板料塑性成形理论及工程解析-第2讲-之5

1一、塑性屈服理论一、塑性屈服理论二、弹塑性本构关系二、弹塑性本构关系三、包辛格效应及强化模型三、包辛格效应及强化模型四、强化模型的应用四、强化模型的应用五、塑性变形行为实验研究五、塑性变形行为实验研究提纲提纲五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究引言引言zz19501950年以前，验证了各种屈服准则和全量型与增量型年以前，验证了各种屈服准则和全量型与增量型两类塑性本构关系的一些基本假定和定理。两类塑性本构关系的一些基本假定和定理。zz2020世纪世纪5050年代以后，除了继续前一时期的一些研究内年代以后，除了继续前一时期的一些研究内容外，人们还针对新提出来的一些屈服准则和本构关容外，人们还针对新提出来的一些屈服准则和本构关系的一些新定理、新规律等展开了试验研究，其中，系的一些新定理、新规律等展开了试验研究，其中，最活跃的内容是强化规律，即后继屈服面的实验工作。最活跃的内容是强化规律，即后继屈服面的实验工作。zz2121世纪以来，针对复杂路径（如双压试验，双拉试世纪以来，针对复杂路径（如双压试验，双拉试验，检测屈服面尖点的应变路径突变试验，无卸载下验，检测屈服面尖点的应变路径突变试验，无卸载下路径后继屈服轨迹，板料的平面应力反向加载试验以路径后继屈服轨迹，板料的平面应力反向加载试验以及多级拉伸试验等）下板材和管材的各向异性塑性行及多级拉伸试验等）下板材和管材的各向异性塑性行为，发展了很多的试验方法，并把观察到的材料响应为，发展了很多的试验方法，并把观察到的材料响应同宏观力学模型的预测进行了比较。同宏观力学模型的预测进行了比较。主要内容主要内容5.15.1凸模胀形试验凸模胀形试验5.25.2双向压缩试验双向压缩试验5.35.3平面应变拉伸试验平面应变拉伸试验5.45.4应变路径突变试验应变路径突变试验5.55.5多级拉伸试验多级拉伸试验5.65.6包辛格效应的试验包辛格效应的试验5.75.7十字试件的双向拉伸试验十字试件的双向拉伸试验五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究5.15.1凸模胀形试验凸模胀形试验zz能够得到较大的塑性变形。能够得到较大的塑性变形。zz能对板料实现不同应力状态的加载。能对板料实现不同应力状态的加载。zz要获得精确的双拉应力应变曲线，需要考虑凸模的几要获得精确的双拉应力应变曲线，需要考虑凸模的几何形状，并保证胀形过程中应变率不变。何形状，并保证胀形过程中应变率不变。zz凸模胀形试验所能实现的应力状态范围仍然会受到一凸模胀形试验所能实现的应力状态范围仍然会受到一定的限制。定的限制。五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究4凸模胀形试验在成形极限研究中应用广泛zz试验设备：北航研制试验设备：北航研制BCSBCS--30D/50AR30D/50AR通用板材成形通用板材成形性能试验机性能试验机100.05凸模压边圈凹模R3R5158180103R50五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究zz试验结果试验结果¾¾不同形状的试件可实不同形状的试件可实现各种应力状态现各种应力状态-0.12-0.08-0.040.000.040.080.120.160.100.150.200.250.300.350.40实验点FLCε1ε2轧制方向1201801601401801008050R50180180180160140180100180608018012040801801806020五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究25.25.2双向压缩试验双向压缩试验zz可以获得应力空间中各种加载状态可以获得应力空间中各种加载状态五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究¾¾由于试件和夹具之间存在摩由于试件和夹具之间存在摩擦，双向压缩试验很难获得精擦，双向压缩试验很难获得精确的应力应变关系。而且，当确的应力应变关系。而且，当材料的塑性变形机制受静水压材料的塑性变形机制受静水压力影响时，双压试验与双拉试力影响时，双压试验与双拉试验方法获得的屈服轨迹的形状验方法获得的屈服轨迹的形状不同。不同。¾¾BarlatBarlat对其系列屈服准则采用对其系列屈服准则采用该方法验证。该方法验证。5.35.3平面应变拉伸试验平面应变拉伸试验zz车身成形以及宽板弯曲中，板料通常处于平面应变状车身成形以及宽板弯曲中，板料通常处于平面应变状态。态。zz要准确预测成形件中的问题，如开裂、回弹，需要板要准确预测成形件中的问题，如开裂、回弹，需要板料在该应变状态下的性质。料在该应变状态下的性质。zz直接对板料进行平面应变试验可以对不同塑性模型以直接对板料进行平面应变试验可以对不同塑性模型以及平面应变的建模进行评估，以对平面应变状态进行及平面应变的建模进行评估，以对平面应变状态进行准确建模。准确建模。五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究4几种试件形状拉伸方向t0180400.44Theplaneprintedgrids五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究4平面应变回弹试验——Kuwabara等在2004年提出五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究5.45.4应变路径突变试验应变路径突变试验44KuwabaraKuwabara在板材和管材中，成功地观察到屈服面尖在板材和管材中，成功地观察到屈服面尖点。点。五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究5.55.5多级拉伸试验多级拉伸试验zzWagonerWagoner和和LaukonisLaukonis提出两步拉伸试验。后继单向拉伸试提出两步拉伸试验。后继单向拉伸试验中，不同方向上的拉伸性能明显不同。验中，不同方向上的拉伸性能明显不同。zzKuwabaraKuwabara等发现预应变会使材料的各向异性主轴发生转等发现预应变会使材料的各向异性主轴发生转动。动。zzWuWu等指出，确定材料各向异性的传统方法过高地估算了预等指出，确定材料各向异性的传统方法过高地估算了预应变的作用。应变的作用。zz发现了与拉压加载结果类似的发现了与拉压加载结果类似的““包辛格效应包辛格效应””。。zz近年这方面研究较多。近年这方面研究较多。