鎂合金板材非對稱硬化變形行為的細(xì)觀本構(gòu)模型及應(yīng)用項目摘要

鎂合金板材在加卸載復(fù)雜變形路徑下表現(xiàn)出特殊的非對稱硬化特性，建立反映其非對稱硬化特征的本構(gòu)模型對于精確模擬鎂板沖壓成形與回彈至關(guān)重要。本項目以AZ31板材為研究對象，基于細(xì)觀塑性力學(xué)理論，采用理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬與變形實驗相結(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算方法，將鎂板非對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算，并通過實驗進(jìn)行驗證；利用所建立的模型，研究板材不同織構(gòu)特性對成形回彈過程中加卸載變形行為的影響規(guī)律。本項目研究對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值；對于準(zhǔn)確預(yù)測鎂板回彈、發(fā)展鎂板塑性成形工藝具有良好的社會意義和經(jīng)濟(jì)前景。

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)出特殊的非對稱硬化特性，因此建立反映其非對稱硬化特征的本構(gòu)模型對于精確模擬鎂板沖壓成形與回彈至關(guān)重要。本項目以AZ31B鎂合金板材為研究對象，主要研究內(nèi)容有：(1) 實驗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，包括拉壓不對稱性及非對稱硬化行為。重點研究了鎂板的面內(nèi)各向異性及對沖壓性能的影響，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算方法，將鎂板非對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算，U形彎曲回彈角度誤差在2%左右。

通過系統(tǒng)的細(xì)宏觀實驗研究，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)研究的熱點和難點問題，研究成果將是對泡沫金屬這一細(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，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)計以及安全性和壽命評估中，對于促進(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)用價值。

針對金屬泡沫循環(huán)變形行為實驗研究和本構(gòu)描述方面的不足，通過系統(tǒng)的實驗研究，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；基于實驗揭示的規(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，引入相對密度來反映位孔洞結(jié)構(gòu)對變形行為的影響，建立一個基于變形機(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、孔的分布對泡沫鋁力學(xué)性能的影響。還對泡沫鋁夾芯板的三點彎行為進(jìn)行了有限元模擬，對泡沫鋁拉壓彈性模量差異對夾芯板變形行為的影響和粘合夾芯板在三點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，對于促進(jìn)泡沫金屬結(jié)構(gòu)件的設(shè)計和應(yīng)用具有重要意義。