CN109870357B - 一种确定高强铝合金板材成形极限的方法 - Google Patents
一种确定高强铝合金板材成形极限的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109870357B CN109870357B CN201910158415.4A CN201910158415A CN109870357B CN 109870357 B CN109870357 B CN 109870357B CN 201910158415 A CN201910158415 A CN 201910158415A CN 109870357 B CN109870357 B CN 109870357B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- aluminum alloy
- strength aluminum
- fracture
- alloy plate
- stress
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 154
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 54
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 57
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 33
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 24
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 20
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000012216 screening Methods 0.000 claims description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 26
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- 229910001008 7075 aluminium alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 2
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 2
- 238000004154 testing of material Methods 0.000 description 2
- 238000009763 wire-cut EDM Methods 0.000 description 2
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001174 ascending effect Effects 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 238000013441 quality evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
本发明公开一种确定高强铝合金板材成形极限的方法。包括：制备多个高强铝合金板材试样；对试样进行拉伸试验，获得每个试样的拉力位移曲线、弹性模量和幂函数硬化模型参数；采用有限元软件对拉伸过程进行仿真；根据拉力位移曲线和仿真结果，确定每个试样的应力三轴度变化数据和Lode参数变化数据；采用Lou‑Huh韧性断裂准则解析表达式求解，得到多组断裂参数值；确定每组断裂参数值对每个试样的预测误差；根据预测误差小于设定阈值的多组断裂参数值，采用主应变空间函数在主应变空间内计算得到高强铝合金板材的成形极限图。本发明在择优选取的基础上应用韧性断裂准则获取多条成形极限曲线形成断裂判定带状区域，判定结果更加可靠。
Description
技术领域
本发明涉及板材形变分析领域，特别是涉及一种确定高强铝合金板材成形极限的方法。
背景技术
