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原文传递复杂加载下成形极限的理论预测研究

论文题名：	复杂加载下成形极限的理论预测研究
关键词：	复杂载荷;成形极限;应变路径;弯曲效应;各向异性;汽车轻量化;铝合金板
摘要：	汽车轻量化是目前全球车企在解决能源危机和环境污染两大问题上面临的机遇和挑战。特别是车身制造中高强钢和铝合金等轻量化材料的使用对传统制造业提出了更高的要求，一方面这些材料较差的成形能力使得成形窗口变窄，需要更精确的成形性能预测评估方法，另一方面车身零件的制造过程需要板材在复杂的加载条件下加工成形，考虑到这些材料区别于普通材料的复杂应力应变关系，这对成形性能的预测提出了很高的要求。　　本文以复杂加载条件下板料的颈缩为主要研究对象，围绕轻量化材料在车身制造应用中的三个问题，即板料颈缩失效的各向异性相关性，加载路径相关性和弯曲效应相关性展开分析和研究，在板料成形极限的预测评估中引入了复杂载荷效应，建立了材料各向异性，非线性应变路径和不同拉弯条件下的颈缩预测模型，揭示了复杂载荷下成形极限变化的物理机理。利用理论解析、有限元和实验验证相结合的方法，探索了轻量化材料在复杂加载工艺下颈缩失效的规律，提出了应用于复杂载荷下实际零件的成形极限预测方法。　　本文的主要研究内容包括以下几个方面: 　　(1)考虑板料不同各向异性特征的成形极限预测方法　　针对铝合金板料存在显著各向异性的特点，基于全量理论和线性路径的假设，在经典“分叉”模型的基础上引入了材料的各向异性描述，提出了线性加载下能考虑材料各向异性影响的成形极限预测模型，分析了厚向异性和面内各向异性对材料颈缩的影响规律。根据板料颈缩角度和极限应变的计算结果，分析了材料各向异性特性对屈服面形状的影响，进而揭示了材料各向异性特性通过影响材料塑性流动方向从而改变成形极限的影响机理。　　(2)基于不同硬化准则的非线性应变路径下成形极限预测模型　　针对成形极限的应变路径相关性问题，从高强钢和铝合金这两种轻量化金属材料出发，构建了等向强化和随动强化两种材料本构模型来描述材料的应力应变响应。以传统的M-K成形极限理论预测模型为基础，引入非线性的应变路径，并同时结合两种硬化准则，提出了非线性应变路径下引入不同硬化特性描述的成形极限预测理论模型。分析比较了不同模型描述下材料颈缩的变化规律，解释了成形极限路径相关性的影响机理，并分析比较了几种路径无关成形极限表达方法的特点，为工程应用提供了指导。　　(3)弯曲效应对板材成形极限的影响及预测研究　　针对板材成形极限的弯曲效应相关性问题，首先建立了全量理论和增量理论描述下引入弯曲效应的成形极限预测模型，对比分析了不同塑性描述下拉弯过程成形极限的理论预测结果。结果表明:增量理论相对于全量理论可更加准确地预测弯曲效应对成形极限的影响，弯曲效应使得板料成形极限下降。基于以上研究提出了顶层成形极限(Top-FLD)的概念，并获得了和实验结果完全一致的趋势，通过实验数据证明了引入弯曲效应的成形极限预测模型的正确性。　　通过理论解析和有限元仿真相结合的方法，解决了连续拉弯加载条件下无法进行理论预测的难点，将连续拉弯效应引入材料颈缩的预测模型中，为实际应用提供了参考依据。最后针对两种不同拉弯过程的解析建模研究，解释了弯曲效应在不同拉弯过程中对材料颈缩的影响，在较小的拉弯比条件下，材料沿厚度方向的硬化梯度较大，使得材料在变形过程中呈现出不同的硬化行为，最终影响颈缩的发生。　　(4)复杂加载条件下成形极限的应用研究　　首先使用板料塑性成形大会的标准考题验证了本文提出的复杂载荷下成形极限预测理论模型。然后针对高强钢材料在前纵梁成形中出现的小圆角失效早于传统成形极限预测的问题展开研究，建立了考虑复杂载荷影响的成形极限预测方法，并引入材料各向异性，实际应变路径和弯曲效应，预测了材料实际的成形极限，通过和材料实际应变路径的对比成功预测了零件的小圆角失效，解决了原来无法预测的困难，对复杂载荷下板料颈缩提供了科学的评价方法和初步的应用尝试，具有一定的工程指导意义。
作者：	何霁
专业：	机械工程;车辆工程
导师：	李淑慧;Z.Cedric Xia
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文