸式光學(xué)測量手段獲取了試樣斷裂時的全局應(yīng)變,并用實驗方式獲取了5083-h32鋁合金板料的成形極限圖(efld)。2.鋁合金板料fld獲取過程有限元模型建立探討了利用有限元模擬軟件abaqus建立鋁合金板料圓頂沖頭脹形模型中的關(guān)鍵問題,包括:材料參數(shù)的獲取、本構(gòu)模型的建立、幾何模型簡化、摩擦條件測試及優(yōu)化、邊界和載荷設(shè)置。在結(jié)果分析中,選用最大凸模力準(zhǔn)則作為板料失穩(wěn)的判據(jù)。將模擬結(jié)果中提取的5083-h32鋁合金板料在‘名義頸縮’條件的成形極限圖(nfld)與efld進(jìn)行對比。結(jié)果表明:由于鋁合金材料變形過程中‘名義頸縮’早于斷裂出現(xiàn),因此efld曲線分布在nfld曲線之上。efld和nfld曲線在形狀和跨度上存在明顯差異,進(jìn)一步證實彈塑性力學(xué)難以準(zhǔn)確描述鋁合金板料的變形失穩(wěn)特性。3.連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)在鋁合金板料fld獲取中的適用性分別利用宏觀實驗和微觀實驗獲取了5083-h32鋁合金材料的斷裂形式和斷口形貌。結(jié)果表明:在鋁合金材料大變形過程中,選用斷裂作為材料失穩(wěn)判據(jù)更具有實際意義;材料斷裂是由延性損傷和剪切損傷共同主導(dǎo)的。在延性損傷和剪切損傷中,通過定義裂紋狀態(tài)變量預(yù)測鋁合金板料的斷裂。利用缺陷試樣加載模擬獲取了鋁合金材料損傷過程中的關(guān)鍵參數(shù),綜合考慮了加載歷程和加載路徑對損傷的影響。將延性損傷和剪切損傷理論應(yīng)用到圓頂沖頭脹形模擬中,獲取了試樣的斷裂位置,以及斷裂時的沖頭行程、極限厚度和損傷成形極限圖(dfld)。并與實驗結(jié)果和不包含損傷作用的模擬結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明:在單向拉伸和平面應(yīng)變條件下,基于延性損傷和剪切損傷理論獲取的板料成形極限和實驗結(jié)果相吻合;但是在雙向拉伸條件下,基于延性損傷理論和剪切損傷理論得到的板料成形極限遠(yuǎn)小于材料的實際成形極限。4.修正lemaitre損傷準(zhǔn)則在鋁合金板料fld獲取中的適用性選用一種基于熱力學(xué)不可逆性的lemaitre損傷準(zhǔn)則指導(dǎo)鋁合金板料fld的獲取。在材料塑性變形中定義了易于量化的損傷變量,并修正了損傷變量演化的非線性和路徑相關(guān)性。基于積分方式獲取了材料在任意小變形區(qū)間內(nèi)損傷變量增量,考慮了損傷累積效應(yīng)對材料斷裂的影響,并推導(dǎo)了斷裂初始時的損傷閥值和極限主應(yīng)變。根據(jù)材料變形過程中彈性模量的衰減規(guī)律確定了損傷變量與應(yīng)變之間的非線性函數(shù)。利用VUMAT將修正的Lemaitre損傷準(zhǔn)則和獲取的損傷參數(shù)植入到有限元模擬中,獲取了試樣斷裂初始的沖頭行程、極限厚度和斷裂成形極限圖(FFLD)。并與實驗結(jié)果、不包含損傷作用的模擬結(jié)果和基于經(jīng)典Lemaitre損傷準(zhǔn)則的模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明:基于有限元模擬方式和修正的Lemaitre損傷準(zhǔn)則可以準(zhǔn)確獲取鋁合金板料的FLD。5.鋁合金板料FLD的實時預(yù)測利用有限元模擬方式探究了鋁合金板料力學(xué)性能參數(shù)、成形性能參數(shù)和加載條件對板料FLD的影響規(guī)律。匯總5083-H32鋁合金板料在廣義變形條件下的極限應(yīng)變點,得到了板料的成形極限帶。根據(jù)極限應(yīng)變點在成形極限帶中的分布,利用統(tǒng)計學(xué)規(guī)律規(guī)范了板料簡易FLD的建立方法。針對于不同力學(xué)性能參數(shù)和厚度的鋁合金板料,建立了用于快速預(yù)測板料簡易FLD的非線性函數(shù)。為了實時預(yù)測鋁合金板料FLD,選擇了一種適合于處理高維非線性問題的徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,以有限元模擬中獲取的板料FLD作為樣本,建立了鋁合金板料FLD的實時預(yù)測模型,并驗證了該預(yù)測模型的適用性和可靠性。結(jié)果表明:文中建立的徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以避免大量的實驗和模擬工作,簡化鋁合金板料FLD的獲取流程。6.FLD在鋁合金板料成形預(yù)測中的應(yīng)用利用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型獲取了4mm厚5083-P-O鋁合金板料在低應(yīng)變率下的FLD,并將之應(yīng)用在高速動車組曲面覆蓋件拉延成形效果分析中,利用有限元模擬方式得到了不同棱線半徑下工件的斷裂位置與裂紋長度,并與應(yīng)用減薄率方法和應(yīng)力分布方法得到的結(jié)果進(jìn)行對比。利用鑲塊式組合進(jìn)行了曲面覆蓋件的成形實驗。對比表明:利用FLD預(yù)測得到的工件斷裂位置和裂紋長度與實驗結(jié)果相吻合。
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【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG146.21
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本文編號：2278826