（材料加工工程专业论文）双向加压液压胀形极限的研究及其数值模拟.pdf

摘要 摘要 随麓全球范围能源紧张的加剧，国际汽车业加快了汽车轻量化的步伐。 因此重擞轻，强度商的材料在汽车工业中使用得越来越普遍，由于这些材 料豹塑往褶对较差，霞蘸进 亍肖关这些材辩的戒形磺究其霄实际意义。 双魄加压液压胀形是一种近期才开展的扳料成形方法，其基本原理是 在胀形过程中使板料两侧承受初始液体压力的作用，由板料两侧液体的压 力差完成胀形。双向茄嚣是为了改善交形送的磁力状态，改善澜淆条件和 变形均匀疫以达到提高成彤极嫩豹韪豹。 文中首先分析了应用理论f l d 对低塑性的材料双拉成形时，预测成形 极限不精确的原因，详细叙述了基予损伤力学的韧健断裂准剐和目前的应 用炊琵，为剥蠲韧彀叛裂准则预测双起滚藤胀形壤殴提供了菝摄。 本文从理论上推导出圆板料双向液压胀形过程中变形区的j 血力、应变 分布以及胀后零件厚度分布情况，结合h i l l 屈日鹾准则和d 。d r u c k e r 硬化材料 滚渤准刘，绘出了变形区懿等效应力、应变舞。 最艏采用有限元软件a n s y s 几s 。d y n a 对l y l 2 ( m ) 、s t l 7 釉l f 2 1 三 种材料的近半球形件的双向液压胀形过程进行了有限元数值模拟。以模按 缝莱数撵帮蘩馑薮裂准为基秘，裂弱嚣囱慰象缡程器言v i s u a lc 菇为工具编 制出单元断裂判断程序，程序给出了不同材料在对于不同初始厦力岛下的 极限胀形高度，得出了初始压力极限裔度益线，发现提黼初始压力可 孩提高j 长形掇鞭离发，羹当秘始压力与耱辩豹疆度椽当露，极羧襄凄提高 的差明照；对锥盒件双向液压胀形的模拟结果驻示，该成形法w 以改善润 滑条件和减小板料朦间变形；通过控制板科不同区域的正反压力场，实现 精性介矮压力成形豹数蕊模稼，结莱显示：鞑性舟鼷歪力残形簸踺援辩颁 序变形进行控制，达到使变形更均匀，缓解出现局部过度变薄。 关键漏黢淘液压骚影：麓始滚俸莲力；麓往甄裂准粼；数蓬穰拟；掇隈裹 度 签坐盔堂墨堂翌主兰丝丝塞 a b s t r a c t ，珧t h ea 锄麓帕砒b no fe n e r g ys h o r t a g ei nt i m ew o r d - w i d e ，t h e 诫m a t i o n a l a m o m o b i l e 涟u s t r ya c e e l e m l e st h ep a c eo fa u t o m o b i _ q e 迤建嘲氍m o r ea n dm o r e m a t e r i a lw i t hl i g m 嗽h i g h 出e n g t hb u tl o wp l a s t i c i t yi sa p p f i e di na u t o m o b i l e 辆翻s 拄yf o rt h er e a s o n , s os t u d yo i lt h ef o r r a i n go f 酶h i g hs t r e n 蕊l o wp l a s t i e 矗y m a t 曲lk 搭al o to f p r a c t i c a ls 凹s e s d o u b l es i d e dp r e s s u r eh y d r o f o r m i n gi san e w l yf o r m i n gt e c h n o l o g y t h er 斑i p l e o f i ti st h a t ：l e tt h e “轴s i d e so f m e t a ls h e e tf u l lo f l i q u i dw i t hh - , i t i a lp r e s s u r et h r o u g h o 慷 t h es h e e ta r ch y d r o f o r m e db yt h e 率铺s 黼d i t f e r e n c eo f 濂t w os i d e d t h ep l l i 芦s eo f w l r o l y i n gt h ed o u b l es i d e 珥嵴跚mh y d r o f o r m n gi st oi m p r o v et h ed e f o r m a t i o n 撇s s t r e 嚣s t a t e , b a t , r i c a t 埏s t a t e a n d t h e 吼雠豁矗糍o f d e f o r m a t i o n 奴l b e p m m o t i o n o f t h ef o r m i n gl i m i t f i r s t l y , t h e p a p e r a m l y s e s t h e l e a s o l l l $ o f i n a c 删f o m a i n g l i m i t p r e d i c t i o n b y t h e t l a e o l e t i c a lf l di nf o r m i n gl o wp 1 ：a s t i c i t ym a t e r i a lw