板料成形中的大变形接触问题的有限元解法

基于弹塑性有限变形理论，采用ＵｐｄａｔｅｄＬａｇｒａｎｇｅ描述建立了用于板料成形分析的动力学有限元数学模型，考虑到材料的各向异性，给出了Ｊａｕｍａｎｎ应力形式的各向异性本构关系．引用罚函数法处理接触边界，对于板料与模具之间的摩擦采用修正的库仑摩擦定律，保证了计算的稳定性．基于此模型编制的有限元程序对一盒形工件的成形进行了数值分析，计算结果与实验结果基本符合．     

改进的5参数Barlat-Lian屈服准则

在平面各向异性三参数Barlat-Lian屈服准则的基础上加入两个横向剪切应力分量σxz和σyz,提出了一个改进的5参数Barlat-Lian屈服准则,结合BT或BWC壳单元,模拟了板料在成形过程中的各向异性行为.当屈服函数指数M=2时,改进的Barlat-Lian屈服准则可以退化成Hill48屈服准则,当各向异性参数r0=r45=r90=1时,可退化成Von Mises屈服准则.应用自主版权的板料冲压成形快速模拟软件FASTAMP,以圆筒件为例,将模拟结果与试验结果进行比较,验证了改进的Barlat-Lian屈服准则的正确性.     

板料成形中的大变形接触问题的有限元解法

基于弹塑性有限变形理论，采用Ｕｐｄａｔｅｄ Ｌａｇｒａｎｇｅ描述建立了用于板料成形分析的动力学有限元数学模型，考虑到材料的各向异性，给出了Ｊａｕｍａｎｎ应力形式的各向异性本构关系。引用罚函数法处理接触边界，对于板料与模具之间的摩擦采用修正的库仑摩擦定律，保证了计算的稳定性。基于此模型编制的有限元程序对一盒形工件的成形进行了数值分形，计算结果与实验结果基本符合。     

材料强化模型对板料回弹量的影响

基于Lemaitre and Chaboche非线性随动强化理论、等向强化和Mises屈服准则,建立了复杂加载模式下非线性混合强化材料模型的弹塑性应力应变本构关系,并采用Backward Euler切向预测径向返回算法计算应力应变增量.基于ABAQUS开发式程序接口,编写了非线性混合强化材料模型用户子程序.以Numisheet‘93板料U型弯曲考题为例,分析了不同材料强化模型对板料回弹量的影响.结果表明,线性随动强化因模拟板料成形后的应力最小而低估了回弹量,各向同性强化因模拟成形后的应力最大而使预测的回弹量偏大.与Numisheet‘93实验值的比较可知,对于复杂加载问题,采用非线性混合强化材料模型预测板料回弹量的精度最高.     

面心立方晶体单晶材料弹塑性本构模型

基于正交各向异性材料在偏轴受载时存在拉、剪应力耦合效应的影响,通过增加一项由应力偏张量分量的二次乘积项构成的应力不变量,对Hill屈服模型进行修正,并根据面心立方晶体单晶材料的屈服特点提出了新的屈服准则.用新屈服准则对国产DD3单晶合金的屈服应力进行预测,预测结果与试验结果相吻合;新屈服准则与Hill屈服准则相比,在760 ℃时的预测精度显著提高.在此基础上,重新定义适合新屈服准则的等效应力和等效应变,并由联合流动法则,以屈服函数作为塑性势函数,建立面心立方晶体单晶材料的弹塑性本构模型,推导出相应的弹塑性矩阵.对于各向同性材料,新屈服准及其等效应力和等效应变退化为Von Mises屈服准则和其相应的等效应力与等效应变.     

V型件翻边成形的数值模拟

将Mindlin曲壳单元引入基于逐级更新的虚功率增率型原理，考虑板材的厚向各向异性，建立了大变形弹塑性有限元模型．对V型零件翻边成形进行了模拟，模拟和实验结果的比较证实了本模型的有效性．基于此模型，研究了零件张角、翻边部分初始长度以及材料各向异性参数和应变硬化指数对V型零件翻边的影响．结果表明，几何形状，尤其是零件张角，对V型零件翻边成形性具有决定性的影响．     

基于强度理论的岩石损伤弹塑性模型

根据单轴受力特性曲线唯象地考察岩石材料损伤演化,定义弹性应变表示的一维损伤变量及其本构模型,利用双剪强度理论将其推广至三维模型.塑性是潜在破坏面的摩擦滑移,在传统塑性理论的框架中,建立了基于摩尔-库仑强度理论与潜在滑移面摩擦软-硬化特性的各向异性损伤弹塑性本构关系.结果表明,计算的损伤演化与CT观测结果符合很好,用本文的弹塑性模型反映损伤材料的力学特性是可行的.     

