基于M-K理论的6016铝合金成形极限曲线预测

近年来,为实现汽车车身轻量化,大量的铝合金材料被用于汽车车身制造,由于6016铝合金具有良好的烘烤性能,被大量使用.但是传统的冷成形技术并不能成形复杂零件,因此热冲压-冷模具淬火成形技术被用到铝合金的成形过程中,板材成形领域中一个重要的性能指标是成形极限.本论文使用理论预测和试验两种方法对6016铝合金成形极限曲线进行了研究.首先,建立了考虑应变强化和应变速率强化的Fields-Bachofen本构方程,并将此本构方程引入到成形极限理论推导过程中;然后,基于M-K凹槽理论,对6016铝合金成形极限曲线进行了理论预测,并且采用Nakazima试验方法对预测结果进行了验证.结果显示,随着初始厚度不均度的增加,预测曲线向纵坐标的正方向移动;通过实验值和预测值的对比发现M-K凹槽理论对成形极限曲线的预测是可行的、准确的.     

高强钢氢致滞后断裂滞后时间的有限元预测

基于氢相关的内聚力模型,开发了顺次耦合的氢致滞后断裂有限元计算程序,预测了预含氢AISI4135高强钢圆棒缺口试样在常载荷拉伸条件下的滞后断裂时间,并考察了试样初始平均含氢水平对滞后断裂的影响.结果表明,氢相关的内聚力模型可有效预测氢致滞后断裂的断裂时间,有限元预测结果和相关报道较为一致.氢致滞后断裂存在氢临界值,当缺口尖端应力集中区聚集的氢浓度达到临界时裂纹开始形核,此临界值和结构的初始含氢量无关.     

材料参数对高强钢辊弯成形边波影响的有限元分析

建立了可靠的辊弯成形数值模拟模型,研究了材料参数对高强钢辊弯成形产生边波的影响.结果表明:模拟结果与已有文献实验数据相吻合;在高强钢辊弯成形中,随着屈服强度、强化系数、厚向异性系数的增加,产生边波的趋势减小;随着强化指数的增加,产生边波的趋势缓慢增加.     

理论成形极限曲线的探讨与研究

本文对板料胀形成形时产生集中性失稳的条件提出新的假设,认为最大主应力是决定性因素。由此导出一条理论成形极限曲线並通过试验验证该曲线更为接近实际。     

基于晶体塑性模型的板料成形极限预测

用晶体塑性模型及M-K理论对具有初始织构的金属板坯的成形极限(FLD)进行分析,研究了初始缺陷、材料参数及初始织构对成形极限应变的影响.结果表明,晶体塑性理论能较好地预测金属板坯的成形极限曲线,同时通过初始织构及其演化的模拟能成功地分析材料各向异性对FLD的影响.     

铝合金薄壁矩形管绕弯成形起皱极限的预测

失稳起皱是铝合金薄壁矩形波导管绕弯成形过程中的主要缺陷之一,严重制约着薄壁矩形管绕弯成形极限的提高。笔者采用有限元数值模拟结合正交回归分析的方法,建立了薄壁矩形管绕弯成形起皱波纹度回归预测模型,并通过实验验证了该模型的可靠性;在此基础上推导出了基于失稳起皱成形极限的解析模型。研究获得了芯头个数、防皱块与管坯间隙及芯模与管坯间隙对起皱极限的影响规律,并获得了铝合金薄壁矩形管绕弯成形起皱极限图。该研究为提高实际生产中薄壁矩形管绕弯成形质量提供了依据和指导。     

1 000 MPa级双相钢薄板极限成形性能

基于圆筒拉深试验,获得了1 000 MPa级先进高强度钢拉深时破裂的临界点和极限拉延比(LDR).研究了Hill、Barlat和BBC 3种不同屈服准则的数值仿真效果.结果表明：1 000 MPa级双相钢LDR值为2.07,且Barlat屈服准则模拟结果与实际试验相符.对断口进行扫锚电镜（SEM）观测,发现1 000 MPa级双相钢有别于传统板材,其拉深断裂模式为沿板材厚向45°的韧性切向断裂,无明显颈缩现象.     

材料形变失稳的各向异性损伤准则及其在成形极限中的应用

本文用损伤力学的理论分析了各向异性材料在多轴应力情况下的各向异性损伤演变,提出了一个损伤演变模型和一个新的形变失稳损伤准则,将这一准则用于板材成形极限图的研究,并用08F钢板进行了实验验证.     