i t hd o u b l es t r e t c hd e f o m j 幽a ； d e 姻燃t h e d u c t i l ef l a e t 磷m t e r i o n ( d f c ) w h i c hb a s e so nd a n l a g ：e f f e c tm e c h a n i c s a d dl h ea p p l i c a t i o mo ft h ed u c t i l ef r a c t u r e 口艄n mt h es h e e tm e t a lf o m l i n gl i m i t p r e d i c t i o n a l lt h o s ep r o v i d et b ed e r m n s t r a t i o no f a p p b , i n gt h ed f cf o r 弘找嵫t h e 菇嘲l i m i t o f t h e d o u b l e s i d e d p r e s s u r e h y 凼o f o m l i n g i n n e x t t e x t t h e p a p e rd e d u c et h es t r e s s , s w a i na n dt h i c k n e s sd i s m l a l t i o no f t h ep a r tw h i c hi s 勤l m 。db yt h ed o u b l es i d e dp r e s s u z eh y a r o f o r m i n g 酗g e t t 堍i t se t 融i v es t r e s sa n d s t r a t ad i s m b u t i o nt r yc o m b i n i n gt h eh i l ly i e l dc r i t e r i o na n dd d r u e k e rh n r d e nm a t e r i a l f l o w c r i t e r i o n a tl a s t , t h ed o u b l es i d ep r e s s u r eb y f o r m i n gp r o c e s so ft h ea p p r o x i m a t e s e m i - s p h e r ep a r t sw i t h m a t e r i a lo f l y l 勰吩目眩la n ds t l 7i sr a l m e r i c a l l ys i m u l a t e db y t h ef e ms o t h q i l l ea n s y s s j q - d y n a o 即麒嫡潞t h ee l e m e n t s f r a c t u r ea l , p r e 血i o n l 鹫o g r a mb y 璐迤o b j e c to r i e n t e dl a l 雠v i s u a l ( 薷t h ep r o g r a m w h i c hc o m b i n e st h e s 缸- m l l l t l j o r lr e s u l t sd a t aa n dd f c , g i v e st h ef o r m 堍l i m i th e i g h ta td i f f e r e r l ti n i t i a lk q u i d p r e s s u r ep ow i t hd i f f e r e n tm a t e r i a l d r a w i n gl l j el i m i t 豫趣鏊疆粼篷d i f f e r e n ti n 矗i a l a b s t r a c t p i 燃s 呲，t 时s l wt h a tt h el i m i th e i g h to f t h ef o r r n k 塔c o u l db ep m r n o t e db yi n c r e a s i n g h 蠡t i a lt h el i q u i dp r c s s u r e p o ，a r d 硼黜t h ei n i t h ll 碌避p r e s s u r c p 0a p p r o a c h e st o 毽鹭 s t r e n g t ho ft h er m t e r 醯t h ee i 龟c t 两。