厚向异性值r及应变硬化指数n对板料拉深成形性能的影响

基于R·Hill的各向异性材料理论及W·Panknin的关于拉深应力的计算方程,通过理论分析研究了n,r值对拉深成形时杯形件简壁的屈服和破裂的影响。实验表明,n值对极限拉深率几乎无影响,在n,r值对材料破裂的影响方面,实验结果同理论分析吻合得相当好。本又对拉深成形的理论分析解释了r,n值之间的相互关系,因此,更好地理解和预测板料的拉深性能是可能的。     

基于微孔洞细观损伤模型的金属剪切失效分析

针对GTN模型不能模拟剪切破坏这一缺陷,基于Nahshon和Hutchinson的修正,在隐式有限元过程中开发了同时适用于拉伸和剪切断裂模式的细观损伤材料本构.首先,推导了适用于修正后损伤本构的全隐式数值积分公式和一致性切线模量,给出了UMAT子程序的计算流程;然后,采用一个单元分别施加拉伸和剪切边界条件,验证了细观损伤材料本构的有效性;最后,分析了薄壁结构在扭转载荷下的弹塑性响应.与试验结果的对比研究表明:修正的细观损伤模型能够较好地预测出延性材料的剪切损伤演化过程.     

用于板料成形数值模拟的各向异性本构模型研究

论总结和讨论了用于板料成形数值模拟的各向异性屈服准则,基于张量计算推导了弹塑性本构关系的一般表达式,给出了几种屈服准则下弹塑性本构关系的显式表达,并通过编程将它们嵌入ABAQUS软件中,测试结果表明,这些表达是正确的。     

FEM simulation of flexible roll forming based on different material models

Flexible roll forming is a new roll forming process that produces parts with variable cross sections. This forming process is proposed to meet the demand of weight reduction of automobile industry. In order to study the mechanisms and material flow rules in this new forming process,the finite element mothod( FEM) model of a nine-step flexible roll forming of an ultra-high-strength steel bumper is established based on deep understanding and reasonable simplification of the process.Given that the material model is an important factor that influences the simulation accuracy,three material models which consist of different yield criteria and hardening models are adopted in the FEM models. Sheet thickness and springback amount calculated with three material models are studied comparatively. According to sheet thickness reduction and springback amounts,it is found that the MKi( Mises yield criterion and kinematic hardening law) model's result is larger than MI( Mises yield criterion and isotropic hardening law) model and HI( Hill's yield criterion and isotropic hardening law) model. Therefore,it is concluded that material models do have influences on the flexible roll forming simulation and need to be determined carefully.     

基于三维Hill’48屈服准则的液压成形本构模型及数值验证

基于三维Hill’48屈服准则建立了内高压成形的力学模型,将半隐式向后Euler应力更新算法与显式有限元方法相结合,通过用户自定义子程序UMAT将本构模型嵌入有限元软件LS-DYNA中,通过单个单元的拉伸试验对其进行验证,并将本构模型应用于液压胀形过程的数值仿真模拟,与各向同性Mises屈服准则进行了对比分析.结果表明,二次开发的本构模型正确,能够较好地反映管材胀形的变形规律.     

Optimization of yield criterion and simulation based on QP980 high strength steel

QP980 is an ultra high strength steel. First, uniaxial and biaxial tension tests have been done in different loading paths. Then QP980 basic mechanical properties have been obtained. And the stress and strain graph has been drawn. Second, according to the equal principle of the unit volume plastics work and yield stress, QP980 plastic work contour map has been drawn. Third, through comparing Mises, Hill'48, Hosford and Barlat89 yield criterion theoretical curves with the experimental plastic work contour map, the result shows that the Hill'48 yield criterion is in good conformity with the QP980 material. Fourth, Hill'48 yield criterion is optimized by introducing an equivalent plastic strain parameter. The result shows that average error of optimized Hill'48 theoretical yield trajectory is reduced by 8.4%. Last, finite element model about variable cross-section roll forming is established, then applying the optimized Hill'48 parameter yield criterion to the ABAQUS for finite element simulation. The simulation result shows that the forming quality is good, and in agreement with the actual forming parts. Therefore, the optimized Hill'48 yield criterion can be used to precisely describe QP980 ultra high strength steel.     

