轻质高强板（如超高强度钢、铝合金、钛合金等）因其高的强度/密度比,在汽车工业和航空航天工业领域的应用也日益广泛。轻质高强板材普遍存在各向异性特性明显、成形性差和回弹严重的问题,需要借助数值仿真技术,探索最优的成形工艺设计空间。因此,准确描述先进轻质高强板材的各向异性屈服与硬化特性,以及成形极限特性,对实现高精度的成形制造仿真具有重要意义。现有的屈服准则在关联流动准则框架下能较好地描述大多数材料拉伸状态下的屈服与各向异性特性,但对具有拉压应力不对称的材料则无法精确刻画。随着塑性变形理论的不断发展,非关联流动理论的应用中仍然存在着精度与效率兼顾的问题。如何准确反映轻质高强板材成形时应变路径和应力状态对材料成形极限和损伤破裂演化的影响,也是目前塑性变形理论领域研究的热点。因此,本文在国家自然科学基金航天联合基金重点项目（U1737210）、国家自然科学基金面上项目（51675332）、国家重点研发项目课题（2017YFB0304400）和上海市优秀学术带头人项目（19XD1401900）的资助下,针对轻质高强板材塑性变形的屈服特性、非关联流动理论、成形极限和韧性断裂准则等塑性加工领域的关键基础力学与计算问题,开展了系统深入的研究。主要研究工作总结如下:提出了一种在关联流动准则框架下适用于面心立方、体心立方和密排六方结构材料的普适性各向异性屈服准则。通过将现有的基于应力不变量的屈服函数从I-J₂-J₃框架转换到η-ξ-（?）框架下,并在分析这些屈服函数的构造模式的基础上,提炼出了构造基于应力不变量的屈服函数的本质规律。通过求取屈服函数Hessian矩阵的顺序主子式,得到了屈服函数的外凸条件。通过引入线性转换张量,将各向同性屈服准则推广到各向异性屈服准则。上述构造方式显著地增加了屈服函数的灵活性和精确性。将所提出的准则应用于典型铝合金材料AA2008-T4和AA2090-T3,并与Yld2000-2d和Yoon2014两个屈服准则进行对比,表明:所提出的屈服准则在关联流动准则框架下,不仅可以准确预测材料的拉压屈服应力非对称现象,而且可以较好地预测材料的各向异性系数。此外,该屈服准则用于描述一种锆合金板材在不同压缩预应变条件下的屈服面演化过程时,可以较好地描述屈服面的非对称特征与屈服面的局部特征。分析了完全非关联流动模型和简化非关联流动模型之间的差异性,阐明了简化非关联流动模型中的塑性势函数参数计算方法的限制条件。针对简化非关联流动模型存在的问题,提出了有效的方法改进了简化非关联流动模型的精度。对比完全非关联流动模型和简化非关联流动模型的返回隐式更新算法发现:简化非关联流动模型用于迭代求解的方程更少,而且关键的线性化方程比完全非关联流动模型更简单,计算效率更高。为了更好地理解简化非关联流动模型的应用范围,比较了不同非关联流动模型对等效应变预测的影响规律,结果表明:如果屈服函数和塑性势函数之间的差异小于5%,则可以利用简化非关联流动模型。提出了一种求解Marciniak-Kuczinski（M-K）模型的新方法。针对采用Newton-Raphson（N-R）算法计算M-K模型时不收敛的问题,通过分析凹槽内应力之间的关系,将求解的三个未知量减少到了两个,并提出了一种无条件收敛的增量算法。为了提高增量算法的求解效率,将两个未知量的N-R算法和增量算法相结合,构建了一个新的修正增量算法。将这些不同的算法运用于AA6111-T3材料的成形极限计算,发现修正增量算法在计算效率和收敛性方面具有明显优势。提出了预测各向异性板料颈缩成形极限的扰动法,将扰动速率在应变路径上积分来判定金属薄板的失效。当扰动积累量达到一定程度时,认为局部颈缩发生,在颈缩附近的应变将作为板料的极限应变。扰动法应用于AA5754-O板料的成形极限计算验证了该方法在线性和非线性应变路径下预测成形极限的有效性和精确性。系统地研究了不同硬化模型和屈服准则对扰动法预测的成形极限曲线的影响。采用双线性应变路径,研究探讨了不同预应变对金属板料成形极限图FLD和基于等效应变的成形极限图epFLD的影响规律。研究结果表明:如果预应变的等效应变小于平面应变时的临界等效塑性应变,那么非线性应变路径下的epFLD基本上与线性应变路径下的epFLD重合。如果预应变的等效塑性应变超过该临界值,最终预测的基于等效应变的成形极限图epFLD将依赖于预应变的大小和应变路径。进一步提出了一种考虑法向压力对板料成形极限影响的扰动法。针对平面应力假设状态下的M-K模型和扰动法皆无法精确预测板料液压成形时的成形极限,将这两种成形极限模型扩展到三维应力状态。为了解决N-R算法的不收敛问题,将修正的增量法运用于考虑法向压力的M-K模型中。探索了比例加载和非比例加载路径下,法向压力对成形极限图FLD和基于等效应变的成形极限图epFLD的影响规律。同时探讨了硬化模型和屈服准则对考虑法向压力的扰动法和M-K模型的影响规律。研究结果表明:无论是扰动法还是M-K模型,均可以用于解释法向压力提高板料成形极限应变的现象,但考虑法向压力的M-K模型无法用于速率敏感材料。成形极限曲线对法向压力的敏感性主要取决于硬化模型,而法向压力作用下的成形极曲线的范围主要与屈服准则有关。针对目前非耦合型韧性断裂准则存在无法准确描述大应力三轴度范围内断裂的不足,通过分析孔洞形核、长大和聚合的过程,构造了可适用于较大应力三轴度范围的普适性韧性断裂准则。对两种铝合金AA6061-T6和AA2024-T351的等效断裂应变的计算,表明所提出的准则具有更高的精度。在此基础上,将Johnson-Cook断裂准则和Zener-Holloman参数与所提出的韧性断裂准则耦合,构造出了一个可以考虑温度与应变速率影响的普适性断裂准则。通过试验和有限元结合的方法,得到了DP590在不同温度和应变速率下的Lode参数、应力三轴度、应变速率和温度随等效塑性应变的演化规律,并与改进Hosford-Coulomb断裂准则和相应的试验值进行对比,验证了该新的断裂准则的有效性。并用该断裂准则解释了应变速率和温度对等效断裂应变的影响规律。