随着汽车工业轻量化的持续发展，具有低密度及高强度等优势的高强铝合金板材被广泛应用于汽车生产制造。然而，高强铝合金板材塑性低、成形性能差，改善这类材料的成形性能是一个需要解决的问题，同时，准确地预测该类材料的成形极限同样是一个需要解决的重要问题。
成形极限图可以预测和判定金属板材成形过程中的破裂现象，是分析板料成形性能的重要工具。成形极限图的获取通常有试验方法和理论方法。试验方法通过大量的板材试件胀形试验，在不同应变路径条件下获得材料变形的极限应变数据点，将这些数据点绘制在以第一主应变为纵坐标、第二主应变为横坐标的坐标系内，然后连线形成金属板材成形极限曲线。理论方法通过建立可靠的数学模型预测板材塑性变形的极限，从而得到金属板材的成形极限图。对于塑性较好的普通钢板，拉伸断裂前有明显的颈缩现象，建立成形极限图的理论是基于经典弹塑性力学的拉伸失稳理论，比如Swift拉伸失稳理论、Hill拉伸失稳理论、MK模型及其修正模型。然而，高强铝合金板材的拉伸断裂行为异于普通钢板，断裂前没有明显的颈缩现象发生。因此，基于拉伸失稳理论建立该类材料的成形极限图失去了理论依据和有效性。与传统拉伸失稳模型不同，韧性断裂准则是基于显微空洞形核、长大和聚集的微观断裂机理建立起来的判定准则，因此具有理论优越性和普遍适用性。本发明要解决的问题便是使用韧性断裂准则，解决高强铝合金板材成形极限的建立问题。
韧性断裂准则自上世纪60年代出现至今，陆续有不同的学者提出了不同的模型，概括起来可以表述为：与应力状态相关的某一变量随塑性应变累积到一定程度时则韧性断裂发生，其数学表达式可以提炼如下：
早期建立起来的韧性断裂准则考虑的应力状态影响因子较为简单，其适用的应力状态较少，准确性也相对较低。随着准则的不断发展与改进，新的准则能够兼容的应力状态范围越来越广，准确性也在不断提高。本发明应用近些年新提出的Lou-Huh韧性断裂准则，并依据自行建立的断裂参数确定方案和断裂参数误差分析方法，绘制高强铝合金板材的成形极限图。
Lou-Huh准则的表达式有积分表达式(式(2))和解析表达式(式(3))两种形式，式中L为Lode参数，L＝(σ2-σ1-σ3)/(σ1-σ3)；η为应力三轴度，η＝σm/σeq；
为断裂应变；C1、C2、C3为材料断裂参数。在应用该准则之前，有效准确地确定准则中的断裂参数C1、C2、C3是必要前提。确定断裂参数常用的方法是解方程组法，首先设计至少三种不同形状的缺口拉伸试样进行拉伸试验，然后通过试验结合有限元模拟的方法获得每个试样的Lode参数、应力三轴度和断裂应变的数值，最后选取三组数据带入解析表达式组成方程组求解断裂参数。这个过程存在的问题有二，其一，缺口试样的应力三轴度和Lode参数在试样拉伸过程中是变化的，因此，解方程组时常采用平均应力三轴度ηave和平均Lode参数Lave(数学表达式见式(4))来代替解析表达式中的η和L。积分表达式和解析表达式等价的条件是：应力三轴度和Lode参数随塑性应变的改变而保持不变，那么采用平均应力三轴度和平均Lode参数来进行断裂参数的求解必然会带来误差。其二，现有研究给出的缺口试样有很多种，如何选取试样来进行断裂参数的求解并没有清晰的答案。基于此，本发明设计多种缺口试样的拉伸试验，通过误差分析来确定试样的选取方案，最终确定高强铝板的成形极限图。
发明内容
本发明的目的是提供一种确定高强铝合金板材成形极限的方法，对获取断裂参数的试验方案的选择作出了优劣评价，在择优选取的基础上应用韧性断裂准则获取多条成形极限曲线形成断裂判定带状区域，比单条成形极限曲线的判定结果更加可靠。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种确定高强铝合金板材成形极限的方法，包括：
制备多个高强铝合金板材试样；多个所述高强铝合金板材试样包括单向拉伸试样、剪切缺口试样、圆弧缺口试样和三角缺口试样；
对多个高强铝合金板材试样进行拉伸试验，获得每个高强铝合金板材试样的拉力位移曲线、高强铝合金板材的弹性模量和幂函数硬化模型参数；
采用有限元软件根据所述高强铝合金板材的弹性模量和幂函数硬化模型参数，对每个高强铝合金板材试样的拉伸过程进行仿真；
根据每个高强铝合金板材试样的拉力位移曲线和仿真结果，确定每个高强铝合金板材试样的应力三轴度变化数据和Lode参数变化数据；
根据每个高强铝合金板材试样的应力三轴度变化数据和Lode参数变化数据，采用Lou-Huh韧性断裂准则解析表达式求解，得到多组断裂参数值；
