铝合金板料成形极限预测及数值模拟研究

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近年来,轻质铝合金材料越来越多地运用于航天航空和汽车行业,对铝合金板料的成形性能进行研究具有重要意义。应变成形极限图(Forming Limit Diagram,简称FLD)和应力成形极限图(Forming Limit Stress Diagram,简称FLSD)是判断板材成形性能的重要判据。实验方法获取这两种成形极限图存在实验设备复杂,实验周期长,测量技术不完善等难点。基于以上问题,本文以5083铝合金板料为研究对象,运用理论和数值模拟相结合的方法对FLD和FLSD的获取方法、影响因素以及应用等方面进行分析研究。论文的理论部分,首先介绍了板料塑性变形过程中涉及到的基本塑性理论。对塑性理论中适用于5083铝合金板的各向异性屈服准则、硬化准则和流动法则进行了比较分析。同时总结了Swift分散性失稳理论和Hill集中性失稳理论的适用范围和运用这两种失稳理论得到完整FLD的方法。然后基于以上的理论基础,运用Hill48屈服准则和Hill79屈服准则推导了Swift分散性失稳理论和Hill集中性失稳理论条件下的极限应变的公式,带入5083铝合金板材的力学性能参数获得FLD。最后在得到的FLD的基础上,运用增量理论推导得到了线性应变路径下的FLSD。论文的数值模拟部分,先阐述了运用有限元仿真的胀形模拟来获取FLD和FLSD的原理和应变路径的实现方法。通过分析,提出针对有限元模型所使用的壳单元运用最大凸模力准则和基于应变路径转变的准则作为失稳判据。然后将有限元仿真得到的结果和理论预测的结果进行对比分析,结果表明采用Swift分散性失稳理论计算获得的FLD的右半部分准确性不高;而采用Hill集中性失稳准则理论计算获得的FLD的左半部分与模拟的结果相差不大。最后讨论了FLD随摩擦系数、冲压速度、压边力的变化规律,得到摩擦系数为0.12,冲压速度为1000mm/s,压边力为20KN时所得到的成形极限结果是比较合理的。此外,通过在ABAQUS中先对板料进行预加载再进行胀形模拟,完成了FLD和FLSD随应变路径变化的分析。结果表明FLSD与应变路径无关,而FLD与应变路径有关。最后在方形盒冲压的有限元模拟中,将FLSD和FLD作为极限判断准则,得到相同的结果,表明了FLSD作为极限判据的可靠性,并对FLSD的应用前景进行了分析,表明了其在处理复杂加载路径问题时的优势。本文通过理论和有限元的方法预测了5083铝合金板材的FLD和FLSD,可以作为有限元模拟中处理线性应变路径问题的失稳判据。理论和有限元获取的方法可以为其它类型材料成形极限的研究提供可借鉴的思路。同时还为更适合于处理复杂加载路径问题的FLSD的运用奠定了基础。
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