高强钢端板连接节点弯矩-转角曲线数学模型

为预测高强钢端板连接节点在常温、火灾下及火灾后的弯矩-转角曲线,以四参数指数模型为基础,基于组件法和等效T型连接,提出了初始刚度、屈服后刚度和抗弯极限承载力的计算方法,将计算结果代入四参数指数模型得到预测高强钢端板连接节点弯矩-转角曲线的方法;与足尺试验中Q690和Q960高强钢端板连接节点在常温、火灾下及火灾后的共10组试验结果进行对比。结果表明,抗弯极限承载力的计算结果与试验值较吻合,其中Q960的相对误差在5%以内,初始刚度的计算结果比欧洲钢结构设计规范(EN 1993—1-8)的结果更接近试验值,预测的Q960高强钢端板连接节点弯矩-转角曲线与试验结果吻合,而Q690预测结果偏于安全。     

5083铝合金GTN损伤参数求解与成形极限预测

GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)损伤模型被广泛用于预测金属的韧性断裂,但损伤参数多且求解困难,限制了其实际应用。以5083铝合金为研究对象,通过扫描电镜观察不同变形阶段拉伸试样的孔洞体积占比确定GTN损伤参数的取值范围;借助中心复合实验设计方法构造拉伸曲线关键变量与GTN损伤参数的响应曲面模型,应用NSGA-II遗传算法优化铝合金板料的损伤参数;将优化后的GTN损伤参数应用于有限元分析中,利用数值模拟方法预测5083铝合金的成形极限图(FLD),并通过Nakazima试验测得铝合金板料的FLD,与数值模拟结果进行对比分析。研究结果表明：GTN损伤模型预测的FLD与实验结果的相对误差在10%以内,且拉压变形区域的预测精度高于双拉变形区域的预测精度。     

火灾下高强钢端板连接节点力学性能有限元分析

为研究高强钢端板连接节点在火灾作用下的力学性能,对7个梁柱端板连接节点在550℃的火灾高温下进行足尺试验研究.依据试验结果,采用通用有限元件ABAQUS建立高强钢端板连接节点有限元模型,从网格划分、单元种类选择、接触定义、分析步设置以及失效准则的确定等方面详细介绍建立模型过程,并得到高强钢端板连接节点在火灾下和常温下的弯矩-转角关系曲线、破坏模式以及端板的应力分布和屈服线模式.同时,将有限元分析结果同试验研究结果进行对比校验,结果显示,该有限元模型具有足够精确性.     

变凸模运动曲线对板料成形极限性能的影响

研究影响板料拉深失稳的因素大都忽略凸模运动曲线对板料成形极限性能的影响,利用伺服压力机可加载任意滑块速度和位移,以筒形件拉深为研究对象,加载了不同的凸模运动曲线,采用ANSYS／LS‐DYNA进行拉深模拟并经实验论证。结果表明,不同的凸模运动曲线对拉深件厚度减薄率分布会产生很大的差异,其中台阶式凸模运动曲线对提高板料极限成形能力最为显著。     

应力-应变曲线形式对铝合金板料成形极限的影响

为使板料的成形性分析更符合实际,以Marciniak-Kuczynski(M-K)理论为基础,提出了采用应力-应变测量数据预测铝合金板料成形极限的方法.分别采用应力-应变测量数据、幂指数以及多项式拟合曲线三种应力-应变形式对6016-T4和7075-T6铝合金板料的成形极限进行研究.通过单向拉伸实验得到材料的应力-应变数据,构建了不同形式的曲线模型,计算了相应的极限应变,并绘制了板料成形极限曲线.将理论上预测的FLC与胀形实验结果进行对比,结果表明,采用应力-应变测量数据对板料成形极限的预测最好,而常用的幂指数拟合曲线得到的预测结果与实验存在一定的偏差.     

