● 摘要
随着新材料的开发、新技术的发展和新工艺的应用，对板料塑性变形行为与成形极限更为精确的描述提出了新的要求。建立实现大变形且能方便实现不同加载路径的实验方法，研究板料后继屈服行为，扩展到极限状态下，研究基于应力的成形极限，建立方便可靠的板料成形破裂判据，有着重要的理论意义和实用价值。本文采用实验技术、理论分析和有限元模拟相结合，对铝合金板料的后继屈服轨迹和基于应力的成形极限进行了系统深入的研究。对三种不同中心区减薄形式的十字形试件，采用有限元模拟结合数学解析方法进行了比较分析，结果表明，中心区方形减薄的臂上开缝型十字形试件优于十字槽形和组合式减薄的试件，是适用的基本试件形式。采用正交设计方法，优化设计了十字形试件尺寸。分析了试件的制备方法，通过性能测试得出，减薄对于材料性能的影响主要体现在变形能力上，采用化铣制备了实验十字形试件。验证了采用臂上载荷除以中心区横截面面积的方法可以准确地计算试件中心区应力。对5754-M铝合金板料进行了十字形双向拉伸试验，得到了等效塑性应变超过0.08的变形量，建立了不同加载路径下的双向拉伸实验应力应变关系曲线，并得出，无论是在轧制方向上，还是在垂直于轧制方向上，随着加载比例从单向拉伸状态到等双拉状态，铝合金板料应力应变曲线呈现出逐渐升高的变化趋势。基于单位体积塑性功相等，得到了不同硬化阶段实验屈服数据，建立了等效塑性应变为0.002～0.08的屈服轨迹。屈服轨迹形状相似，大小不同，随变形程度的增加向外扩张，但随变形程度的增加，向外扩张的程度逐渐减弱；以等双拉线为界，由于各向异性，屈服轨迹上下两部分不对称。将常用屈服准则的理论屈服轨迹与实验数据进行了比较，对于铝合金板料，Hill’90和Barlat’89屈服准则理论后继屈服轨迹与实验结果最为接近，描述铝合金板料的后继屈服行为更为准确，Mises屈服准则与实验结果误差最大，并且Hill’90理论后继屈服轨迹与实验结果的接近程度总体上优于Barlat’89屈服准则，以等双拉线为界，在上半区Barlat’89吻合较好，而在下半区Hill’90吻合较好。基于失稳点应力与应变路径无关，在建立不同加载路径条件下双向拉伸应力应变关系表达式的基础上，基于不同失稳准则，提出了一种采用材料基本性能参数建立成形极限应力图的简便方法。应用不同屈服准则，建立了不同加载路径下的双向拉伸应力应变关系并给出了相应的表达式；在双拉应力应变关系的基础上，基于三种失稳准则，采用Hollomon幂硬化本构方程，给出了理论FLSD计算公式。建立了三种铝合金板料的成形极限应力图。与由FLD转换建立FLSD的方法进行了对比，两种方法得到的结果几乎相同，从而证明了本文方法的正确性，应用本文提出的简便方法所建立成形极限应力图可以作为应力空间的破裂判据。建立了线性路径和由“拉-压”预应变、“拉-拉”预应变与线性路径复合组成的复杂应变路径下5754-M铝合金板料的成形极限图，在实验上验证了成形极限图的应变路径依赖性。构建了成形极限试验的有限元模型，在有限元模拟中实现了复杂应变路径，并建立了线性路径和复杂应变路径下的模拟成形极限图，得到了不同应变路径下的模拟成形极限数据。建立了复杂应变路径下的成形极限应力图，得出，不同应变路径下的成形极限应力曲线处于同一高度水平，受应变路径的影响可忽略，验证了成形极限应力图不受应变路径影响的特性，并与理论推导的结果吻合较好。分析了不同失稳准则和屈服准则对成形极限应力图的影响。失稳准则对理论成形极限应力图的形状和位置高低均有较大影响。采用同一失稳准则时，不同屈服准则下成形极限应力图呈现相近的变化趋势，但不同屈服准则对于FLSC的高低影响较大，且FLSC的高低变化趋势与各向异性屈服轨迹基本接近。分析了板料性能参数与表面状况对成形极限应力图的影响。对于不同的失稳准则，硬化指数对成形极限应力图的影响不同，同时，n值对FLSD的影响比基于应变的FLD小得多。分析了不同方向板料性能对FLSD的影响，以某一角度的性能参数得到的成形极限应力图并不准确，一种方法是以空间曲面来表达成形极限。FLSD受初始厚度不均度值影响严重，FLSC随f0的增大即材质的提高而升高。