变路径加载下薄板各向异性本构关系研究

回弹是薄板冲压成形中最重要和最难控制的缺陷之一，而板料的本构模型是回弹有限元高精度预测的关键，目前，本构模型对变路径加载下板料各向异性力学特性描述的不足是阻碍回弹预测精度进一步提高的瓶颈。本项目拟研究的各向异性本构模型,准确描述了大塑性变形下薄板的强化和屈服的各向异性:该本构模型基于RIK强化模型考虑了各向异性屈服轴在塑性变形中的旋转，以祢补传统模型不能描述正交加载下交叉强化效应的不足；采用高阶屈服函数Barlat2004-13p，解决常用屈服函数不能同时描述薄板屈服应力和厚向异性系数各向异性的不足。由于复杂各向异性本构模型的材料参数通常不能用解析式显式表达，这使得该类本构模型材料参数的测定变得困难，本项目拟利用单轴拉伸、平面应变和简单剪切实验与优化法进行本构模型材料参数的测定，以克服该困难。通过筒形件二次拉深实验装置评价所建立本构模型的回弹预测精度。

为实现节能减重，铝合金和高强度板材被广泛应用于汽车、航空行业，使零件的回弹量增加。由于板料成形是一个多重非线性问题，因此，进行回弹的高精度有限元预测难度高，冲压回弹问题成为了该领域研究热点和难点。现有本构模型对板料在变路径加载下的各向异性及其演化的描述不准确，这是回弹预测精度提高的瓶颈。课题组负责人、成员及其合作者在本构理论方面提出了两类高阶各向异性屈服函数：基于特征值分解的各向异性屈服函数和基于微观组织演化的各向异性屈服函数。两类高阶屈服函数均能实现对板料初始各向异性及其演化的描述，特别的，基于微观组织演化的各向异性屈服函数框架能考虑各向异性对称轴的旋转以及应力屈服面的扭曲。在复杂各向异性本构模型的参数测定方面，开发了基于优化法的本构模型参数测定程序SMAT，该程序实现了实验数据与优化代码的分离，具有用户友好的特点，同时课题组还提出了一种测定薄板反向加载下包申格效应的新方法，该方法仅涉及单向拉伸和三点弯曲回弹试验，具有较好的工程应用前景，另外，对变路径加载下包申格效应、瞬态效应、永久软化和弹性模量非线性变化实现了定量化对比，结果表明弹性模量变化对高强钢的回弹具有最重要的影响。基于单向拉伸、简单剪切实验和SMAT程序，成功实现了铝合金和钢板的本构模型材料参数的测定。利用筒形件拉深回弹和U形拉深回弹试验装置对所测本构模型参数进行了评价，验证了回弹预测结果的有效性。该研究从薄板各向异性本构理论及其参数测定方面对如何提高冲压回弹的预测精度进行了探讨，是当前板料成形数值模拟领域的前沿性问题，具有重要的理论和应用意义。