板材粘性介質(zhì)脹形過(guò)程力學(xué)行為的研究.pdf

1、隨著高強(qiáng)度、低塑性輕質(zhì)合金在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如何提這類材料的成形性成為板材加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。粘性介質(zhì)壓力成形(Viscous Pressure Forming,VPF)是一種板材軟模成形新工藝，采用高粘度、可流動(dòng)的半固態(tài)軟模（稱為粘性介質(zhì)）作為傳力介質(zhì)，能夠提高成形件的形狀尺寸精度、表面質(zhì)量和壁厚分布均勻性，在金屬精密塑性成形中具有良好的應(yīng)用前景。深入研究粘性介質(zhì)對(duì)板材變形的影響規(guī)律，對(duì)于粘性介質(zhì)性能的合理利用和成形方

2、案的優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。本文通過(guò)粘性介質(zhì)壓力脹形（Viscous Pressure Bulge,VPB）過(guò)程的光測(cè)試驗(yàn)分析、理論分析和有限元分析手段，系統(tǒng)地研究了粘性介質(zhì)對(duì)板材穩(wěn)定變形和失穩(wěn)發(fā)展過(guò)程的影響規(guī)律，得到粘性介質(zhì)切向粘著應(yīng)力對(duì)試件材料流動(dòng)、形狀、應(yīng)力應(yīng)變分布以及變形薄弱區(qū)失穩(wěn)發(fā)展過(guò)程的影響規(guī)律，解釋了粘性介質(zhì)有助于提高VPF板材變形均勻性和成形極限的原因。根據(jù)本文的工作不僅可以加深對(duì)粘性介質(zhì)與板材相互作用過(guò)程的理解，而且可

3、以擴(kuò)展粘性介質(zhì)壓力成形的應(yīng)用范圍，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。
　　首先,設(shè)計(jì)了粘著拉伸試驗(yàn)和光塑性測(cè)量方法相結(jié)合的試驗(yàn)方案，分析切向粘著應(yīng)力作用下板材單向拉伸變形行為，并與傳統(tǒng)單向拉伸試驗(yàn)進(jìn)行比較分析。獲得了聚碳酸酯試件的等差線條紋圖，根據(jù)條紋分布對(duì)粘著拉伸試件平面內(nèi)的應(yīng)變分布進(jìn)行全場(chǎng)定性分析和定量計(jì)算，并且分析了粘著拉伸試件應(yīng)力狀態(tài)，得到應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。結(jié)果表明切向粘著應(yīng)力可以使試件發(fā)生較大的塑性變形,粘著拉伸試件的變形符合

4、傳統(tǒng)單向拉伸試件變形規(guī)律。面分布的切向粘著應(yīng)力可提高試件應(yīng)力和應(yīng)變分布的連續(xù)性和穩(wěn)定性，有利于延緩應(yīng)變集中的發(fā)生。
　　利用投影散斑數(shù)字相關(guān)（Projected Speckle Digital Correlation, PSDC）方法的連續(xù)測(cè)量特征，設(shè)計(jì)粘性介質(zhì)壓力脹形過(guò)程試件三維形狀的投影散斑測(cè)量裝置，分析不同粘度粘性介質(zhì)和不同加載速度條件下試件形狀的變化規(guī)律，確定切向粘著應(yīng)力對(duì)脹形試件應(yīng)力和應(yīng)變分布的影響。相對(duì)于液壓脹形試件，

5、粘性介質(zhì)脹形試件半徑較大處趨于扁球狀，試件頂端區(qū)域趨于長(zhǎng)橢球狀。切向粘著應(yīng)力隨介質(zhì)粘度和加載速度增加而增大，促進(jìn)半徑較大區(qū)域的變形，阻礙試件中心的變形，降低應(yīng)變梯度，使應(yīng)變分布趨于均勻。試件頂點(diǎn)的流動(dòng)應(yīng)力隨介質(zhì)粘度減小和加載速度增加而增大。
　　利用電子散斑干涉方法（Electronic Speckle Pattern Interferometry, ESPI）連續(xù)測(cè)量了脹形過(guò)程的應(yīng)變速率，根據(jù)應(yīng)變速率分布特點(diǎn)分析試件的應(yīng)變集中現(xiàn)

6、象，研究了分散性失穩(wěn)和集中性失穩(wěn)發(fā)展過(guò)程。通過(guò)散斑條紋圖實(shí)時(shí)觀察了缺陷發(fā)展引起分散性失穩(wěn)、凹槽形成和擴(kuò)展、引起集中性失穩(wěn)直至試件破裂的失穩(wěn)演化全過(guò)程，確定了分散性失穩(wěn)和集中性失穩(wěn)極限應(yīng)變，研究粘性介質(zhì)對(duì)脹形試件失穩(wěn)發(fā)展過(guò)程的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明粘性介質(zhì)提高脹形試件成形極限的主要原因是粘性介質(zhì)能明顯延緩板材缺陷出現(xiàn)和發(fā)展,阻礙失穩(wěn)區(qū)擴(kuò)展，提高分散性失穩(wěn)極限應(yīng)變，從而提高了集中性失穩(wěn)極限應(yīng)變。
　　其次，在形狀變化與失穩(wěn)過(guò)程試驗(yàn)研究結(jié)果

7、的基礎(chǔ)上，建立了有限元模型對(duì)粘性介質(zhì)脹形失穩(wěn)過(guò)程進(jìn)行分析。采用帶有損傷效應(yīng)的塑性模型作為板材材料模型，通過(guò)有限元方法得到脹形試件缺陷出現(xiàn)和發(fā)展、分散性失穩(wěn)、集中性失穩(wěn)和破裂等各失穩(wěn)階段失穩(wěn)區(qū)內(nèi)的變形發(fā)展過(guò)程，失穩(wěn)區(qū)位置、形狀和發(fā)展過(guò)程與試驗(yàn)結(jié)果比較一致。有限元分析模型可為粘性介質(zhì)壓力成形試件的成形極限預(yù)測(cè)和成形方案的優(yōu)化提供指導(dǎo)。
　　最后，建立了加入切向粘著應(yīng)力的粘性介質(zhì)脹形理論分析模型，研究切向粘著應(yīng)力對(duì)脹形試件應(yīng)力狀態(tài)和形狀