l j 躐i so b v i o u s t h e d o u b l es i d e dp r e s s u r e h y d r o f o r m i n gs i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ec o n i c a lb o xp a r t ss h o wt h a t 矗辩h y d r o f o r m i n g c o u l di r l 中r o v ct h ef r i c t i o nc o n d i t i o n sa n dd e c r e a s et h ed e f o r r m 国nb e v , v e e nm a r e - h 1 h y e r s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i n gt h ev i s c o i 撼p r e s s u r ef o n n i n g ( v p f ) b yc o r d r o 堍u pa n d d o w ns i d e dp r e m a , ef i e l d 纽d i f f e r e n ta r e a so f t h e 漱t h er e s u l t ss h o wt h a tv p f 啪 c o r 盘 o lt h e & l b r r m t i o n 鳓b s 氍p e f 蹴o f f l 嚣嘲毪昧et h ed e f o r m a t i o nm o r e 疆畦垂弧l a n d r e k 洽s e t h e l o c a l t h i c k n e s s 帮x 如| c 哇。珏o f 硅黔s h e e t k e y w o r d sd o u b l es i d e dp r e s s u r eh y d r o f o r m i n g ；i n i t l a l 凝懑p r 魁s u r e ；d u c t i l ef r a c t u r e c r i t e r i o n ；s h a u l a t i o n ；趣i th e i g h t i l l 燕山大学硕士学位论文原戗性声明 本人郑重声朝：筵始所提交的硕士学德论文双囱蕊压液燧张形极限 的研究及其数值模拟，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期 淘独立进行磷究工终嚣敬缮魏或慕。蕹零久艨知，论文中豫已注甥部分羚 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式注蹬。本声明的法律结果将完全幽 本人承担。 作者签字：彳系寥亳t目期：矛帮年岁月，7 鞭 燕山大学硕士学位论文使用援权书 双向加压液压胀影极艰的研究及其数值模拟系本人在燕山大学攻 读硕士学位期闻在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文酌研究成粟弱 燕山大学所有，本论文的研究内铎不得以其它单位的名义发表。本人完全 了煞蒸由大学关于操存、使建学位论文豹蕊定，同意学校傈聚笄自毒关爨 门邀交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山 大学，可以聚瘸影印、缝印或其宅复制手段保存论文，可以公舞论文懿全 部或部分内容。 缀整日，农年释察磊适翅本授权书。 本学位论文属于 不保密酬 漕秘上裂稚銎南 作者签名：拳毒0 l 岛 别磁辄夕玲 暑期：崩年岁筠， 霞 日期：p 弼年妒9 日 第1 窜绪论 1 1 号l 畜 第1 章绪论 液压成形燕指采糟液态的水、漓或粘性物质俸为佟力介质代替剐性凸 搂或醋模，绩坯料在传力蒎终溺下宠全赂台凸模或麴摸成形3 j 。她工艺不 仅可以成形复杂零仕，恧且成形后的零件糖度高、表磷质量好，加工成本 也比普通工艺低。它是一种板料柔性成形技术，早在二战时期就被提出， 假仅仅在德国航空工业有少量的应用。近年来，褫材和管材的液压成形在 欧澜和j 美疆及螽本静汽车工嬗界备受黄臻并获褥广泛戆庭溺1 4 l 。夔莽各 大汽孳公司正在使用这秘技术来取代砖绫豹生产工艺，以提裹产品品质， 减少零件的数量，减轻汽车自羹，降低成本【6 】。又因液压密封技术的不断进 步，使这项技术成为一些形状复杂、成彤性能差的材料的理想成形方法。 难因它兵膏诸多优点，近年来得到飞速的发袋。 1 2 板料液压成形技术的发展与应用 液压成形技术是近1 0 年才被广泛关注的种净成形技术，随着液压成 形技术的不断成熟，板料液压成形也取得了较大的发展，醋前袄料液匿成 形方式主要青淡下凡萃辛p l 。】：鸯鼙橡受垫滚压成形( r u b b e r - p a dh y d r o f r o m i n g ) ； 泼压摭澡( h y d r a u l i cd e e pd r a w i n g ) ：径肉加联的液压成形( h y d r a u l i cc o u n t e r p r e s s u r ef o r m i n ga s s i s t e dr a d i a lp r e s s u r e ) ；液压成对成形( h y d r o f o r m i n gi n p a i r s ) ：粘性介质液鹰成形( v i s c o u sp r e s s u r ef o r m i n g ) 。 与传统冲聪工艺褶眈，液隘成形技术具有班下特点( 6 1 ： f l 滚援痰形技术仅甓要一个凸模或麴模，另半被滚传奔震辑我罄， 减少了模具成本，一般摸具费用可节约3 0 以上。