确定每组断裂参数值对每个高强铝合金板材试样的预测误差；
根据预测误差小于设定阈值的多组断裂参数值，采用主应变空间函数在主应变空间内计算得到每组断裂参数值对应的成形极限曲线，多条成形极限曲线构成高强铝合金板材的成形极限图。
可选的，所述对多个高强铝合金板材试样进行拉伸试验，获得每个高强铝合金板材试样的拉力位移曲线、高强铝合金板材的弹性模量和幂函数硬化模型参数，具体包括：
对每个高强铝合金板材试样进行拉伸试验，直至所述高强铝合金板材试样拉断，获得每个高强铝合金板材试样的拉力位移曲线和单向拉伸试样的工程应力应变曲线；
根据所述单向拉伸试样的工程应力应变曲线计算高强铝合金板材的弹性模量和真实应力应变曲线；
根据所述真实应力应变曲线确定幂函数硬化模型参数，所述幂函数硬化模型参数包括强度系数和硬化指数。
可选的，所述根据每个高强铝合金板材试样的拉力位移曲线和仿真结果，确定每个高强铝合金板材试样的应力三轴度变化数据和Lode参数变化数据，具体包括：
对于每个高强铝合金板材试样，根据所述高强铝合金板材试样的拉力位移曲线确定对应高强铝合金板材试样的断裂起始位移；
根据约束条件提取所述高强铝合金板材试样的断裂应变；所述约束条件为高强铝合金板材试样中心位置为仿真结果中的断裂起始位置、仿真结果中与断裂起始位移对应的时刻为断裂起始时刻、所述断裂起始位置在断裂起始时刻的等效塑性应变为断裂应变；
获取仿真结果中所述断裂起始位置的多组应力参数；所述断裂起始位置的等效塑性应变从0增长至断裂应变过程中，每个等效塑性应变对应一组应力参数，每组应力参数包括三个主应力和一个等效应力；
根据公式η＝(σ1+σ2+σ3)/(3σeq)确定每个等效塑性应变对应的应力三轴度η；σ1、σ2、σ3为等效塑性应变对应的三个主应力，σeq为等效塑性应变对应的等效应力；
获得应力三轴度随等效塑性应变的变化曲线，得到所述高强铝合金板材试样的应力三轴度变化数据；
根据公式L＝(σ2-σ1-σ3)/(σ1-σ3)确定每个等效塑性应变对应的Lode参数L；
获得Lode参数随等效塑性应变的变化曲线，得到所述高强铝合金板材试样的应力三轴度变化数据；
依次获得每个高强铝合金板材试样的应力三轴度变化数据和Lode参数变化数据。
可选的，所述根据每个高强铝合金板材试样的应力三轴度变化数据和Lode参数变化数据，采用Lou-Huh韧性断裂准则解析表达式求解，得到多组断裂参数值，具体包括：
采用拟合函数分别拟合每个高强铝合金板材试样的应力三轴度变化数据和Lode参数变化数据，得到拟合函数中的拟合系数；所述拟合函数为
其中，
为应力三轴度变化函数，a0、a1、a2…ai为应力三轴度变化函数的拟合系数，
为Lode参数变化函数，b0、b1、b2…bi为Lode参数变化函数的拟合系数；
采用函数
确定每个高强铝合金板材试样的平均应力三轴度ηave和平均Lode参数Lave；其中，
为高强铝合金板材试样的等效塑性应变，
为高强铝合金板材试样的断裂应变；
根据所有高强铝合金板材试样的平均应力三轴度ηave、平均Lode参数Lave和断裂应变，采用Lou-Huh韧性断裂准则解析表达式求解，得到多组断裂参数值；任意三个高强铝合金板材试样的平均应力三轴度ηave、平均Lode参数Lave和断裂应变带入Lou-Huh韧性断裂准则解析表达式，采用数值求解法计算得到一组断裂参数值。
可选的，所述确定每组断裂参数值对每个高强铝合金板材试样的预测误差，具体包括：
采用公式
获得每组断裂参数值对每个高强铝合金板材试样的积分式损伤值Cint和解析式损伤值Cana，其中，
为高强铝合金板材试样的等效塑性应变，
为高强铝合金板材试样的断裂应变，
为应力三轴度变化函数，
为Lode参数变化函数，ηave为所有高强铝合金板材试样的平均应力三轴度，Lave为所有高强铝合金板材试样的平均Lode参数，C1、C2、C3为一组断裂参数值；
采用公式
计算每组断裂参数值对每个高强铝合金板材试样的预测误差δ。
可选的，所述根据预测误差小于设定阈值的多组断裂参数值，采用主应变空间函数在主应变空间内计算得到每组断裂参数值对应的成形极限曲线，具体包括：
计算每组断裂参数值的预测误差均值；所述预测误差均值为所述断裂参数值对应的所有的高强铝合金板材试样的预测误差的平均值；
筛选预测误差均值小于设定阈值且任意两个预测误差均值之间的差值小于设定差值的多组断裂参数值；
