基于GTN细观损伤模型的激光拼焊板成形极限预测

建立了从细观损伤角度预测拼焊板成形极限的Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)损伤模型,用有限元逆向法确定了损伤模型中的各损伤参数。采用有限元软件ABAQUS耦合基于Mises屈服准则的弹塑性GTN损伤模型,对拼焊板半球凸模胀形过程进行了数值模拟。设计了拼焊板半球凸模胀形物理试验,试验过程中通过改变试件的宽度得到了不同应变状态下完整的拼焊板成形极限图,并与GTN细观损伤模型预测到的拼焊板成形极限图进行对比分析,验证了GTN细观损伤模型预测拼焊板成形极限图的准确性。     

基于有限元仿真的左半边成形极限图建立方法

有限元仿真中,凸模与板料接触力出现峰值的时刻,板料上变薄量最大单元的邻近单元应变即是材料的缩颈极限应变,通过改变试件形状及尺寸就可以得到在不同应变状态下的缩颈极限应变。把这些极限应变点在二维应变空间里连成曲线,即为用有限元仿真方法得到的材料成形极限图(forruing limits diagram,简称为FLD)。用该方法得到的FLD与按照GB／T 15825．8—1995金属薄板成形性能与试验方法：成形极限图(FLD)试验利用半球形凸模拉伸试件测得的材料FLD符合程度良好。     

先进高强钢DP780板料的温成形极限预测研究

为准确预测DP780钢板料在温成形条件下的成形极限曲线,将韧性断裂预测模型引入到数值模拟.基于DP780钢板料在温度范围573 K～873 K、应变率范围6.67× 10-4s-1～6.67×10-3s-1的单向拉伸试验结果分析,利用强塑积指标确定了温度为673 K、应变率为3.33× 10-3s-1条件下材料的温冲压成形性能较好.通过该变形条件下的简单拉伸试验和数值模拟,确定了影响DP780钢板料韧性断裂的主要因素.建立了可以预测DP780钢板料在不同应变路径下发生拉伸型断裂和剪切型断裂两种断裂机制的韧性断裂预测模型,并与温成形本构模型、Hill'48屈服准则相结合实现了刚模胀形试验的数值模拟,预测了DP780钢板料在温度为673 K下的成形极限曲线,并建立了成形极限数学模型.结果 表明,利用该方法预测的成形极限结果拥有较好的精度.     

镁合金板材温热成形韧性破裂准则

针对镁合金板材温热成形数值模拟过程中无法精确判断材料损伤破裂失稳的技术难题,建立考虑温度效应的镁合金板材温热成形韧性破裂准则;基于单向拉伸试验和温热成形极限试验,采用试验和数值模拟相结合的研究方法,确定镁合金板材温热成形韧性破裂准则中的材料参数;以建立的考虑温度效应的镁合金板材韧性破裂准则作为判断破裂的标准,对AZ31镁合金板材的温热成形极限进行预测,并且通过温热拉延试验进行试验验证。研究结果表明,考虑温度效应的镁合金板材韧性破裂准则适合镁合金温热成形数值模拟,应用建立的韧性破裂准则成功的预测板材温热破裂方式,揭示板材温热成形韧性破裂机理,预测结果与试验结果体现较好的一致性。     

基于韧性断裂的汽车用铝合金板滚压包边成形开裂预测

通过对比铝合金平面直线翻边试验及基于集中性失稳模型得到的极限应变和开裂断口,研究了汽车用铝合金滚压包边的失效机理;基于韧性断裂、塑性增量法则和混合强化准则,理论推导得到了弯曲成形极限图,并通过试验对成形极限应力图进行了验证;最后,通过数值解析的方法,研究了韧性断裂准则在滚边成形中的适用范围。结果表明:基于韧性断裂准则的成形极限图,可以用来预测铝合金滚压包边过程中产生的开裂;包边变形过程中弯曲强化效应无法忽略,适用于拉弯成形极限预测的集中性失稳理论将无法应用于滚压包边成形。     

