变应变路径下铝合金板料的变形回弹预测

发布时间：2020-07-10 08:47

【摘要】：近年来,铝合金等轻质金属材料由于其自身具有的各种优点,因此被广泛的应用于各类工程领域中。该类材料普遍具有较高的强度,并在变形力卸载后会产生相较于普通材料更加明显的回弹。回弹作为金属板料塑性成形中的主要缺陷之一,严重影响了金属板料制品的产品质量和生产效率。如何对回弹进行有效的控制及预防,一直是金属塑性成形领域研究的热点和难点。因此,有必要深入研究金属板料的塑性变形机制,对产品成形后的回弹量进行预测,从而采取措施避免或控制回弹,以使零件达到生产要求。板料的回弹主要受到两点因素的影响:弹性模量和板料卸载前呈现的应力状态。材料内部的损伤扩展、非弹性回复行为、材料的硬化机理等都可以随着板料加载路径的改变而影响到上述两点因素,从而对材料的回弹产生影响。为提高回弹预测精度,必须以更贴合实际的材料理论模型作为研究基础。金属材料到达屈服点后的塑性变形过程中,不仅存在同向硬化和动态硬化,还会由于塑性变形诱发各向异性而产生畸变硬化,对最终的应力状态产生影响。因此,模拟过程硬化类型的选择对最终回弹模拟结果的准确性至关重要。材料屈服面在经历屈服后的后继演化规律也决定了金属材料硬化过程中应力和应变的演化关系。同时,屈服面的演化对应变历史和损伤的扩展规律非常敏感,加之加载路径变化时,最终材料内部的应力状态预测也将变得更加复杂。只有准确掌握金属材料加载和卸载过程中的弹塑性变形机理,包括材料后继屈服面的准确描述,才能实现回弹的高精度预测。因此本文基于考虑塑性变形诱发后继各向异性的全耦合损伤模型,探讨AA7055铝合金在变应变路径下的回弹机理。主要研究内容如下:本文结合实验验证和有限元仿真分析对金属板料的回弹进行研究。实验中,以AA7055铝合金作为研究对象,为模拟板料冲压过程,采用先预拉伸后三点弯曲的实验方法,可以获得变应变路径下试件的回弹角度,并对复杂应变路径下的回弹规律进行探讨。同时,还对铝合金板料试件实现反复加载-卸载的循环加载过程,研究不同塑性应变程度的材料弹性模量E的变化规律,进而通过弹性模量变化研究损伤的演化情况。另外,模拟部分还考虑了塑性变形诱发各向异性,并实现了与损伤的全耦合关系,提出全耦合的损伤模型,并将模型引入到Abaqus中,显式、隐式分析相结合,对金属板料变应变路径下的回弹过程进行有限元仿真。对比实验和仿真模拟结果,探讨了不同动态硬化比例、非弹性回复行为、损伤和塑性变形诱发各向异性等多种因素对变应变路径下金属板料回弹的影响规律。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.21
【图文】：

示意图,预拉伸,金属板料,三点弯曲

屈服点后便开始产生塑性变形能的积累。对于预拉伸后三点弯曲的金属板料逡逑件，当弯矩卸载后，材料内部弹性变形区域和塑性变形区域中的弹性部分共逡逑同作用，使板料产生回弹。图１－１所示为预拉伸后三点弯曲金属板料变形状逡逑态分布示意图。这里忽略材料变形行为不对称导致的中性层内移行为。因此，逡逑预拉伸的板料进行三点弯曲后，中性层内部的材料便会经历拉伸－压缩的循逡逑环力学行为。因此，材料变形时一定存在包辛格效应（Ｂａｕｓｃｈｉｎｇｅｒ邋ｅｆｆｅｃｔ），逡逑会使反向加载时的屈服强度减小。图中所示＼为材料初始屈服强度，巧为逡逑材料经过反向加载之后的屈服强度，那么一定有巧＜＇。由于材料屈服的逡逑不对称，导致材料中性层以内塑性变形区域扩大，而弹性变形区域减小。逡逑ｙ邋１１逡逑弯曲内侧逦预拉伸逡逑＼逦＾２逦Ｉ逡逑＃？逦＇＼＼逦，Ｏｆ逦拉压逡逑逦逦伸缩逡逑｜ｊ逦中ａ逦＾弯曲逡逑Ｌ逦拉拉逡逑逦－ＸＩＩ逦＼逦逡逑＿弯曲外侧逦弯曲逡逑图１－１．预拉伸后三点弯曲金属板料变形状态分布示意图逡逑将钣金件冲压变形过程进行简化

示意图,塑性变形,演化过程,类型

１．２．２影响回弹的主要因素逡逑从理论上来讲，金属板料的回弹角度是由材料的弹性特性和回弹卸载之逡逑前的应力状态决定的。如图１－２所示为材料变形应力－应变曲线示意图。金逡逑属材料变形的非弹性回复行为会使材料的弹性模量随着塑性变形的深入不逡逑断减小，即图中角度〃会不断增大，从而对最终的回弹结果产生影响。若不逡逑考虑弹性模量的改变，即角度《为定值时，回弹卸载之前的材料应力状态直逡逑接影响材料的最终回弹。应力状态的差异表现为经过复杂应变之后图中材料逡逑Ａ的不同。如图所示，％越大则最终卸载后产生的回弹就越大，即图中Ｚ／＞Ｌ。逡逑金属板料在塑性冲压的过程中会产生复杂的塑性变形，由于包辛格效应的存逡逑在会使加载历史对材料的应力状态产生一定的影响，最终产生不可预知的回逡逑弹量。逡逑－－逡逑ＣＴ逦＇一邋一一一邋／邋ｆ逡逑逦ｆＴ］＾逡逑始加载邋／逡逑Ａ邋Ｌ逦Ｕ逡逑／逦反向加载厂：卩逡逑￣包辛格效应￣￣ｌ＾ｙ：逦￥逡逑瞬态行为逦ｉｗ邋＜°ｔ邋—－动态硬化逡逑ｔ永久软化邋Ｘ逡逑＿邋Ｔ．邋邋邋０｝■邋＿？同向硬化逡逑图１－２．不同硬化类型应力－应变曲线对比示意图逡逑材料达到屈服之后，进入塑性变形阶段的变形演化过程是由材料的硬化逡逑模型决定的，即Ｑ的演化情况是由材料的硬化准则决定的。因此材料的硬逡逑化准则主要描述的是材料后继屈服面及其演化情况。有研宄表明

后继屈服面,铝合金,情况

图１－４．邋１１００铝合金后继屈服面演化情况Ｍｌ逡逑．３．３变应变路径下的回弹研究逡逑对于回弹问题研宄，需对板料复杂变形状态下的塑性变形过程，才能与真实的生产过程相一致。由于应变路径的不同，金属材料的应力状态也有较大差异，从而对最终的回弹产生影响。一般采用行为来研究金属板料的变形行为，对材料的本构模型进行验证。但属薄板在拉伸之后反向加载的过程中极易失稳，会对实验结果产生此实验方法的合理设计对最终结论的准确性有很大的影响。逡逑对于金属板料的拉伸－压缩实验，很多学者通过在薄板两边增加服薄板压缩状态下失稳的问题。Ｙｏｓｈｉｄａ等［３３］和Ｃａｏ等［３４］对板料压置的夹持部分进行设计，分别如图卜５、图丨－６所示。实验通过设结构对一个或多个试件厚度方向上施加压力来实现夹持固定，以防

【参考文献】