涉及不同加载路径和非均匀应变场亚稳定流动规律的具有加载路径和应变范围普适性的板料成形本构关系的建立

The establishment of the constitutive model is a key scientific problem in plastic forming theory of sheet metals. Most existed research establish the constitutive model based on the uniform strain field in uniaxial tensile test, neither the larger strain range under other loading path nor the unsteady flow rules in non-uniform strain field under large strain is considered. Therefore, the experiments which can realize different loading paths, and larger strain range including uniform and non-uniform strain field are designed first. Then considering unsteadying flow rules in non-uniform strain field, based on the experiments under different loading paths including uniform and non-uniform strain field, adopting theoretical calculation, finite element simulation and optimization technology , combined with accurate yield criteria and hardening model, break through the limitations of single loading path and finite strain range, propose a constitutive model universal to different loading paths and strain ranges that can describe the material deformation behaviors under different loading paths and large strain ranges. Establish a high precision finite element simulation platform including accurate yield criteria, hardening model and constitutive models. This research may be of important scientific meanings to the development of plastic forming theory of sheet metals, higher sheet metal forming simulation accuracy, and forming process optimization.

本构关系的建立是板料塑性成形理论的关键科学问题，已有研究通常采用单向拉伸中均匀应变场内的应力应变来建立本构关系，没有考虑具有更大变形范围的其他加载路径和变量量较大时非均匀应变场内的亚稳定流动规律。鉴于此，本项目拟首先设计能够获得不同加载路径、获得包含均匀和非均匀应变场的更大变形范围的实验。进而考虑非均匀应变场内亚稳定流动规律，基于不同加载路径下包含均匀和非均匀应变场的数据，确立精确的屈服准则和强化模型，采用理论计算、有限元模拟和优化技术，突破单一加载路径和有限应变范围的局限，提出能够描述不同加载路径下大应变范围内板料的变形行为，即具有加载路径和应变范围普适性的本构关系。建立包含精确的屈服准则、强化模型和拟建立的本构关系的高精度有限元计算平台。本研究将对板料塑性理论与实验方法的发展、板料成形更加精确的有限元模拟和工艺优化具有重要的科学意义。

本构关系的建立是板料塑性成形理论的关键科学问题，也是该领域的前沿科学问题，是贯穿板料成形中整个变形过程的关键一环，项目完成之前已有研究通常采用单向拉伸中均匀应变场内的应力应变来建立本构关系，没有考虑具有更大变形范围的其他加载路径和变量较大时非均匀应变场内的亚稳定流动规律。存在该亚稳定流动规律的塑性变形过程中，要建立精确的本构关系，还应建立在高精度的屈服准则和强化模型的基础上。本项目在第一和第二年度，设计了能够获得不同加载路径、获得包含均匀和非均匀应变场的更大变形范围的实验，相关试验方法申请并授权了国家发明专利（第三年度授权）。在第二和第三年度，在充分考虑非均匀应变场内亚稳定流动规律的基础上，基于不同加载路径下包含均匀和非均匀应变场的数据，确立精确的屈服准则和强化模型，初步针对单向加载变形问题建立了本构关系，验证了精度，发表了相关学术论文。第三年度和第四年度，在上述基础上进一步采用理论计算、有限元模拟和优化技术，突破了单一加载路径和有限应变范围的局限，提出了能够描述不同加载路径下大应变范围内板料的变形行为，建立了具有加载路径和应变范围普适性的本构关系。在本项目研究过程中，为了更好的完成预期目标，同时改进了Yld2000-2d屈服准则，提高了其对材料变形行为的预测精度。并提出了一种新的强化模型，新的强化模型能够精确预测复杂加载亚稳定流动过程中材料的强化行为。本项目最终建立了包含精确的屈服准则、强化模型和拟建立的本构关系的高精度有限元计算平台。本研究将对板料塑性理论与实验方法的发展、板料成形更加精确的有限元模拟和工艺优化具有重要的科学意义。项目完成之际，在已有的大变形本构关系的基础上，探索了大变形过程的最后阶段，即材料达到成形极限后的相关变形规律，并初步提出了新的成形极限方法，为后期研究打下了坚实的基础，项目完成了预期目标。