另一方聪液愿成形模具 可用便宜的材料来加工，不同厚度和不同材料的零件往往可以程同一模具 上加工： ( 2 ) 液聪成形的禺一个特点就是凌料乡，高压液压残形工艺便蠲静榜料 等浊艇攘魄少2 0 ，低压液垂成形工艺使用瓣材料与冲压相比少l o ； 燕山大学工学礤士学位论文 ( 3 ) 通过液压成形可以获得一些形状复杂的零件，丽用传统的 申厦或形 是非常困难的。前者能大量减少成形工序和焊接件的数量； ( 4 ) 液压成形特别适合于成形性能差和商强度的材料成形。如铝合金、 镁含金、钛龠金、不锈钢和高强度的低合金铜，这对减轻零件的质量是很 有帮动豹，它逐裔藉予复合材料的成形。 歪楚枣予它祷显麓熬优点，液压成形受到器国靛耋褫。蜀本、法国和 德匿较掣地舞震了工艺试验磷究裂设备舞发工捧，其中在美国、目本已遴 入实用阶段。 如图1 1 是通用公司克尔维特z 0 6 跑车的铝合金空间梁架，其主要部件 纵梁及其部分支架均为液压成形工艺制造，模具成本大约为传统工艺的 1 3 1 6 1 。 图l 一1 克尔维特z 0 6 车架 f i g 。1 1t h ea u t o m o b i l ef r a l n eo f c o w e t t e z 0 6 在美国，近凡年崮d a r p a ( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c ta g e n c y ) 发起，联合p r a t t & u h i t r e yb e i n ga l e o a 等大公司对粘性弁矮液疆进行了深入 购磅究，舞发了逡合予滚援残影的糙性分震，它具蠢良好懿密封经能与应 变速率敏感性【l0 】。图l 一2 为德国某公司威厦液压胀形工艺胀出蛇n b 台金容 器及n b c u 复合材料容器，这是内高压戚形工艺应用的典型实例1 1 1 l 。 2 第1 露绪论 ( 醇液攫胀形胀融的n b 合金容器( b ) 渡箧艨形滕出的n b c u 麓台枋辩容器 阐1 - 2 应用液攫胀形胀出的n b 台金容器及n b c u 复合材料容器 f i g ，1 - 2 f o m l i n g n ba l l o y c a v i t y a n d n b c u c l a d c a v i t y b y h y d r o f o r m i n g 在霹际泰场竟跫益激烈静态势下，菱曩黍缝塑蛙瀚王授术，鞋囊予 对产品聪新换代迅逋做出响应是先谶燃性加工技术发展的采嚣途径之一。 板料液压成形技术难怒在这一趋势下提出塑性加工新工慧。板材液压成形 技术其蠢缓磐靛豢靛，笼其是适援予澎状复杂，足寸多交，挝鲎不丈豹丈 囊媛薅零终兹叟产，双及残形夔熊整豹穗褥翡袋影。滚援威形技术嚣蔫童 要应露予汽车工救，但它有广阔酶发怒前景，磷鞋接广剃靛空靛天业，鑫 行车行业，家庭装饰业昶家电业等鄢门。 1 3 双向加愿液悉胀形的特燃及技术难度 蔽巍波篮成形建一耱掰豹渡蓬黢形方法，皴近年来投毒雩成形领域出现 鹃黏经压力成形p f ) 技术蓑是一耱授料鼗舄麓惩成夥懿方法。v p f 不餐螽 宥柔性加工性能，搿髓可实现对加工过程的实时控制以遮剿簸佳成形效暴， 适合于雾品种小批量嫩产，以及塑性麓、形状冻结性低、裘面质量难于保 证蛇材料的成形i lo 】。钟对塑性差麴搴| 料的成形，本文瘟蹋双囱加压液压胀 形方法，麴蚕1 所暴，窝在涨形薪，诖投懿嚣弼蚜究瀵：游始透力势岛戆 嵩筮液髂，然焘壤鸯毽一衡懿基力，缀辩爰一弱鹣嚣力穰减小或徐持不交， 板料靠箕辑面的聪力麓芦完成胀形。该方法与游通单面液鹾胀形的不同之 娃在予投辩秀铡鹣戆满裔垂滚露，糕懿蹩遥遭壤麓交黪躐耱羚农痘力，液 善变形区的应力状态，提高塑性，继1 酊提高成形极限。同时由于增加了藤 波力的域分，降低残余盛力，姨聪躐小零件黩隧弹量，掇赫了形状凉结性， 燕由大学工学硕圭擎位论文 继纛提燕了零释静精度。 强l - 3 双良嬲压波压张形苓慈圈 f i g 1 - 3s k e t c ho f d o u b l es i d e dp r e s s u r eh y d r o f r o m i n g 与单侧液压胀形相比，双向加压液压胀形具有如下特点： ( 1 ) 嚣隽开始残形蔫板瓣秀铡充膏藩压液体，板辩嚣餐存在蛰正反疆力 场，能改善变形区的应力状态，应力状态由原来的板面内两向拉伸，改善 为面内拉伸、厚向压缩，提高了变形区的静水压力，顿料的塑性得以提高， 铁甏能提态藏形投戳； ( 2 ) 双向加服液压胀形由于液体介质同时注入到板料的两侧，这样反向 压力的存在可以减少微裂纹的产生；同时由于没有板料与刚性模具间的摩 擦，麓土双蠢罴力蠡鼋毽素，因魏板爱黉垂冬努瘦力可越降低，这对复合扳静 成形是有利的； ( 3 ) i 作环境好，零件破裂时，液体介质因密封而不会飞溅。 双淘麴歪液压强形懿技术难度：因秀蓬双两液压涨形，有霹尊为了篪好 霉 絷l 章绪论 的提高静水压力，掇高成形极限，模具型腔内的初始液体聪力必须很大， 液体的压力过高导致高压密封问题成为双向液压胀形的关键问题之一；还 有为了爨好戆到矮双囊渡压威形，必须开发出遥台于该戒澎方法豹渡镕分 质。 1 4 龛属塑性成形的研究方法 金耩塑往残形i 璧缝是个复杂瓣弹塑性遥程，这对甄畜耱瓣j 线毽，又 有几何a 线性，再加上复杂的边界接触非线性，这些因素使得变形机理q 常复杂，难以用准确的数学关系描述。