【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(yùn)輸、建筑、新興行業(yè)的應(yīng)用呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。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(xiàn)等缺陷。在實(shí)際生產(chǎn)中,一般采用成形極限圖(FLD)來(lái)評(píng)判鋁合金板類(lèi)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(duì)于指導(dǎo)工件選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(kāi)辟了新的途徑。本文優(yōu)化了鋁合金板料FLD的實(shí)驗(yàn)獲取方法;建立了獲取鋁合金板料FLD的有限元模型;對(duì)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(guò)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)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(duì)鋁合金板料FLD的影響規(guī)律;提出了鋁合金板料實(shí)時(shí)FLD的預(yù)測(cè)方法,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。論文的主要研究?jī)?nèi)容和成果歸納如下:1.鋁合金板料FLD實(shí)驗(yàn)獲取方法及優(yōu)化分析了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法及測(cè)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(shí)驗(yàn)獲取方法;通過(guò)改變?cè)嚇佑行С尚螀^(qū)域的尺寸,實(shí)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(jì)為弧形,有效避免脹形過(guò)程中試樣邊緣及壓邊圈處的斷裂問(wèn)題;選用油潤(rùn)滑和薄膜潤(rùn)滑的復(fù)合潤(rùn)滑方式,有效降低加載過(guò)程中摩擦因素對(duì)試樣失ii穩(wěn)的影響;利用沖頭運(yùn)動(dòng)延遲效應(yīng)獲取了試樣的斷裂時(shí)刻;選用非接觸式光學(xué)測(cè)量手段獲取了試樣斷裂時(shí)的全局應(yīng)變,并用實(shí)驗(yàn)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(guò)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(wèn)題,包括:材料參數(shù)的獲取、本構(gòu)模型的建立、幾何模型簡(jiǎn)化、摩擦條件測(cè)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(duì)比。結(jié)果表明:由于鋁合金材料變形過(guò)程中‘名義頸縮’早于斷裂出現(xiàn),因此efld曲線(xiàn)分布在nfld曲線(xiàn)之上。efld和nfld曲線(xiàn)在形狀和跨度上存在明顯差異,進(jìn)一步證實(shí)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(shí)驗(yàn)和微觀實(shí)驗(yàn)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(guò)程中,選用斷裂作為材料失穩(wěn)判據(jù)更具有實(shí)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(guò)定義裂紋狀態(tài)變量預(yù)測(cè)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(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù),綜合考慮了加載歷程和加載路徑對(duì)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(shí)的沖頭行程、極限厚度和損傷成形極限圖(dfld)。并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果和不包含損傷作用的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(xiàn)性和路徑相關(guān)性�；诜e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(duì)材料斷裂的影響,并推導(dǎo)了斷裂初始時(shí)的損傷閥值和極限主應(yīng)變。根據(jù)材料變形過(guò)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(xiàn)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)時(shí)預(yù)測(cè)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(duì)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(diǎn),得到了板料的成形極限帶。根據(jù)極限應(yīng)變點(diǎn)在成形極限帶中的分布,利用統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律規(guī)范了板料簡(jiǎn)易FLD的建立方法。針對(duì)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(cè)板料簡(jiǎn)易FLD的非線(xiàn)性函數(shù)。為了實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)鋁合金板料FLD,選擇了一種適合于處理高維非線(xiàn)性問(wèn)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(shí)時(shí)預(yù)測(cè)模型,并驗(yàn)證了該預(yù)測(cè)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(shí)驗(yàn)和模擬工作,簡(jiǎn)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(cè)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(dòng)車(chē)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(xiàn)半徑下工件的斷裂位置與裂紋長(zhǎng)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(duì)比。利用鑲塊式組合進(jìn)行了曲面覆蓋件的成形實(shí)驗(yàn)。對(duì)比表明:利用FLD預(yù)測(cè)得到的工件斷裂位置和裂紋長(zhǎng)度與實(shí)驗(yàn)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TG146.21
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本文編號(hào)：2278826