Failure analysis of AZ31 magnesium alloy sheets based on the extended GTN damage model

Based on the Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) model and Hill’s quadratic anisotropic yield criterion, a combined experimental-numerical study on fracture initiation in the process of thermal stamping of Mg alloy AZ31 sheets was carried out. The aim is to predict the formability of thermal stamping of the Mg alloy sheets at different temperatures. The presented theoretical framework was implemented into a VUMAT subroutine for ABAQUS/EXPLICIT. Internal damage evolution due to void growth and coalescence developed at different temperatures in the Mg alloy sheets was observed by scanning electron microscopy (SEM). Moreover, the thermal effects on the void growth, coalescence, and fracture behavior of the Mg alloy sheets were analyzed by the extended GTN model and forming limit diagrams (FLD). Parameters employed in the GTN model were determined from tensile tests and numerical iterative computation. The distribution of major and minor principal strains in the specimens was determined from the numerical results. Therefore, the corresponding forming limit diagrams at different stress levels and temperatures were drawn. The comparison between the predicted forming limits and the experimental data shows a good agreement.     

延性材料损伤模型及其实验验证

通过构造热力学势函数和耗散势函，得到了连续介质损伤力学基本方程，并给出了各向同性损伤演化规律，求得损伤与塑性应变的显式表达式，通过与材料实验数据比较，验证了模型的正确性。     

横观各向同性岩土结构极限承载力的数值研究

基于Cosserat连续体,建立了描述横观各向同性岩土材料的弹塑性模型,在该模型中,弹性本构关系由5个变形参数描述,塑性阶段通过引入组构张量及加载方向建立了修正的Drucker-Prager准则.针对上述模型推导了一致性映射返回算法的迭代格式及模量矩阵,结合适用于Cosserat连续体的平面应变8节点减缩单元应用ABAQUS用户自定义单元接口UEL进行了数值实现.数值算例分析了各向异性程度和材料主方向对横观各向同性岩土结构的极限承载力和变形局部化模式的影响.结果表明,所建立模型能较好地模拟横观各向同性岩土结构的应变局部化行为,且较好地解决了伴随应变局部化现象出现的网格依赖性问题.     

混凝土弹塑性多轴损伤模型及其应用

针对混凝土多轴应力状态下各向异性损伤的特点,建立了各向异性弹塑性损伤模型.该模型具有可清晰地表征混凝土的渐进破坏过程和表达当前损伤水平及结构破坏趋势的优点.引入了一个应力状态因子,用以表征当前应力状态在应力空间中距离破坏面的程度,从而对损伤演化方程进行了改进以考虑多轴效应.此外,在三轴破坏准则的基础上,还建立了考虑混凝土各向异性损伤破坏的多轴损伤破坏准则,其中包含了塑性、损伤内变量和有效主应力的影响.本模型可有效地表达出混凝土的各向异性和多轴损伤特点.     

金属板材渐进成形的数值模拟及破裂预测

针对板材渐进成形破裂预测对应变路径的过分依赖且无法实时预测的问题,首先,运用FORTRAN语言,通过ABAQUS有限元软件的材料子程序接口,将于忠奇破裂准则引入DC56D+Z钢板的VUMAT材料子程序中;其次,分别将于忠奇模型与ABAQUS自带Von Mises模型进行单向拉伸和渐进成形的模拟;最后,结合渐进成形实验与有限元模拟分析,以实验结果为标准,根据有限元模拟的结果,逆向寻找出于忠奇准则下渐进成形模型的临界破裂积分值I.研究结果表明:两种有限元模型的应力应变大小数量级相同,分布一致,从而说明了该子程序的有效性;渐进成形模拟过程中最大破裂积分值I出现的位置在零件的侧壁,与实验结果一致,积分值I=17可以作为预测渐进成形过程中板材是否破裂的有效条件.     

基于细观损伤理论的刚塑性有限元方程

有限元软件一般将变形体当作致密体进行分析,很少考虑金属空穴损伤对成形极限的影响．基于Ｇｕｒｓｏｎ－Ｔｖｅｒｇａａｒｄ空穴型材料塑性势方程,利用正交法则在刚塑性材料的Ｌｅｖｙ－Ｍｉｓｅｓ流动规则中引入了空穴损伤对应力－应变率场的影响,给出了空穴增长率计算方法,推证了含空穴材料的刚塑性变分原理与含有空穴体积分数的有限元列式,考虑了空穴体积扩张对成形过程的影响．为研究体积成形时材料损伤、裂纹起裂及扩展奠定了基础．