材料的特性、变形速度、温度、麟 擦条黪，坯籽戆形软尺寸、摸具形状等因素对戏形都寿一怒瓣影嚷，金瓣 塑性成形过程的主骤任务是结合众属材料的特设，分析和研究塑性成形过 程中的废力、应变分布情况以及不同的因素对成形过程的影响，从而为解 决塑性糖工中出现的备种实际阉磁，确定最佳工艺参数，以便实现成形过 程，为获褥优质产菇鼹供依据。副鹜蓠为止，金属塑性戒形遥程的磷究方 法主要谢主应力法，滑移线法，上限法，边界元法和有限元法等。 主威力法、滑移线法、上限法是早期对金属塑性成形研究的主要方法， 是基予黧魏理论豹麟辑方法，俊杰是藐够壹羧绘窭各秘影鹅毅素在金嚣戆 性成形过程中的相飘关系，便予进一步进行成形极限分析和工艺参数的优 化，有利于从全局搬握成形过程。但由于数学求解和运算上的困难，这魑 方法只娩慰某些特殊的乎面阉题鞠毒l 囊对称闯题绘出比较精确的解，面对 般酶三缀问题，这黧方法缀难给獭精确解。边赛元法在塑饿成形过程中瓣 应用目前只限于对温度场的计算和模具的强度分析。 随麓金属塑性成形技术的发展，人们对其程成形过程中的变形规律 交形力攀分辑越寒越蘩褪，毒袋元法终麦一耱鸯效豹数毽方法被广泛瘟鲻 于金属成形过程的数值模拟方面。有限元法程上个世纪七十年代兴起，八 十年代获得很大的谶展，是目前威用最为广泛和成熟的金属塑性成形分析 方法，现在菠羞诗舞枧和数值分掇方法的迸震，有限元方浚褥到了翦疑来 有的发臌。有限元方法可以在计算杌模拟分桥浆性加工时从坯辩到制件成 形的过程，可以求出成力场、应黛场、变形所需的载荷和能量；可以给出 燕山大学工学殛士学位论文 成形过程中坯料的几何形状、尺寸、性能的改变，预测缺陷的产生和分析 戒形的质量等【1 2 1 懿。 该方法的优点是功能强、精发赢、鼹决问题的范围广，可以用不同形 状不同大小和不同的单元类跫来描述任意形状的变形体，适合各种边界条 搏巍耪瓣模型；霹戳方便蛉处理务秘摩擦，考惑毒| 料性能等各耱工艺参数 对成形过程的影响，可以获得成型过程中任意时刻的力学信息和金属流动 耩况螽藏交场、应力场等。势可班在计算梳主蜜现成形过毯，反簧演示、 计算和优化，这是其它方法所无法比拟的。 对予板料成形有限元数值模拟软件暾用于实际生产主要表现程以下方 嚣f 6 1 ： ( 1 ) 破裂、起皱的预测与防止，利用有限元数值模拟可以得到板材变形 避程中鹣交形分毒，：l 蓬遘毯拄援榜厚度减薄率菠弓| 天皴裂剿据，胃黻矮溺 破裂产生的危险位置和影响变形的因素，并在正艺上采取相应的措施加以 颈防； ( 2 ) 回弹预测与补偿； ( 3 ) z 艺参数优化和力能参数计算； ( 4 ) 模具磨损分辑。 在板料有限元模拟方面，今后主要研究方向集中在以下几个方面： f 1 ) 优纯接蠢蠡算法，进一步疆蔫运算静速凄； ( 2 ) 建立更理想的破裂和起皱的判据，提高模拟的预报精度和可靠性； ( 3 ) 剖建快速预铡罨坯形状的软件包，在目前常用的隐式和显式算法之 外，寻求新的计算方法，以勰决回弹的分橱糖度和有效补偿阏题。 1 5 双向加压液压胀彩成形极限的预测 板料成形过程中，起皱和断裂是主要的成形障碍，板料双向加压液压 蒎澎对，变形激在扳蕊肉受蔽拉威力佟掰，厚淘承受难应力作用，掰班成 形过程中不会出现起皱现象，因而双向加压液压胀形的成形障碍魑断裂。 断裂刘说明零件传力隧不魅负担成形力，局部材料已经达到变形极限，所 以本文中的成形极限是指对凝裂极限恧豢。断裂现象烹要出现在以控为圭 6 第1 章绪论 的变形方式中，液压胀彤过程中，变形体砸内承受双向拉应力作用，板料 因在变形过程中过度变薄而出现断裂。 滚基胀形成形极隈靛预禳l 裁楚撸预嚣涨影过程串簿跨发玺断袭。夔港 有限元技术的发展和计算机性能的不断提高，一些商用有限元应用软件系 统飘经逐渐成为冲压成形研究的精力工具。扳料成形过程的鸯限元模拟在 冲聪成形方丽其有明显的优势，在缩短产晶设计、穰具设计和调试周期， 降低产品的成本方面发挥着至关麓要的作用。如何迅速，准确地预测整个 叛瓣成影过载出瑗夔套耱起皱、獗裂| 奠及不会理静黧撵等获黧并确定一些 重黧的工艺参数，已经成为板料成形发展的重要瓶颈问题f 制1 。 为了利用数值模拟技术预测液压胀形过程中的断裂现象，通常在原有 屈暇运数和糯关流动法剿的基磷上计算每一步的应力应交场，并写l 入遥警 的断裂准则进行断裂的判据来预测板料胀形极限。本文就是把板料双向液 压菰形有限元数篷摸拟秘奏效戆瑟裂准则缀合起来预测获形懿较辍裹瘦。 利用数假模拟技术准确的预测板料成形过程中的断裂，目前主要的方 法商： 一类方法是基予戮袈损伤力学静连续髓方程和零梅关系，主要采瑙与 静水压力相燕的r u d n i c k r o c e 理论以及g u r s o n 的空洞理论，这种方法尚在 理论探索蹬段f 2 l 】； 另一类方法比较简单，通常楚在原有聪服函数和相关流动法则的基础 上计算每一步的应力、应变场，并引入适幽的断裂准则来判断断裂。当莱 一攀元貔菜辩嬲豹应力斑交关系满是薮裘漆瓣辩，辩可谈为该鼙元薮襞凌 此刻发生，这种方法的关键是提出准确的断裂准则。 目藏，关于判断擞毅准则的方法很多，知成形极限图( f l d ) ，成形极限 应力图( f l s d ) ，最大交薄率，应变率突变准则，厚度梯度准则默及韧慌断 裂猴贝t j ( d u c t i l ef r a c t u r ec r i t e r i o n ，d f c ) 等等【2 ”。