基于能量原理的非線性硬化模型研究及其板料沖壓回彈預(yù)測驗證.pdf

1、在對提高板料沖壓成形數(shù)值模擬準(zhǔn)確性的研究中，材料本構(gòu)模型研究一直比較活躍。近年來由于綠色減排的環(huán)保需求，雙相鋼因其輕量高強(qiáng)度等優(yōu)良性能而受到廣泛關(guān)注，但是同時其回彈預(yù)測難度增大，需要合理的材料模型描述其在加工過程中的材料性能演化。對于材料塑性變形這種不可逆過程，能量原理已被認(rèn)為是建立其演化方程的理論基礎(chǔ)。但由于傳統(tǒng)理論主要關(guān)注形式上的完備性，缺乏對材料行為建模關(guān)鍵概念的考量，因此對實際建立材料模型的幫助有限。而隨著材料模型愈加復(fù)雜，若沒

2、有能量原理的幫助，無論是改進(jìn)已有模型還是提出新的模型，都將十分困難。
　　本文主要目的是補(bǔ)充修正關(guān)于金屬彈塑性變形過程的能量極值原理，為其常見硬化行為建立統(tǒng)一的模型框架。這不僅將眾多基于特定情況而獨(dú)立產(chǎn)生的硬化模型進(jìn)行統(tǒng)一，促進(jìn)對其之間關(guān)系的理解，還可為建立新的模型提供必要幫助，尤其有助于建立描述高強(qiáng)度雙相鋼循環(huán)加載性能的硬化模型。在國家自然科學(xué)基金(51075269)的支持下，完成了如下研究內(nèi)容。
　　通過關(guān)于非線性運(yùn)動硬

3、化模型能量極值原理研究的回顧以及對硬化過程中機(jī)械耗散表達(dá)的分析，提出了修正機(jī)械耗散極值原理，完成了對考慮非線性運(yùn)動與各向同性硬化的彈塑性本構(gòu)方程的建立。進(jìn)而從能量角度出發(fā)，對應(yīng)變型內(nèi)變量的分解、屈服函數(shù)凸性以及未基于能量原理的關(guān)聯(lián)流動理論的缺陷進(jìn)行了討論，并證明了修正機(jī)械耗散極值原理在考慮內(nèi)變量分量疊加以及靜水壓力相關(guān)屈服情況下的有效性。
　　通過從能量角度對硬化過程的分析，指明了新引入的硬化乘子的含義，并建立控制函數(shù)這一描述材料

4、硬化行為的重要概念。以此為基礎(chǔ)，將眾多獨(dú)立產(chǎn)生的硬化模型，統(tǒng)一到了同一框架內(nèi)，揭示了其內(nèi)在聯(lián)系。借助控制函數(shù)，分析了非線性運(yùn)動硬化模型中兩種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的理論與行為差異，并對經(jīng)典塑性理論進(jìn)行了有益的補(bǔ)充。通過控制函數(shù)的類比，建立了NSK Swift非飽和運(yùn)動硬化模型。另外，借助所建立的硬化框架，指出了在運(yùn)動硬化模型中引入非飽和特征的三種方式，可以單屈服面單背應(yīng)力實現(xiàn)對永久軟化現(xiàn)象的描述，并從能量角度為該現(xiàn)象提供了解釋。
　　回顧在

5、硬化模型中引入塑性變形累積效果的不同方式，并對其各自特點(diǎn)進(jìn)行了分析。借助所建立的硬化框架，從理論角度指出受到廣泛關(guān)注的Yoshida-Uemori模型的本質(zhì)以及需要注意的局限。給出了在運(yùn)動硬化模型中引入塑性變形累積效果的兩種方式，并以因素相加方式對NSK Swift模型進(jìn)行修正，使其可以進(jìn)一步描述循環(huán)加載中的硬化遲滯現(xiàn)象。
　　基于提出的硬化框架，給出率形式彈塑性本構(gòu)方程全隱式積分方案的實現(xiàn)流程以及適用于平面應(yīng)力殼單元的映射轉(zhuǎn)換方

6、法。同時對多種擴(kuò)展情況的處理方式進(jìn)行了分析。對模型材料參數(shù)確定方式的討論表明，基于控制函數(shù)的參數(shù)轉(zhuǎn)換，體現(xiàn)出了合理選擇控制函數(shù)反應(yīng)材料性能演化的優(yōu)勢。使用該方法獲得材料參數(shù)的NSK Swift模型，對拉壓加載時具有非飽和及永久軟化現(xiàn)象的高強(qiáng)度雙相鋼DP600，表現(xiàn)出良好的描述特性。
　　通過對不同應(yīng)變范圍多次循環(huán)加載下的本構(gòu)響應(yīng)比較，表明NSK Swift模型能夠合理反映高強(qiáng)度雙相鋼DP600與DP780在循環(huán)加載下的性能變化。由

7、于此時控制函數(shù)可以正確地反映材料性能，NSK Swift模型可以僅采用單向拉伸實驗數(shù)據(jù)用于參數(shù)確定。在使用非均勻拉深筋的U型沖壓件回彈預(yù)測(DP780)，以及Numisheet2005 Benchmark2車底橫梁成形回彈與厚度預(yù)測(DP600，DP965)中，NSK Swift模型對雙相鋼采用單向拉伸數(shù)據(jù)確定參數(shù)并提供了良好的預(yù)測結(jié)果，表現(xiàn)出對其硬化良好的描述性能。NSK Swift模型的性能特征以及參數(shù)確定方式，使其在雙相鋼板料的成