不同硬化模型对铝合金板冲压成形模拟结果的影响

研究不同塑性变形硬化模型对汽车5182-O铝合金板材冲压成形模拟结果的影响。采用材料单向拉伸试验得到应力应变关系曲线,基于Hollomom、Krupskowsky与Power方程对曲线进行拟合,建立材料室温下塑性变形硬化模型,对厚度为1.5 mm和0.85 mm的5182板材进行冲压试验和有限元模拟分析,对比分析冲压试验与模拟结果。试验与模拟结果显示,当板料厚度为1.5 mm时,板料冲压试验的成形力最大为42.95 kN,板料拉深深度为30.58 mm,基于Power方程计算得到的最大成形力为41.5kN与试验结果比较接近,Hollomom方程计算得到的拉深深度为30.546 mm,板材成形厚度分布与试验结果比较接近;当板料厚度为0.85 mm时,板料冲压试验的成形力最大为34.47kN,板料拉深深度为33.792 mm,基于Power方程计算得到的最大成形力为34.27 kN与试验结果比较接近,Hollomom方程计算得到的拉深深度为33.636 mm,板材成形厚度分布与试验结果比较接近。基于三种硬化模型铝合金冲压成形过程的计算模拟分析结果,并通过与试验对比得到不同硬化模型对铝合金板材冲压成形计算模拟的影响,进一步为汽车铝合金覆盖件在成形工艺的研究分析提供理论指导。     

基于最大二阶主应变和Savitzky-Golay平滑原理对热轧酸洗板成形极限的数值模拟

通过ABAQUS有限元软件对热轧酸洗板的半球形凸模胀形试验进行数值模拟,分析了热轧酸洗板在成形过程中发生全局颈缩的位置,采用Savitzky-Golay平滑原理对主应变一阶、二阶导数进行拟合得到二阶主应变随时间的变化曲线,基于最大二阶主应变准则预测了热轧酸洗板的成形应变极限,并与试验结果进行对比。结果表明:基于有限元模拟和数据拟合得到的成形极限略低于试验测试值,主应变的最大误差为2.2%,模拟结果与试验结果吻合较好,此数值模拟方法可用于热轧酸洗板的成形极限预测。     

金属剪切旋压成形时的韧性断裂准则

破裂是剪切旋压时最主要的失效形式。为实现对剪切旋压时破裂的精确预测,根据剪切旋压成形时变形区材料的受力特点,提出对基于材料压缩变形塑性本构模型的Oyane准则进行研究。以DP600高强钢为研究对象,通过ABAQUS软件的VUSDFLD子程序二次开发,将Oyane准则耦合到剪切旋压有限元模型进行断裂损伤的计算及断裂阈值的判断。通过椭球形芯模旋压试验对断裂预测结果进行验证。结果表明,基于Oyane准则模拟得到的断裂危险位置位于已变形区靠近变形区处并沿着切向均匀分布,与试验结果的分布规律一致;但基于模拟所得到的极限减薄率与试验结果之间的相对误差达到33.8%。在Oyane准则的基础上,通过考虑平均应力和最大剪切应力对韧性损伤过程的影响,构建出适用于剪切旋压成形的修正韧性断裂准则。结果表明,采用修正后的韧性断裂准则,模拟得到的极限减薄率与试验结果的相对误差仅为15.9%;与Oyane韧性断裂准则相比,相对误差减小了17.9%。获得适用于剪切旋压时的韧性断裂准则,为金属剪切旋压成形破裂的精确预测奠定理论基础。     

基于连续介质损伤力学的7075铝合金高温成形极限理论预测与数值仿真

开展7075铝合金高温单向拉伸试验和成形极限试验，获得了不同温度和应变率的应力-应变曲线和成形极限曲线。结果表明，在较高的温度和应变率时7075铝合金的强度减小、成形性提高。为描述7075铝合金高温损伤演化过程，提出一种改进的连续介质损伤模型，并建立了耦合损伤的多轴统一黏塑性本构模型。基于试验结果，运用NSGAII遗传算法标定了模型中的参数，标定后的本构模型可以很好地预测7075铝合金的高温热力行为和极限应变。通过有限元软件Abaqus的用户材料子程序VUMAT，该本构模型被编入到Abaqus软件中进行数值仿真计算。结果表明，仿真获得的成形极限曲线和应变场分布与试验和理论结果吻合度好，进一步证明了所建立的耦合损伤的多轴本构模型的正确性及其在高温成形极限有限元仿真中的适用性。     