当前，在板料成形有限元模 掇授零孛，藏蠲f l d 楚矮嚣薮裂发生戆圭簧方法2 2 制l 。 实际应用中的大多数理论成形极限曲线是建立程拉伸不稳定理论和分 叉理论基础上的，就是说，以局部缩颈来判断成形极限。但研究表明，谯 等双拉应交鼹径附近的塑性赣裂，它是在掰部缩颈浅瑗之蓠空滴己经形成 燕山大学工学硕士学位论文 的结果1 2 7 。 此外对于塑性低的板料，如铝、镁合金等断裂时并没有出现明显缩颈 逑象，所以用f l d 预测成形极戳对这些材料是不准确豹。随着损伤力学的 不断完善，一些研究者开始用损伤的思想和方法来研究袅属板料的失稳茅n 断袈过程，并计算成形极限曲线。通过研究发现，大多数金属多材料酌失 稳和断裂与金属内部空洞在大塑性变形祭件下形核，长大及聚集连接过程 有关 2 8 1 。l e m a i t r e 在1 9 8 6 年缓热力学为基础提出各商同往的三缭鎏经攒伤 模型并将其应用j 煦深工艺的成形极限分析，开仓4 了向损伤力学方面的发展， 楚立了移往断袭壤羹| j 1 2 9 1 。 韧性断裂准则是建或在损伤力学思想的基础上的，这些断裂削据大致 势为两类： ( 1 ) 基于宏观半经验半理论基础上的； 往) 建立在徽鼹基疆上熬，秘鲡由于哭杂褥、第二禚粒子等弓| 起豹空漏 形核、长大和聚含的微观模型【3 0 】。 霜韵经断裂猴羽预测凝裂在体积残影中寿缀多，蛰镦穰，挤疆p 1 , 3 2 1 落 等。与f l d 相比，用韧性断裂预测板料成形极限的优点在于：不但可以实 蠛准臻强溅塑性蓑懿援辩瓣残形极薤，瑟艇还霹爨考虑瘦变路径黪交囊二。 通常韧性断裂的破坏机制大致有以下几个过程【3 2 】： 1 ) 奁癍变小瓣，材瓣夹杂懿( 燕二提羧子) 往绽耋奏嚣疆，或冬集薅袋离 形成空洞； 拉按：溺在应力薅焉下扩展，长大； ( 3 ) 在变形过稷后期，沿中等粒子界面形核： 鳓在姻邻空溪之闻懿是部剪甥带中，成核戆缨微空溺迅速长大； ( 5 ) 剪切带中的细微空洞片状汇合成宏观裂纹； ( 6 ) 宏溉裂纹爽稳扩展。 目前，应用于塑性加工领域内的韧性断裂准则大多数以材料的断裂与 空洞的形核、长大、聚合枣关这假设为背景建立数，本文预测双囱热廉 液压胀形所用的断裂准则就是基于损伤理论的韧性断裂准则。 s 第1 牵绪论 l 。6 本课题选题的意义及主要内容 胀形是利用模矮或液体介质强追板謇串厚度减薄和表面积增大的舔力船 工方法，鬻震来刳造封头、汽车覆蒺转翻具蛙管咎等。涨形豹方法彀捶剐 性模胀形，橡皮胀形和液压胀形，麒中液压胀形近年来发展迅速，在一些 发达国家如美国、德国和日本已达到实丽亿的程度。而鼠随着豳际汽车对 薄缀零佟集成凄要求越来越褰帮在节裁熬大背景下，一些重量轻，强度裹 丽塑性蒺的材料在汽车中的应用越来越多，所以液聪胀形工艺以及被冲压 界广泛麓视，并投以大量的入力，物力谶行研究。闲此针对这些材料的成 形，磅究耨静滚压成形工艺具骞重要意义。 本课题进行研究的是：针对一嫂塑性差、材料成形极限低这一问题， 应用双向加联液压胀形方法，即在胀形时，让板料两侧均充满初始压力为风 豹离压液俸，然蘑增鸯拜一铡豹蓬力，扳科另一测戆丞力秽壤，l 、或保持苓交， 板料靠其两面的压力差p 完成胀形，故称双向加压液压胀形。应力球张量 部分反映了质点三向均等受压或受挝的强度，当平均应力盯。正值越大时， 麓搴辜受备淘等拉俸羯强；反之，当秽。受壤越大辩，秸瓣各自等援搀搦越强 ( 即静水压力越大) ，双向液压胀形因改善了变形区的应力状态，增加了变形 区的静水压力，提高了板料的塑性，从而提高了板料的成形极限。而且双 离液压涨形辩，蠹予液体介质的俸婿，降低了板辩与嚣| j 缓模其瓣摩擦，教 料层闻的剪切应力有较大的降低，这对成形复合材料是有刹的。 据此确定本课题的研究内容主要如下： ( 1 ) 研究分析基于损伤理论的翻往断甏准确，确定适合板辩黢自滚篷袋 形报艰颧测的断裂准则； ( 2 ) 运用耀性理论分析圆檄料双向液压胀形过程及胀形过程板料的流动 情况，并给国函板取向液压服形过耩的力学解析解： ( 3 ) 运用蠢限元方法模拟圜扳对于不嗣材料，不网初始难力热下双向液 臌胀形过程，并应用韧性断裂准则预测胀形的极限，比较圆板双向液压胀 形与单向液聪胀形在成形极限上的馘剐，分桥戳向液压强形对交形的影响； 9 燕垂大学工学硕士攀位论文 褥辩盒形伴双蠢液蓬凝形进行数餐模羧，分析双囱滚疆骓形对菲辘对 称件成形极限的影响； ( 5 ) 通过在板料不同区域的正反面施加不同的压力，来实现板料粘性压 力涨形熬模羧，分撰渡残澎方法对扳辩厚浚分套懿影响。 i o 第2 章基于损伤力学的韧性断裂准则 第2 章基于损伤力学的韧性断裂准则 2 。l引富 断裂准则是断裂力学里的基本问题，但在经典的塑性理论的本构方程 研究中未涉及这一问题，丽在含损伤交量的本构方程中蹩穰容荔将交形、 损伤和断裂结合焱一起考虑的。在材料的细观力学研究中，材料被看作由 基体、第二相、爽杂和空穴结台而成的物质。在变形过程中由于空穴的存 在、不断生长霸长大，糖料内部局部变形翻应力懿婪均匀姥越来越强烈， 而且这种变化为下一代空穴在与基体结合得更牢靠的粒子处形核提供了条 律：最后，当空穴绕超强佬俸糟静蒙二稿鞍子形绞辩，基体逐速软纯馊褥 空穴成片聚合，造成材料单元的断裂m 】。 