金属旋压成形中的损伤演化和破裂机理研究

本课题研究旋压成形中损伤演化和破裂机理，改变目前旋压领域无法从理论上预测破裂的现状。根据旋压成形局部加载卸载的应力应变特点，通过板材多步拉伸/压缩实验和循环大塑性应变实验，获得材料各向异性、应力三轴度、预应变和循环大塑性应变与损伤演化的关系；结合塑性理论、连续损伤力学和有限元模拟，提出适用于旋压成形的损伤模型和韧性断裂准则，用来预测旋压成形中的损伤演化和各种破裂现象；结合工艺试验、微观分析和理论研究，揭示旋压成形中工艺参数与损伤演化的关系和各种破裂的微观机制。本研究的完成对深入研究复杂应力应变条件下的损伤和破裂机理、完善旋压成形理论、准确预测旋压成形极限、指导旋压工艺参数制定等具有较高的学术价值和显著的实践意义。

本项目针对传统的应变测量方法和韧性损伤测量方法的缺点，自制低成本DIC全场应变测量和损伤测量系统，并在此基础上提出了基于DIC和DCPD测量金属板材单向拉伸过程中的韧性损伤方法，具有测试平台容易搭建、测量过程简单、无需进行应力矫正的特点；研究了常用屈服函数对金属板材单向拉伸过程中的力学行为的影响，Barlat 1991屈服函数相对于Von Mises和Hill 1948屈服函数具有更好的预测结果；研究金属板材单向拉伸过程中的损伤行为，并建立了耦合Lemaitre损伤的有限元模型预测相应的损伤演化；提出了金属板材单向拉伸的颈缩过程可以分为四阶段，包括扩散性颈缩发生阶段、扩散性颈缩主导阶段、局部颈缩发生阶段和局部颈缩主导阶段，并认为局部颈缩发生点可以用来较为准确的判断是否材料即将发生断裂；通过宽板单向拉伸实施不同程度预应变，研究了预应变和应力三轴性对金属板材力学性能的影响，提出了修正Voce模型预测预应变对硬化曲线的影响；自制了双向拉伸装置，并利用双向拉伸试验进行金属板材成形极限分析；针对Al6061、SPCC和SUS304三种材料进行了单旋轮多道次普通旋压工艺试验，并制作了杯形件作为强力旋压的初始坯料；针对Al6061和SPCC两种材料进行三旋轮错距旋压试验和无错距旋压试验，研究了强力旋压对材料的力学性能和成形极限的影响；建立了三旋轮拉深旋压三维有限元模型，探讨了旋压成形过程中的损伤分布和演化。