韧性断裂准则的试验与理论研究

对不同样式的45钢和6082铝合金试件进行了拉伸、压缩、剪切、扭转等材料试验，对工程中使用的11个韧性断裂准则进行对比研究，并利用专业塑性成形分析软件对试验过程进行二维和三维情形的数值模拟。指出目前使用的韧性断裂准则都不可能对材料在任意应力应变状态和变形累积的情况下给出一个固定阈值，并给出了基于等效应变和应力三轴度的韧性断裂准则修正公式，通过厚板普通冲裁和精密冲裁试验证明了结论的有效性。     

基于碰撞的车身5182铝合金热成形构件流变行为研究

在应变速率为0.001 5 s-1、0.015 s-1、0.15 s-1和1.5 s-1条件下,对5182铝合金热成形构件试样进行拉伸试验,建立了5182铝合金修正的Johnson-cook本构模型;通过5182铝合金热成形构件车身的正面碰撞模拟计算,分析了5182铝合金热成形构件的变形和吸能特性。研究结果表明:随应变率增加,5182铝合金的流变应力有所增加,并使断裂应变有所降低。5182铝合金热成形构件车身变形合理,具有较好的碰撞吸能特性。因此,验证了5182铝合金热成形构件在车身上应用可行。     

凸模直径以及试件形状对成形极限图的影响

成形极限图(FLD)反映了板料在各种应变路径下的应变极限,是综合衡量板料成形性能的一个重要指标。在用半球形凸模进行试验时发现,所用凸模直径和试件形状的不同对FLD有影响。采用两种不同直径的凸模和两组不同形状的试件进行了试验,获得了4种情况下的FLD,对比分析了凸模大小和试件形状对试验结果的影响。结果表明:采用直径较大的凸模得出的FLD低于采用小直径的凸模得到的FLD,试件形状对于FLD的左半部影响较大,中间带圆弧形的试件得出的FLD左半部低于中间部分平行的试件得到的FLD,试件形状对右半部FLD没有影响。     

基于三维成形极限应力图的AA6061挤压管材成形性能分析

为解决AA6061挤压管材成形性能极差的问题,建立了“固溶水淬+颗粒介质胀形+人工时效”的铝合金管件成形工艺流程。研究了固溶水淬和人工时效工艺参数对材料性能影响规律,并建立了考虑厚向应力的三维成形极限应力图;建立了管件颗粒介质胀形有限元仿真模型,分析管件变形特征质点的运动轨迹和应力应变状态,并应用理论成形极限图对管件破裂失稳点和胀形极限进行分析和预判。四方截面管件胀形工艺试验结果表明,颗粒介质胀形工艺与合适的热处理工艺相结合能够有效地解决AA6061挤压管材的成形问题;考虑厚向应力的三维成形极限应力图可作为铝合金管件胀形工艺方案制定的破裂失稳判据。     

加载路径对AA5083管件热态非金属颗粒介质成形性能的影响

将颗粒介质作为传力介质,应用于铝合金管件内高压热成形工艺。通过热单向拉伸试验建立AA5083板材的本构模型。通过管材热态颗粒介质胀形数值模拟,结合AA5083理论成形极限图的分析,研究了不同加载路径对管件壁厚分布、管端缩料量和主应变曲线的影响规律,并进行了相应的工艺试验验证。研究结果表明,合理匹配初始压头力和管端进给量参数,使预成形管坯在胀形区形成有益皱纹,可为胀形区管坯变形提供聚料作用,从而提高管件成形质量和胀形极限。     

6000系铝合金薄壁结构压缩断裂行为的有限元模拟

针对汽车用6061和6063铝合金薄壁结构,先进行了准静态拉伸试验和180°弯曲试验,得到了铝合金的真应力-真应变曲线;然后采用线性回归拟合的方法建立了铝合金韧性断裂的本构模型,在此基础上,建立了铝合金薄壁结构压缩失效的有限元模型,并通过轴向压缩试验验证了有限元模型的准确性。结果表明:拉伸后,6061铝合金的表面呈橘皮形貌,6063铝合金的表面比较光滑;两种铝合金的断裂均为韧性断裂,6063铝合金具有更好的韧性;6061和6063铝合金的韧性断裂准则参数分别为104.81 MPa和179.91 MPa;有限元预测得到的铝合金薄壁结构的失效行为与试验结果比较吻合,证明了铝合金韧性断裂本构模型的正确性。     

