金屬成形過程的細觀損傷力學模型及韌性斷裂準則研究.pdf

1、金屬塑性成形技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點，而且還能有效改善工件的力學性能，在金屬零件制造過程中占據(jù)了重要的地位。在金屬塑性成形領域內(nèi)，金屬材料的成形性能（可加工性能）的研究一直是人們關(guān)注的課題，而金屬的損傷和韌性斷裂是影響成形性能的重要因素。隨著計算機硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展以及金屬塑性流動理論的日臻完善，利用數(shù)值模擬技術(shù)，可以準確計算金屬成形過程中的應力、應變等物理量的分布，但對成形過程中斷裂等缺陷的預測尚不夠成熟

2、，這是塑性成形過程模擬技術(shù)推廣應用的一個瓶頸問題。
　　 金屬韌性斷裂是損傷累積的結(jié)果。金屬成形中工件的破裂通常要經(jīng)歷以下的過程：微孔洞的形核、長大、聚合直至產(chǎn)生塑性變形局部化，最終產(chǎn)生宏觀裂紋。細觀損傷力學模型以孔洞演化理論為基礎，從物理本質(zhì)上反映了材料微觀結(jié)構(gòu)的劣化最終導致材料失效斷裂過程。但是細觀損傷力學模型本身存在一些理想化的假設，引入了一些試驗難以測定的模型參數(shù)，因此沒有在工程中得到廣泛應用。合理地確定這些模型參數(shù)是將

3、細觀損傷模型正確地應用于工程分析的必要條件。韌性斷裂準則是預測金屬材料發(fā)生斷裂的判據(jù)，已有的韌性斷裂準則還只能針對特定加工工藝中的破裂進行預測。金屬成形工藝的多樣性要求韌性斷裂準則應該具有寬闊的適用范圍。本文針對細觀損傷力學模型和韌性斷裂準則及其在金屬成形有限元模擬中的應用進行了較為深入的研究，主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　 提出了一組誤差評價函數(shù)來評價Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)細觀損傷模型模

4、擬工程金屬材料宏觀力學行為的準確度，從而合理地選取GTN模型參數(shù)，并進行了孔洞形核參數(shù)的優(yōu)化。
　　 根據(jù)能量最小原理，建立了孔洞聚合的分析模型，推導了三維孔洞體胞模型中臨界斷裂時的等效應變與孔洞體積分數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。對單向拉伸試件斷口處的孔洞體積分數(shù)進行了測量，結(jié)果表明：本文提出的該函數(shù)關(guān)系比依據(jù)二維孔洞體胞模型推導的函數(shù)關(guān)系更接近于試驗的結(jié)果。
　　 比較和評價了工程中常用的六種韌性斷裂準則的適用范圍和準確度。依據(jù)

5、試驗觀測結(jié)果，將金屬成形過程中的韌性斷裂機制分為拉伸型和剪切型兩種類型，提出了一個適用于不同變形路徑的統(tǒng)一形式的韌性斷裂準則。數(shù)值模擬結(jié)果與拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、先扭轉(zhuǎn)再拉伸等材料試驗結(jié)果的對比驗證了該準則在不同變形方式下都具有較高的準確性。
　　 將新建立的韌性斷裂準則應用于金屬板料成形和體積成形工藝中的韌性斷裂預測。采用經(jīng)過單向拉伸預變形的板料進行拉深試驗，結(jié)果表明采用本文提出的韌性斷裂準則比成形極限圖(FLD)能夠更準確地預測