将每组断裂参数值代入主应变空间函数在主应变空间内计算，获得所述断裂参数值对应的成形极限曲线。
可选的，所述主应变空间函数为：
其中，α为应力比，β为应变比，C1、C2、C3为一组断裂参数值，ε1为第一主应变，ε2为第二主应变。
可选的，所述高强铝合金板材的成形极限图中，多条成形极限曲线构成的带状区域为破裂判定危险区，所述带状区域之上的区域为破裂判定破裂区，所述带状区域之下的区域为破裂判定安全区。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
与半球形刚性凸模胀形获取成形极限的试验方法相比，本发明通过几种试样的简单拉伸试验，结合有限元分析方法、应用韧性断裂准则进行计算可以获得高强铝合板材的成形极限图，避免了网格印制和胀形试验过程，既节约了试验成本，也降低了试验过程的繁杂性。
与基于传统拉伸失稳理论相获取板材成形极限曲线的方法相比，本发明应用韧性断裂准则获取成形极限曲线，具有更可靠的理论依据，对于断裂失稳现象与普通钢板有明显区别的高强铝合金板材来讲，本发明具有更强的适用性。
与现有获取断裂参数的方法相比，本发明提出了误差评估方案，对获取断裂参数的试验方案的选择作出了优劣评价，在择优选取的基础上应用韧性断裂准则获取多条成形极限曲线形成断裂判定带状区域，比单条成形极限曲线的判定结果更加可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明确定高强铝合金板材成形极限的方法的流程示意图；
图2为本发明具体实施案例的流程示意图；
图3为本发明具体实施案例的单向拉伸试样；
图4为本发明具体实施案例的剪切缺口试样1；
图5为本发明具体实施案例的剪切缺口试样2；
图6为本发明具体实施案例的圆弧缺口试样1；
图7为本发明具体实施案例的圆弧缺口试样2；
图8为本发明具体实施案例的三角缺口试样1；
图9为本发明具体实施案例的三角缺口试样2；
图10为本发明具体实施案例的幂函数硬化模型拟合曲线；
图11为本发明具体实施案例的拉力位移曲线；
图12为本发明具体实施案例的应力三轴度变化数据图；
图13为本发明具体实施案例的Lode参数变化数据图；
图14为本发明具体实施案例得到的成形极限图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明确定高强铝合金板材成形极限的方法的流程示意图。如图1所示，所述方法包括以下步骤：
步骤100：制备多个高强铝合金板材试样。多个所述高强铝合金板材试样包括单向拉伸试样、剪切缺口试样、圆弧缺口试样和三角缺口试样。单向拉伸试样的形状和尺寸可依据GB/T 228.1-2010设计；其余三类试件的缺口形状满足剪切缺口、圆弧缺口和三角缺口即可，具体切口的尺寸(包括剪切缺口试样两个缺口之间的水平距离，圆弧缺口的缺口半径，剪切缺口的缺口开角等)根据实际情况制备即可。试样制备时拉伸方向沿板材轧制方向进行切取，保证加工误差小且保持一致，试件表面不应有划伤和豁口，推荐使用电火花线切割进行加工。
步骤200：对多个高强铝合金板材试样进行拉伸试验，获得每个高强铝合金板材试样的拉力位移曲线、高强铝合金板材的弹性模量和幂函数硬化模型参数。具体过程如下：
对每个高强铝合金板材试样在万能材料试验机上进行拉伸试验，直至高强铝合金板材试样拉断，获得每个高强铝合金板材试样的拉力位移曲线和单向拉伸试样的工程应力应变曲线；
根据所述单向拉伸试样的工程应力应变曲线计算高强铝合金板材的弹性模量和真实应力应变曲线；
根据所述真实应力应变曲线确定幂函数硬化模型参数，所述幂函数硬化模型参数包括强度系数K和硬化指数n，幂函数硬化模型为
步骤300：采用有限元软件根据所述高强铝合金板材的弹性模量和幂函数硬化模型参数，对每个高强铝合金板材试样的拉伸过程进行仿真。仿真模拟中，材料力学模型选用弹塑性硬化模型，模型参数分别依据弹性模量E和幂函数硬化模型设定。
步骤400：根据每个高强铝合金板材试样的拉力位移曲线和仿真结果，确定每个高强铝合金板材试样的应力三轴度变化数据和Lode参数变化数据。模拟完成后，分别在仿真模拟结果中提取每个试样的应力三轴度变化数据、Lode参数变化数据和断裂应变。具体过程如下：
对于每个高强铝合金板材试样，根据所述高强铝合金板材试样的拉力位移曲线确定对应高强铝合金板材试样的断裂起始位移；
