基于压痕响应的钣金材料正交各向异性性能参数识别及可信域研究

Study on the characterization of orthotropic plasticity of sheet metal using indentation techniques will greatly make up the deficiencies of general mechanical testing methods, which is very valuable for the fundamental research in plastic forming. This project aims to investigate the variation regularity of material orthotropic plasticity, and based on this, to reasonably determine the constants of the yield criterion and accurately describe the material indentation responses. Through forward finite element analysis, we will establish the relationships between material parameters and indentation responses, and determine the strain hardening exponent of the generalized stress strain curve using dimensional analysis and the slope of indentation loading curve. The manifold learning dimension-reduction algorithms will be used to construct the inverse solving process for the determination of material orthotropic plasticity. The attention will be mainly focused on the uniqueness problem of the relationships between material parameters and indentation responses, the sensitivity of inverse solving procedure to the experimental errors, and the confident domain of material parameters, and to form the theorem and methods in the characterization of orthotropic material plastic properties using indentation techniques. The above research results will be used to obtain the orthotropic plastic properties of sheet metal and its properties evolving regularity in multi-step forming processes, and applied to the simulation and analysis in each forming stage.

研究采用压痕法表征钣金材料正交各向异性塑性力学性能，能够填补现有常规力学性能测试方法的不足并拓展其适用范围，这对于开展材料塑性成形基础研究具有重要价值。本项目将着重研究材料正交异性塑性性能的变化规律，并藉此对屈服准则相关参数进行合理确定，以准确描述正交各向异性材料的压痕响应。通过正向有限元分析建立材料塑性性能参数与压痕响应之间的关系，依据压痕载荷-位移关系曲线斜率变化，通过量纲分析确定正交各向异性材料的广义抗力曲线的硬化指数；采用流行学习降维算法建立材料主要异性方向上屈服性能参数的反向分析求解过程。其中重点解决压痕响应与材料参数之间对应关系的唯一性问题，以及逆向求解过程对实验误差的敏感性和材料参数的可信域问题，形成压痕法表征正交各向异性性能参数的理论和方法。将以上研究成果应用于钣金材料在多步成形过程中的异性性能及其变化规律的获取，以及各个成形阶段的分析模拟研究。

研究采用压痕实验获取钣金材料的正交各向异性力学性能，能够填补现有常规力学测试方法的不足并拓展其适用范围，这对于开展材料塑性成形基础研究具有重要价值。本项目旨在发展基于压入实验的钣金材料正交各向异性力学性能测试方法，以实现材料正交各向异性性能的快速、无损检测。本项目的主要研究内容包括：（1）研究正交各向异性屈服准则参数的确定，不同三维屈服准则条件下各向异性材料在压痕作用下的变形特征及相应的力学表征方法；（2）分别建立依据压痕载荷-位移关系曲线和仅用压痕轮廓特征识别各向异性材料硬化指数的方法；（3）基于流行学习算法，构建各向异性材料不同方位上压痕轮廓快照的子空间，并与材料本构参数进行关联，结合约束优化算法实现对材料各向异性参数的识别，并合理确定材料参数的可信域；（4）着重研究双锥压入与球形压入情形下材料各向异性参数识别的唯一性问题，给出材料参数唯一识别的方案。通过上述工作的开展，实现了基于压入测试的钣金材料正交各向异性力学性能识别，揭示了参数识别非适定的原理并建立了材料参数唯一识别的技术方案，获得了专利授权。将继续强化自主知识产权的实用性和经济性，推进压痕测试技术在钣金材料正交各向异性性能检测领域的应用。