板材的成形极限

本文用塑性理论推导板材的成形极限,考虑了dp1=0和dp1=dp2=0两种分散性失稳条件及集中性失稳条件。最后分析据此建立的成形极限曲线图的缺陷和不合理处、及其产生的主要原因。     

热成形温度对高强钢方管组织及性能的影响

为了克服传统辊弯工艺和设备对室温下高强钢的影响,提出弯角局部感应加热辊压成形工艺制备高强钢方管,并通过单向拉伸试验、断口形貌观察、微观组织扫描电镜观察和X射线衍射分析研究热辊压成形温度对高强钢方管弯角处组织及力学性能的影响。结果表明,随着温度的升高,弯角力学性能得到明显的改善,断口形貌由室温下解理断裂逐渐过渡为韧性断裂,弯角处微观组织由板条状贝氏体向粒状贝氏体发展且多边形铁素体晶粒开始长大,方管外表面周向和纵向残余应力都明显降低且分布更加合理。综合实验分析,高强钢方管热辊压成形工艺的最佳温度为650益。     

基于动态碳配分机制的高强塑积热成形钢研究

通过直接淬火、QP、回火等工艺对一种低碳含铜钢进行热处理,并使用拉伸试验机、落锤冲击试验机、扫描电镜、电子探针、X射线衍射、透射电镜等手段对其力学性能、显微组织和冲击性能进行表征.在连续冷却淬火过程中观察到碳在马氏体和残余奥氏体间的动态配分现象,QP处理和低温回火可改善实验钢的冲击韧性;实验钢综合力学性能良好:强塑积大于20 GPa%,抗拉强度超过1 400 MPa,延伸率约14%,室温冲击功高于40 J.结果表明,所开发的实验钢可以满足热冲压工艺对成形淬火一体化的要求,可作为具有高强塑积的热成形用钢.     

高强钢外伸式端板节点性能试验与有限元分析

为了解高强钢端板连接节点的受力性能和失效机理,对Q690和Q960高强钢端板连接节点进行足尺模型试验研究和有限元模拟分析,并将试验结果与采用欧洲规范EC3的计算结果、有限元分析结果进行对比.研究结果表明:节点的失效模式为端板破坏和螺栓断裂;高强钢端板连接节点具有良好的转动能力;EC3中用于普通钢端板连接节点承载能力计算和失效模式预测的组件法可直接用于高强钢端板连接节点,但转动刚度的计算公式并不适用,且EC3关于保障节点转动能力的相关要求对高强钢端板连接节点偏于保守.本文建立的有限元模型可准确模拟该端板连接节点的弯矩-转角关系和失效模式.     

船用高强钢T型接头焊接角变形预测仿真

以船用高强钢的T型接头为研究对象,在物理模拟试验的基础上,基于人工神经网络调用MATLAB软件的工具箱建立船用高强钢T型接头角变形BP神经网络模型,仿真焊接工艺参数、底板厚度、焊接顺序等因素对角变形的影响,探索抑制船体钢结构焊接角变形的有效措施。结果表明该方法可以快速预测、预报船舶T型接头焊接过程中产生的角变形量。测试结果与仿真结果之间的偏差较小,采用分段退焊的角变形量最小,T型接头焊接角变形随焊接电流的增大而增大,随底板板厚增加而减小。     

高强混凝土柱的耐火极限

编制了高强混凝土柱高温反应的全过程分析程序,程序中近似考虑了高强混凝土的爆裂效应,程序的有效性得到了其他学者试验结果的验证.针对不同轴压比、截面尺寸、配筋率和荷载偏心率共480种工况进行了高强混凝土柱的高温反应分析,揭示了各主要参数对高强混凝土柱耐火极限的影响规律,并与普通混凝土柱的相应结果进行了对比.基于计算结果定量给出了高强混凝土柱耐火极限的简化确定方法.研究结果表明,高温爆裂对高强混凝土柱的耐火极限影响显著;严格控制轴压比和荷载偏心率、保证足够的截面尺寸,是提高高强混凝土轴压柱和偏压柱耐火极限的有效措施.     

激光拼焊板破裂判据的建立及成形极限预测

为准确判断差厚高强钢激光拼焊板何时、何处发生破裂,在失效行为研究的基础上建立一种新的破裂判据.该破裂判据为:在建立拼焊板左半边成形极限图时,凸模载荷达到最大值时拼焊板发生破裂;在建立拼焊板右半边成形极限图时,拼焊板应变路径向平面应变状态漂移时破裂发生.基于该破裂判据,结合对高强钢拼焊板成形极限试验的仿真,建立其成形极限图.预测结果与试验数据吻合较好,验证了拼焊板破裂判据的正确性和有效性.基于建立的破裂判据,结合对拼焊板成形极限试验的有限元仿真,能够准确、快速获得差厚高强钢激光拼焊板的成形极限图.