● 摘要
成形极限是板料塑性加工领域的重要问题，长期为人们所关注，已有几十年的研究历史，取得了大量的理论和实验研究成果。但是由于问题的复杂性，至今仍存在许多未解之处和不足之处，影响其实际推广应用。因此，成形极限问题一直是学术界关注的重点。本文针对当前板材成形极限理论和判据（FLD）在实际应用中存在的问题，采用实验观察、解析分析与有限元模拟相结合的方法，建立FLD的小样本快速测定法；从考虑加载路径、塑性变形能、各向异性屈服准则等途径改进现有的成形极限理论模型；发展基于最大厚度变薄率的成形极限预测准则；实现成形极限图的数值模拟预测，减少成形极限曲线的实验工作量。针对实验获得板材成形极限曲线存在的问题，本文将百分回归分析理论应用到成形极限实验数据点的曲线拟合方法中，对成形极限曲线的百分位值进行分析和预测。考虑了实验的可靠度和置信度，实现根据实际需要调节曲线上、下限的位置，同时为给定成形极限图临界区域的上、下限提供理论依据。在应用百分回归分析理论的基础上进一步应用小样本方法，综合利用当前实验数据和以往经验数据，实现在保证精度的前提下，用最少的试件确定出材料的成形极限图的临界区域，从而减少工作量，降低成本。对HS钢、IF钢和6111-T4铝合金三种板材在接近平面应变路径下的数值模拟结果与实验获得的网格应变进行比较，分析了Hill48、Hill90和Barlat89三种各向异性屈服准则对模拟获得的单元应变路径的影响,结果表明Barlat89屈服准则可以较好的描述单元的应变路径。从控制塑性变形能的角度，基于总塑性功的积分形式，建立了板料的成形极限预测准则。该准则考虑了应变路径变化、材料的硬化指数和各向异性系数及材料的初始厚度等对成形极限的影响。准则中的常数可由常用的单向拉伸极限应变实验确定。与Hill准则和M-K模型相比，该准则可以预测板料在各种不同应变路径下的成形极限，适用于成形极限图的拉-压和拉-拉应变区，及非线性应变情况。通过数值模拟可用于建立完整的成形极限曲线，大大减少实验工作量。实验验证表明，该准则对于钢板和铝合金板的成形极限可以做出较为准确的预测。进行了厚度为0.80mm的 ST14钢板的双线性应变路径加载实验，所实现的应变路径包括：预应变为单向拉伸、平面应变和双向等拉，然后再分别进行不同的变形（单向拉伸、平面应变和双向等拉）至破裂。得到的结果证实了关于预应变对成形极限影响的已有结论：单拉预应变显著提高正应变比区的成形极限，而对负应变比区的成形极限影响不大；平面应变预应变使负应变比区和正应变比区的成形极限都略有提高；而等双拉预应变明显降低正应变比区的成形极限，对负应变比区的成形极限有所提高。将本文基于塑性变形能建立的极限应变预测准则推广应用到双线性应变路径极限应变的预测，与应用成形极限应力曲线作为判据得到的极限应变点进行对比，两者符合程度较好，实现了对双线性应变路径下极限应变的有效估计。 进一步将该准则用于汽车内部某实际零件成形过程数值模拟的破裂预测。对零件发生破裂时的凸模行程以及破裂发生位置的预测结果都与实际零件的成形非常吻合。表明该准则可以对形状较为复杂的零件进行准确的破裂预测，适用范围较广。基于最大厚度变薄率建立了板料成形数值模拟分析中的成形极限预测准则。该准则考虑了应变路径和材料的硬化指数对成形极限的影响，建立了从单向拉伸到双向等拉范围内不同线性应变路径下板料达到极限应变时的最大厚度变薄率与应变路径的关系，从而将最大厚度变薄率准则推广应用于各种应变状态。准则中设定的最大厚度变薄率可由常用的单向拉伸极限应变实验结合数值模拟确定，由此通过数值模拟可以预测板料在各种不同线性应变路径下的成形极限，进而建立拉-压和拉-拉应变区的完整的成形极限曲线。采用该准则对HS钢等六种材料成形极限实验过程的数值模拟进行极限应变的预测，取得了和实验数据较为一致的结果。与基于塑性变形能建立的成形极限预测准则相比，如果均采用单向拉伸实验确定准则中的参数，改进后的最大厚度变薄率准则对线性应变路径下成形极限的预测结果与实验曲线更为贴近。