以上就是基予损伤力学材料断裂的物联过程。对于税料成形而言，断 裂是其残形的主要障碍之一，如艇准确的预测成形过程中的断裂是扳料成 形研究的主要内容之一。随着些商用有限元应用软件系统逐渐成为模具 碜 变及藏形霞稼戆强套力工具，尤英楚在汽车大型覆羞 譬中毒骥显豹撬势， 在缩短模具设计与调试周期，加快车型更新换代方面都发挥着至关重要的 作用，霹前在国内舞弱掰有限元数餐模投技术预溺板辩簸形j 妻程中静断裂 的发生，通常是谯原有瞒服豳数和捐关流动法则蚋基础上，通过有限元模 拟计算每步的腹力、应变场，并引入适当的断裂准则进行判断。所以引 入躞确可靠款或形极限剡据是叛秘威彤数馕摸拟中震要艇决的嗣题之一。 板料胀形可以认为是板材成形工艺的典型例子，它的均匀变形终止于塑性 失稳的发雯f 镶翔麓部交薄、破裂等) 。在众多羲测戏形极限豹方法串+ 藏形 极限图是成用比较普遍的一种方法。板料的基本变形方式，不外“收”与 “放”两种类型，而成形极限是板料鏊往变形不能稳定进行的结采。成形 极限曲线魇涵盖的变形方式只限于以拉为主“放”的区域，即从单向 拉伸到双向等拉的范围。建立成形极限曲线数学模型的理论是以板料变形 瓣控传失稳为基旗兹；裁辑懿藏形极疆，应该是漆接形戏骧阗( 集中颈缡开 始) 的应变值，包括稳定和不稳定( 或旺稳定) 的塑性变形嶷两部分p ”。如图 燕出大学工学硕士学位论文 2 - 1 所示( 其中声= 6 z = 口s 形。) ，即线性应变路径( 比例加载) 阶段一o g 除段 。i。l 的应变量与应变路径漂移阶段( 这种漂移反映了废力状态的变化) 口i 阶段的 应变量。第一阶段自扳料塑雠变形开始，歪载荷失稳( 6 酗= 0 ，分散性失稳) 止。 在此阶段，载荷稳定上升( 碣归0 ) ，应变路径保持线性( 廖- = c o l l s t ，dp = o ) ， 这一阶段的应交可用简单加载下的应力应变关系求得。在所有a 点有： 毛= 挥，岛= 多瓣。第二阶段自载髓失稳( 碡一0 ，分数搜失稳) 舞始至集中失 稳发生时( d e ：= 0 ) 为止，在此阶段载荷在最高水平保持相对稳定，而板料 戆变形刘失去稳定处予一耱黢稳定状态，皮交菝态逐溪变纯，蠢筘 0 ，参氆 逐渐变为p = 0 。这一阶段的变形量可用数值积分的方法求得。而板料所能 这翻的极限交形餐邵为北二阶段交形量之和。连接所有的b 点，即w 建立 板料的成形极眼曲线f l c 。然面集中性失稳产生鳃条移是：投面建必须存 在一条零应变线( d 乞= 0 ) ，程这种条件下，板料的厚度减薄率( 软化因素) 烩好霹由投辩豹强伍率来蛰馁，沟耩乃褥淡产生、发震。 慕即 一定 支、a &。1 7。夕 擞堂拭 1 磐撕_ o ) ，巍变瓒羹葵尔瓣位予 第2 章基于损伤力学的韧性断裂准则 坐标原点的右侧，不存在零应变线。由以上描述可知，大多数的理论f l d 是建立在拉 审不稳定或分叉理论的基础上，就是说，以局部缡颈来判断成 形极限，餐磷究表骧，在等双授琏变路径附近的望靛断裂，它是由于程简 部缩颈出现之前空洞已经形成的结果。此外，对于勰性低的掇料，如铝合 金、镁舍金等，叛裂发燕游势没有明显绩黩现象1 3 3 j ，赝瓯黾f l 掺颈测或形 极限对这些材料是不猴确的。 图2 - 2 应变增量巢尔圆 f i g 。2 - 2m o h r sc i r c l eo f s t r a i n 金属板料发生大变形时通常会发生韧性断裂，为了寻找种能在更大 范围蠹预测投料成形极嫩的方法，鉴于在体积成形领域广泛使用基于损伤 思戆的韧往断裂准刚，人们也将韧性断裂准剐的概念弓 入至4 了叛辩成形领 域【2 7 】。常用的韧性断裂准则是根据板料变形过程中成力、应变及塑性变形 憝懿交毒乏来预 鬓l 鬏性敷裂蓑发生。露扳秘燕交形过程孛应力、瘟变豹分毒 和变形历史都可以通过有限元计算得到，因此可以把韧性断裂准则与有限 元模拟结合起来预测板料的成形极限。基于各种不同的假定，学者们提出 了缀多种不闭的朝往断裂准蚕| l 。良下是一蹙常觅蕊一些留毪鞭爱准刘。 m c c l i n t o c k 在损伤力学假设的基础上导出了如下形式的公式口6 j e = f l 赤幽 掣学 + 孚| 嚣t ， 燕山大学工学硕士学位论文 式中c m 材料特征常数 瓴、疗，分瓣为最大藕最小主纛力 孑、f 分别必等效应力霹等效盔交 曩断裂时的等效应变 押材料的硬化指数 c o c k c r o f t 3 7 等人考虑了拉伸最大主应力在直到断裂时整个塑性应变路 径范墨漆的作瘸，提鸯魏下公式 c = p ( 声 ( 2 2 ) s 。i 。h 辫密，该熬粼与m c c l i n t o c k 礁粼蹩等弱静，没有考虑要静求应 力对断裂产生的佟用i 3 舯。b r o z z o 经验地修改了这个准则，镬式( 2 2 ) 含蠢爨 水应力项嗍，修改为 凸f 耔 ( 2 _ 3 ) 式中仃，静水应力 g h o s h 等提出基于空洞剪切连接的统计理论公式m 1 c = o + a ) 仃。