基于韧性断裂准则用有限元方法预测镍涂层薄钢板的成形极限

首先通过拉伸试验,得到了镍涂层薄钢板和低碳钢薄板的材料参数,然后利用有限元软件Abaqus/Explicit对镍涂层薄钢板的冲压成形过程进行了有限元模拟,得到了涂层和基体在冲压变形过程中的应力、应变以及断裂的初始位置及厚度分布,并通过Oyane韧性断裂准则预测了镍涂层薄钢板的成形极限;并将韧性断裂准则的理论计算、试验结果与有限元计算结果进行对比。结果表明:Oyane韧性断裂准则能够较好地预测镍涂层薄板的成形极限和失效的初始位置,预测值与试验值相差较小。     

阶梯形件液压凸模拉深成形装置的设计及试验

针对阶梯形件在刚模拉深成形中易出现起皱、破裂、壁厚偏差大等缺陷以及普通液压拉深易出现的变形不均匀、不充分等问题，开发了一种简单实用、在拉伸机上就能实现板材预胀充液拉深试验的液压凸模拉深成形装置，该装置采用了液压凸模、刚体凹模的拉深方法。通过不同高度的垫板控制移动凹模的位置，并以1060-O态铝板为材料进行相关试验，利用预胀充液拉深原理，得到阶梯形件。结果表明：该装置可合理匹配预胀压力和凹模预胀位置并显著的提高零件的成形高度和成形质量。     

基于Gissmo失效模型的6016铝合金板材断裂行为研究及应用

准确预测金属板材在成形过程中的失效行为是当前面临的挑战。许多试验表明,金属材料的断裂失效行为伴随着强烈的应变路径依赖性。Gissmo失效模型采用非线性方式计算损伤积累,考虑材料的应力状态对断裂失效应变临界值的影响,适用于预测金属材料在不同应力状态下的断裂行为。以汽车用6016铝合金板材为研究对象,设计六种反映材料不同应力状态的试样,通过试验结合有限元仿真对标的方法,校准Gissmo失效模型中的参数。将Gissmo失效模型用于预测铝合金板材汽车发动机罩内板在冲压过程的断裂失效问题,并对数值模型计算结果进行试验验证。结果表明,与传统成形极限图相比,Gissmo失效模型的计算结果与试验结果更加吻合,铝合金汽车发动机罩内板样件均未出现裂纹区域,表明Gissmo失效模型适合用于准确预测6016铝合金板材的断裂行为。     

不锈钢外板对5A06铝合金板材液压胀形行为的影响

薄壁曲面铝合金零件整体液压成形时,易发生起皱和破裂缺陷,探讨通过施加外层板能抑制缺陷发生的机理。采用5A06铝合金内层板材和1Cr18Ni9Ti不锈钢外层板材,对双层板液压胀形行为进行研究。通过塑性理论分析板材液压胀形屈服半径,讨论经向摩擦力及法向压力对板材应力大小的影响;利用数值模拟给出内层板的应力、应变分布;通过双层板液压胀形试验,对比单层板和双层板条件下,铝合金内层板极限胀形高度、极限应变,分析双层板的变形协调性。结果表明:通过施加不锈钢外层板,减小了5A06铝合金内层板顶部位置面内的双向拉应力,减小了内层板变形区应力、应变梯度,使胀形变形更加均匀,胀形高度提高32%,顶部极限应变提高51.7%,极限应变显著提高。     

采用可移动凹模的板材液压成形技术

提出一种改进的板材液压成形新工艺,即采用可移动凹模,实现拉深与胀形的复合液压成形。在整个变形过程中,板材初始变形部分始终与可移动凹模接触,从而抑制已变形区进一步变形,使变形更加均匀,实现变形的顺序控制,板材成形极限得到提高。从试验和数值模拟两方面对可移动凹模板材液压成形技术进行了研究,分析各种工艺参数,如摩擦因数等对板材成形性的影响,并且分析了可移动凹模对板材成形极限的影响。