內(nèi)外壓復(fù)合作用下管材塑性失穩(wěn)行為研究.pdf

1、輕量化是飛機(jī)、汽車等運(yùn)輸工具節(jié)約燃料、減少廢氣排放的主要手段之一。內(nèi)高壓成形技術(shù)是在內(nèi)壓作用下使管材成為復(fù)雜形狀空心變截面輕量化構(gòu)件的先進(jìn)技術(shù)。為了提高管材成形性，提出在管材內(nèi)外表面同時(shí)施加高壓液體的內(nèi)外復(fù)合加壓成形技術(shù)。本文研制了可實(shí)現(xiàn)管材內(nèi)外復(fù)合加壓的實(shí)驗(yàn)裝置，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬與力學(xué)分析，系統(tǒng)地研究了薄壁管材在內(nèi)外壓復(fù)合作用下的塑性變形行為、壓縮和拉伸失穩(wěn)行為以及起皺和開裂機(jī)制，探討該技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的可行性。
　　為測試三

2、維應(yīng)力狀態(tài)下各向異性管材的力學(xué)性能，通過塑性增量理論，利用各向異性屈服準(zhǔn)則推導(dǎo)了三維應(yīng)力狀態(tài)下管材脹形的等效應(yīng)力與應(yīng)變公式。研制了三維應(yīng)力狀態(tài)下管材力學(xué)性能測試裝置，提出了三維應(yīng)力狀態(tài)下管材力學(xué)性能測試方法。得到了5A02鋁合金管材在0、85MPa和127.5MPa三種外壓條件下的應(yīng)變硬化指數(shù)n值，發(fā)現(xiàn)隨著外壓增加，n值略有增加。
　　研制出可實(shí)現(xiàn)管材內(nèi)外復(fù)合加壓的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置實(shí)現(xiàn)了分體模具管材外壓密封，突破了外壓、內(nèi)壓和左右

3、兩個(gè)沖頭位移的匹配加載與卸載關(guān)鍵技術(shù)。通過對(duì)薄壁管材進(jìn)行內(nèi)壓作用下的起皺實(shí)驗(yàn)研究，揭示了不同內(nèi)壓條件下管材起皺行為及展平過程皺紋的形狀變化規(guī)律。對(duì)于5A02鋁合金管材，內(nèi)壓低于1.0ps(初始屈服壓力)時(shí)，僅在兩端產(chǎn)生兩個(gè)非軸對(duì)稱皺紋，展平過程發(fā)生破裂；內(nèi)壓為1.2ps-1.8ps時(shí)，形成三個(gè)軸對(duì)稱皺紋，其中內(nèi)壓為1.2ps-1.6ps時(shí)展平結(jié)束形成死皺，內(nèi)壓為1.8ps時(shí)皺紋被完全展平。對(duì)于彈性模量和屈服強(qiáng)度更高的不銹鋼管，內(nèi)壓在0.

4、6ps-1.4ps時(shí)形成三個(gè)軸對(duì)稱皺紋，展平過程不易形成局部死皺。軸對(duì)稱皺紋形狀可以用高斯正態(tài)分布函數(shù)準(zhǔn)確地描述，皺紋形狀和尺寸以及皺紋間距可以用高斯函數(shù)中的特征參數(shù)定量地表達(dá)。
　　通過對(duì)5A02鋁合金管材進(jìn)行內(nèi)外壓復(fù)合作用下的起皺實(shí)驗(yàn)研究，揭示了外壓對(duì)5A02管材起皺行為的影響機(jī)理。壓差恒定時(shí)，外壓不改變管材的皺紋形狀，因?yàn)橥鈮翰桓淖児懿妮S向的應(yīng)力分布規(guī)律以及管材等效應(yīng)力；內(nèi)壓恒定時(shí)，增加外壓使皺紋由三個(gè)軸對(duì)稱皺紋轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)非

5、軸對(duì)稱的端部皺紋，外壓抑制中間皺紋的形成；內(nèi)壓變化時(shí)，增壓外壓與內(nèi)壓比例也使皺紋數(shù)量發(fā)生變化，但中間皺紋是非軸對(duì)稱的。通過數(shù)值模擬和理論分析給出了皺紋形成過程應(yīng)力變化規(guī)律，揭示了內(nèi)外壓復(fù)合作用下管材皺紋發(fā)生與發(fā)展機(jī)理：管材端部由于邊緣彎曲效應(yīng)產(chǎn)生了兩個(gè)應(yīng)力峰值，在管材兩端先發(fā)生屈服及塑性失穩(wěn)而形成兩個(gè)皺紋，若壓差達(dá)到1.2ps，則逐漸形成中間皺紋。
　　通過內(nèi)外壓自由脹形和圓角充填實(shí)驗(yàn)研究了三種典型鋁合金管材的塑性變形與拉伸失穩(wěn)行

6、為。最高外壓增加到212.5MPa時(shí)，自由脹形過程5A02、2A12及6063三種管材的脹形區(qū)輪廓、極限膨脹率、壁厚分布規(guī)律沒有發(fā)生改變，圓角充填過程5A02管材的極限圓角半徑?jīng)]有發(fā)生變化，表明外壓不會(huì)改變管材發(fā)生頸縮前的均勻變形能力。通過力學(xué)分析和數(shù)值模擬揭示了內(nèi)外壓復(fù)合作用下無法提高管材均勻塑性變形能力的機(jī)理：加載失穩(wěn)分析發(fā)現(xiàn)內(nèi)外壓復(fù)合作用下管材極限應(yīng)變與外壓無關(guān)；外壓增加，環(huán)向、軸向和法向應(yīng)力降低，靜水壓力增加，但應(yīng)力偏張量并未改

7、變，管材變形方式?jīng)]有發(fā)生改變。
　　采用掃描電鏡研究了外壓對(duì)管材開裂行為的影響，發(fā)現(xiàn)隨著外壓增加，管材斷口上的等軸韌窩變扁平，韌窩方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，韌窩數(shù)量、尺寸及所占比例都減少；外壓的增加可以提高管材斷裂極限：對(duì)于5A02鋁合金管材，外壓增加到212.5MPa時(shí)，自由脹形的等效斷裂應(yīng)變由1.022增加到2.466，提高了141.3％；圓角充填的等效斷裂應(yīng)變由0.860增加到3.054，提高了255.1%；外壓對(duì)2A12管材的影響規(guī)律