2 ( 2 - 4 ) 式牵a 应力毙 n o r i s 采用有限差分法对拉 枣实骏结豢分掇褥出如下公式【4 1 1 c _ f 东方f ( 2 - 5 ) 式母8 螃糕常数 a t h i n s 修改了这个判据，考虑应变比f ：罢皇的影响，褥墩如下公式1 4 2 】 c = f 搏 ( 2 - 6 ) 丈矢辗( m o y a n e ) 在饼究耪宋体望往力学对撬出如下公式潜j c = f ( t 1 詈声 将o y a n e 提出的韧性断裂猴猁茸刚塑性有限元法结合起来预测板料的 i 4 燕2 章萋予撰傍力学的韧性鞭袈准剿 成形极限，通过有限元模拟计算每个单元的应力、应变历史，依靠韧性断裂准 则判断破裂开始出现的位置和关键的行程，其预测结果与实验结果符合的 | 曩好。 在豳内，这方丽的研究者主要有：郑长卿等入通过对材辩的细观力学 研究，猩大量实验的艇础上提出如下公式州。 = e p e x p | 1 5 冬l ( 2 8 ) o 式中f o l 隘界窝洞扩张比 吴诗悼等人针对l e m a i t r e 损伤准则不能反映应力三轴度( d 石) 为负缎 豹溥援，叛塑性势为熬疆鬟赛了大麓牲交形条传下豹絮蠖瑟筏准刘洋l 。 耻b 引p ( 2 - 9 ) 式中d - 损伤交嫩 b 稀释鬻数 p 积累塑性应变 实际应用表明：对于板材成形，c o e k c r o f l l a t h a m 准则和o y a n e 准则受 到努浮。觚上述可番裹，大多数翻性薮裂准慰蹩与鋈蛙变形辩戆应力、痰 变、稻麓材料常数有关的函数。一般体现了静水应力或应力三轴度对韧性 断裂的影响。这是因为空洞在应力场下的形核、长大和聚合过程中静水臌 力起羞支配作用，从褥决定着韧性断裂鲍发生。上述准则中，一个共网的 特点赣蹙等效塑往应炎和塑性交形过程中产生豹空漏体积分数( 徽损伤交爨， 之间的必系是恒定的。 2 。2 基子损伤理论的力学概述 2 2 1 损伤理论力学的分类 材料发生韧性断裂之前，内部组织结构的劣化可使其塑性指标降低， 稔之为瓣艇熬损褒过獠。对于材精缓痿兹捶述磷戳逶过雩| 遴凌征耪辩蠹藩 损伤的内状态变量 。( a = 1 , 2 ，) 纳入连续介质热力学和连续介质力学 的理论椴架中，确切地定义能反映内部微观缺陷的损伤变量 。，并给出相 熬山大学工学硪士学位论文 虚的演化规律是损伤力学所要研究的盎要内容。损伤力学目前磁处于发展 蹬段，尚表形成严谨的联论体系，它鲍疆究方法袁如下几魏 4 5 l ： ( 1 ) 连绥介质损伤力学由于材料内部徽缺陷的尺度远小于遂续介质力 学中物质微元的尺度，故在统计平均濑义下，可以通过唯象地引入表征材 料内部微缺陷的损伤内变爨来对材料的损伤进行描述。在这种搬述中，损 伤痰交量是一拿在空闯上连续努毒豹，嚣又醚薅阗连续交纯戆殇交量。这 种方法回避丁材料内部复杂的细观结构对宏观性能影响的具体细节，所以 在许多讨论中，损伤内变擅并无十分确切的物理意义，且需要通过较多实 验方妻l 确定损侥内变量弱演晓过程。 ( 2 ) 细观损伤力学材料内部微缺陷的变化规律可以通过对体胞单元所 作的细观分析得到进一步的描述。因此得到的损伤内变量将有照为清晰的 物理内涵。对应子宏观物质单元的物联量，常取体腮中对应的绷观物理量 瞧菜释平稳，在经过缀淡分褥螽，稀料肉部静蒺傍耨毪霹在由宏溪物震单 元的物理量所表示的本构关系中得到精确的反映。 ( 3 ) 微损伤的统计描述从统计角度来看，宏观物质单元内部所在的大 熏徽缺隆戆大小秘形状怒不露豹，其敬岛窝空阉袋爨瞧其畜一定懿分蛮。 因此材料的损伤状态应根壤内部微缺陷的统计分布规律及其演化来描述。 在塑性工程中，有关材料的损伤研究已有较长的时间，国内西北工业 大学的郑长卿教授在这方孺研究较多。研究人员觚誊砉辩的缨戏缀拇出发， 研究空满缺麓的长大的梳稍，熬君分麓采用宏蕊逡续介质力学帮细蕊力学 得出材料在变形时的损伤演变规律。采用连续介质力学观点得出的有 l c m a i t r c 损伤理论口吼，瑟粱损伤演变方程湖。采嗣细观力学观点得出的结 论毒 m c c t i n t o e k 方程渊，g u r s o n 奉褥方程邵】，鬈长薅夔壅熬方程等。在 上述各类韧性断裂准则的蔗础上，结食各种数值计算结果来对成形过程韧 性断裂加以研究。 磷究裁瞧凝裂对手委确缝裁定塑魏成形工艺鬟藏舂羞重要瓣意义，嚣 为在成形的j 篷程中不允许产生断裂，黼韧性损伤理论则是研究韧性断裂的 理论基础和黧臻依据。韧性损伤理论的发展和完善已经成为塑性成形理论 中前沿研究领域之一。 1 6 第2 章基予损伤力学的韧性断裂雄贝j 2 2 2 l e m a i t r e 损伤力学理论 采用连续介质力学方法，根据材料损伤的微观现象及其宏观表现，采 用睢象，选择适当的可厢力学方法作为损伤变量，并将它弓l 入有连续介质 力学确定的体系中，来描述和研究材料的损伤行为和规律，就形成了谶续 奔鬟损褒力学。 人们往弦根据不同的研究对象，给出了不同形式的损伤变量的意义， 作必基准的擞，从微戏上有：空隙的数羼、长度、灏积和体积；空隙的形 状、排歹i 和融驭向所决定的有效谣积。觚宏观上有：弹性穰爨、屈服强度、 拉伸强度、娥伸率、密度、电阻、超声波速、声发射。第一类基准量不能 塞绥与宏鼹爨建立本秘关系，黪绫霜它定义损痿交爨辩，霉簧对它 薮壅 定范围内的统计处理。对于第二类基准量，一般采用对所研究的损伤过程 比较敏感，甥于探测的基准量作为损伤变艟。对予研究塑性变形过程巾的 损伤，戳损伤的有效霹积定义损伤和鞋弹性模量定