五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究35.65.6包辛格效应的试验研究包辛格效应的试验研究4循环弯曲试验zz变形量有限，试验得到弯矩曲率关系，不能直接获得应力变形量有限，试验得到弯矩曲率关系，不能直接获得应力应变关系。循环弯曲试验方法依然存在应变梯度问题。应变关系。循环弯曲试验方法依然存在应变梯度问题。K.M.ZhaoK.M.Zhao和和J.K.LeeJ.K.LeeYoshidaYoshida五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究4循环剪切试验zz可进行大应变范围的包辛格效应试验。但对承受拉可进行大应变范围的包辛格效应试验。但对承受拉--压状态压状态的板料（如二维拉弯试验）进行力学建模时会存在一些困的板料（如二维拉弯试验）进行力学建模时会存在一些困难。难。五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究4压缩试验zz变形量小、摩擦问题变形量小、摩擦问题五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究4循环拉压试验¾¾YoushidaYoushida等等五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究¾¾试验结果试验结果五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究4循环拉压试验¾¾BogerBoger等等五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究44循环拉-压试验¾¾20092009年，年，JianJianCaoCao五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究¾¾试验结果试验结果五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究包辛格效应的试验研究zz虽然可以获得拉虽然可以获得拉--压状态下的应力应变关系。由于摩擦的存压状态下的应力应变关系。由于摩擦的存在以及板料受到侧向压力的作用，难免会对试验结果产生在以及板料受到侧向压力的作用，难免会对试验结果产生一定的影响。因此，在进行这类试验时，必须对这些因素一定的影响。因此，在进行这类试验时，必须对这些因素加以考虑，以得到更加精确的应力应变关系。加以考虑，以得到更加精确的应力应变关系。五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究5.7十字试件的双向拉伸试验zz采用十字形试件进行双向拉伸试验是目前研究复杂加载应采用十字形试件进行双向拉伸试验是目前研究复杂加载应变路径的热点，因为该方法可通过改变两轴的载荷比或位变路径的热点，因为该方法可通过改变两轴的载荷比或位移比，使中心区得到不同的应力与应变状态。移比，使中心区得到不同的应力与应变状态。zz国内北航国内北航704704教研室首先开展这方面的研究。教研室首先开展这方面的研究。zz主要问题是：主要问题是：¾¾十字形拉伸试件优化设计与制备，以解决试件中心区受十字形拉伸试件优化设计与制备，以解决试件中心区受力不均、不能实现大变形等问题；力不均、不能实现大变形等问题；¾¾具备实现均匀、连续、平稳面内双向拉伸加载试验设备具备实现均匀、连续、平稳面内双向拉伸加载试验设备及加载方式与过程的测控系统，实现不同加载路径问及加载方式与过程的测控系统，实现不同加载路径问题；题；¾¾应力、应变的测量与计算方法，尤其是试件中心测量区应力、应变的测量与计算方法，尤其是试件中心测量区应力与应变的确定问题。应力与应变的确定问题。五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究4试件形状分析zz臂上开缝型臂上开缝型zz臂上开缝中心区减薄型臂上开缝中心区减薄型zz圆角型圆角型zz十字臂为夹层型十字臂为夹层型zz十字臂为锥形十字臂为锥形zz十字臂为锥形并开缝，中心区减薄型十字臂为锥形并开缝，中心区减薄型zz斜十字型斜十字型五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究4吴向东等的研究zz建立了双向拉伸试验控制系统建立了双向拉伸试验控制系统zz在十字形试件几何参数优化的基础上，利用有限元软件模在十字形试件几何参数优化的基础上，利用有限元软件模拟分析加载路径对试件中心区受力及变形的影响规律拟分析加载路径对试件中心区受力及变形的影响规律zz十字形试件设计十字形试件设计————臂上开缝型臂上开缝型五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究5¾¾试验结果试验结果¾¾HosfordHosford和和Barlat89Barlat89各向异性屈服准则的理论轨迹与实验各向异性屈服准则的理论轨迹与实验结果最为接近。结果最为接近。五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究4韩非等的研究zz对臂上开缝且中心区减薄的十字形试件的几何参数进行优对臂上开缝且中心区减薄的十字形试件的几何参数进行优化，利用有限元软件模拟分析加载路径对试件中心区受力化，利用有限元软件模拟分析加载路径对试件中心区受力及变形的影响规律。及变形的影响规律。zz由于中心区减薄，能够达到的变形量增大。由于中心区减薄，能够达到的变形量增大。36019811条缝缝宽为激光切割最小宽度所有激光导入点均为外侧轧制方向360969698均布8×12R12R6中心减薄区五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究¾¾试验结果试验结果¾¾HillHill’’9090和和BarlatBarlat’’8989屈服准则理论后继屈服轨迹与实验屈服准则理论后继屈服轨迹与实验结果最为接近。结果最为接近。五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究4王海波等的研究zz对臂上开缝的十字形试件进行了变路径的双向拉伸试验对臂上开缝的十字形试件进行了变路径的双向拉伸试验zz基于基于Yld2000Yld2000--2d2d屈服准则和屈服准则和LL--CC强化模型的混合强化方式强化模型的混合强化方式与试验结果吻合较好与试验结果吻合较好五、五、塑性变形行为实验研究塑性变形行为实验研究小结zz回顾了板料后继屈服强化行为的试验研究状况，总结回顾了板料后继屈服强化行为的试验研究状况，总结了试验研究中已经取得的一些重要成果。对十字形试了试验研究中已经取得的一些重要成果。对十字形试件的双向拉伸试验和包辛格效