鎂合金板材非對(duì)稱硬化變形行為的細(xì)觀本構(gòu)模型及應(yīng)用結(jié)題摘要

鎂合金作為工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，是輕量化選材的重要目標(biāo)。但是鎂合金板材常溫沖壓成形后回彈較大，嚴(yán)重影響了沖壓零件精度，必須精確預(yù)測(cè)并在成形中加以控制。板材沖壓回彈過程包含非線性接觸、大變形和彈塑性等多種復(fù)雜現(xiàn)象，以及加載、卸載、反向加載等變應(yīng)變路徑。鎂板在加卸載復(fù)雜路徑下表現(xiàn)出特殊的非對(duì)稱硬化特性，因此建立反映其非對(duì)稱硬化特征的本構(gòu)模型對(duì)于精確模擬鎂板沖壓成形與回彈至關(guān)重要。本項(xiàng)目以AZ31B鎂合金板材為研究對(duì)象，主要研究內(nèi)容有：(1) 實(shí)驗(yàn)研究了單一路徑下鎂板的力學(xué)性能及織構(gòu)演變，以及加載-卸載-反向加載路徑下鎂板的力學(xué)行為，包括拉壓不對(duì)稱性及非對(duì)稱硬化行為。重點(diǎn)研究了鎂板的面內(nèi)各向異性及對(duì)沖壓性能的影響，為提高沖壓性能提供軋制工藝優(yōu)化方案。(2) 基于細(xì)觀塑性力學(xué)理論，研究了滑移、孿生、反孿生等微觀變形機(jī)制及相互作用，建立了耦合滑移、孿生和反孿生的多晶體塑性本構(gòu)模型，能夠反映變應(yīng)變路徑下的非對(duì)稱硬化行為。(3) 研究了多晶體均勻化方法，建立了彈-粘塑性本構(gòu)模型，該模型能夠反映彈-塑性階段力學(xué)行為。(4) 研究了宏微觀耦合計(jì)算方法，將鎂板非對(duì)稱硬化晶體塑性模型引入大變形彈塑性有限元框架，準(zhǔn)確模擬了鎂板加載-卸載-反向加載變形過程，應(yīng)用于鎂板成形與回彈的計(jì)算，U形彎曲回彈角度誤差在2%左右。

鎂合金板材在加卸載復(fù)雜變形路徑下表現(xiàn)出特殊的非對(duì)稱硬化特性，建立反映其非對(duì)稱硬化特征的本構(gòu)模型對(duì)于精確模擬鎂板沖壓成形與回彈至關(guān)重要。本項(xiàng)目以AZ31板材為研究對(duì)象，基于細(xì)觀塑性力學(xué)理論，采用理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬與變形實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究鎂板在加卸載變形路徑下滑移-反向滑移、孿生-反孿生等微觀變形機(jī)制及相互作用，建立能夠描述鎂板非對(duì)稱硬化行為微觀本質(zhì)的晶體塑性本構(gòu)模型；研究多晶體均勻化與宏微觀耦合計(jì)算方法，將鎂板非對(duì)稱硬化晶體塑性模型引入大變形彈塑性有限元框架，準(zhǔn)確模擬鎂板加載-卸載-反向加載變形過程，應(yīng)用于鎂板成形與回彈的計(jì)算，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證；利用所建立的模型，研究板材不同織構(gòu)特性對(duì)成形回彈過程中加卸載變形行為的影響規(guī)律。本項(xiàng)目研究對(duì)于揭示鎂合金板材的變形機(jī)制、發(fā)展鎂合金塑性變形理論具有重要的理論價(jià)值；對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鎂板回彈、發(fā)展鎂板塑性成形工藝具有良好的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)前景。

通過系統(tǒng)的細(xì)宏觀實(shí)驗(yàn)研究，了解泡沫鋁材料及其夾芯板復(fù)合結(jié)構(gòu)的循環(huán)變形行為特征，觀察泡沫鋁材料在循環(huán)變形過程中的孔洞微結(jié)構(gòu)演化情況，揭示泡沫鋁金屬循環(huán)變形行為的規(guī)律和循環(huán)變形的細(xì)觀機(jī)理；通過細(xì)觀有限元分析，研究微結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)泡沫鋁宏觀力學(xué)響應(yīng)的影響；基于細(xì)觀機(jī)理，在唯象粘塑性本構(gòu)框架下，提出新的泡沫鋁循環(huán)本構(gòu)關(guān)系；結(jié)合泡沫鋁循環(huán)本構(gòu)關(guān)系和面板材料循環(huán)本構(gòu)關(guān)系，利用有限元軟件對(duì)泡沫鋁夾芯板的循環(huán)變形行為進(jìn)行數(shù)值模擬和分析。該研究針對(duì)泡沫金屬及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題這一固體力學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，研究成果將是對(duì)泡沫金屬這一細(xì)觀非均勻材料本構(gòu)關(guān)系的重要突破，具有重要的理論意義；同時(shí)，研究成果可用于循環(huán)加載條件下泡沫鋁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及安全性和壽命評(píng)估中，對(duì)于促進(jìn)泡沫鋁在輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)中的工程應(yīng)用，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

針對(duì)金屬泡沫循環(huán)變形行為實(shí)驗(yàn)研究和本構(gòu)描述方面的不足，通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，了解材循環(huán)過程中的變形行為特征和演化規(guī)律，并討論加載應(yīng)力、孔隙率和孔洞結(jié)構(gòu)的影響，揭示其循環(huán)變形變形的內(nèi)在機(jī)理；基于實(shí)驗(yàn)揭示的規(guī)律，在多機(jī)制本構(gòu)模型的框架下，將塑形變形分為基體材料變形和孔洞結(jié)構(gòu)變形兩部分，引入相對(duì)密度來反映位孔洞結(jié)構(gòu)對(duì)變形行為的影響，建立一個(gè)基于變形機(jī)理的循環(huán)本構(gòu)模型；基于周期性邊界條件，對(duì)泡沫鋁壓縮行為進(jìn)行有限元模擬，討論了孔隙率、孔的形狀、孔的分布對(duì)泡沫鋁力學(xué)性能的影響。還對(duì)泡沫鋁夾芯板的三點(diǎn)彎行為進(jìn)行了有限元模擬，對(duì)泡沫鋁拉壓彈性模量差異對(duì)夾芯板變形行為的影響和粘合夾芯板在三點(diǎn)彎加載下的脫粘破壞行為進(jìn)行了模擬和討論。研究成果將完善泡沫金屬材料的力學(xué)性能研究，對(duì)于促進(jìn)泡沫金屬結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要意義。