根据约束条件提取所述高强铝合金板材试样的断裂应变；所述约束条件为高强铝合金板材试样中心位置为仿真结果中的断裂起始位置、仿真结果中与断裂起始位移对应的时刻为断裂起始时刻、所述断裂起始位置在断裂起始时刻的等效塑性应变为断裂应变；
获取仿真结果中所述断裂起始位置的多组应力参数；所述断裂起始位置的等效塑性应变从0增长至断裂应变过程中，每个等效塑性应变对应一组应力参数，每组应力参数包括三个主应力和一个等效应力；
根据公式η＝(σ1+σ2+σ3)/(3σeq)确定每个等效塑性应变对应的应力三轴度η；σ1、σ2、σ3为等效塑性应变对应的三个主应力，σeq为等效塑性应变对应的等效应力；
获得应力三轴度随等效塑性应变的变化曲线，得到所述高强铝合金板材试样的应力三轴度变化数据；
根据公式L＝(σ2-σ1-σ3)/(σ1-σ3)确定每个等效塑性应变对应的Lode参数L；
获得Lode参数随等效塑性应变的变化曲线，得到所述高强铝合金板材试样的应力三轴度变化数据；
依次获得每个高强铝合金板材试样的应力三轴度变化数据和Lode参数变化数据。
步骤500：根据每个高强铝合金板材试样的应力三轴度变化数据和Lode参数变化数据，采用Lou-Huh韧性断裂准则解析表达式求解，得到多组断裂参数值。具体过程如下：
采用拟合函数分别拟合每个高强铝合金板材试样的应力三轴度变化数据和Lode参数变化数据，得到拟合函数中的拟合系数；所述拟合函数为
其中，
为应力三轴度变化函数，a0、a1、a2…ai为应力三轴度变化函数的拟合系数，
为Lode参数变化函数，b0、b1、b2…bi为Lode参数变化函数的拟合系数，应力三轴度变化函数和Lode参数变化函数均为i项式。
采用函数
确定每个高强铝合金板材试样的平均应力三轴度ηave和平均Lode参数Lave；其中，
为高强铝合金板材试样的等效塑性应变，
为高强铝合金板材试样的断裂应变；
根据所有高强铝合金板材试样的平均应力三轴度ηave、平均Lode参数Lave和断裂应变，采用Lou-Huh韧性断裂准则解析表达式求解，得到多组断裂参数值；任意三个高强铝合金板材试样的平均应力三轴度ηave、平均Lode参数Lave和断裂应变带入Lou-Huh韧性断裂准则解析表达式，采用数值求解法计算得到一组断裂参数值。
步骤600：确定每组断裂参数值对每个高强铝合金板材试样的预测误差。
具体过程如下：
采用公式
获得每组断裂参数值对每个高强铝合金板材试样的积分式损伤值Cint和解析式损伤值Cana，其中，
为高强铝合金板材试样的等效塑性应变，
为高强铝合金板材试样的断裂应变，
为应力三轴度变化函数，
为Lode参数变化函数，ηave为所有高强铝合金板材试样的平均应力三轴度，Lave为所有高强铝合金板材试样的平均Lode参数，C1、C2、C3为一组断裂参数值；
采用公式
计算每组断裂参数值对每个高强铝合金板材试样的预测误差δ。
步骤700：根据预测误差小于设定阈值的多组断裂参数值，采用主应变空间函数在主应变空间内计算得到每组断裂参数值对应的成形极限曲线，多条成形极限曲线构成高强铝合金板材的成形极限图。具体过程如下：
计算每组断裂参数值的预测误差均值；所述预测误差均值为所述断裂参数值对应的所有的高强铝合金板材试样的预测误差的平均值；
筛选预测误差均值小于设定阈值且任意两个预测误差均值之间的差值小于设定差值的多组断裂参数值；
将每组断裂参数值代入主应变空间函数在主应变空间内计算，获得所述断裂参数值对应的成形极限曲线。其中，主应变空间函数为：
其中，α为应力比，β为应变比，C1、C2、C3为一组断裂参数值，ε1为第一主应变，ε2为第二主应变。
通过上述计算将得到若干条成形极限曲线，这些曲线相互交错，在主应变空间内形成一个带状区域。该带状区域为破裂判定危险区，危险区之上为破裂判定破裂区，危险区之下为破裂判定安全区，从而形成高强铝合金板材的成形极限图。
本发明具有以下效果：
通过缺口试样的拉伸试验获取求解断裂参数的方法在现有文献有已有报道，但是在参数求解中出现的误差尚未有人分析。本发明通过提出的误差评估方法，对不同缺口试样组合方案求取断裂参数时产生的误差进行评估，并以此为依据对缺口试样进行优化选择；通过对几组合理的试件组合方案求解断裂参数C1、C2、C3，得到同等数量的断裂成形极限曲线，以这些曲线在主应变空间内形成的带状区域作为破裂判定临界区，这一做法与单一成形极限曲线相比具有更高的可靠性。
下面结合一个具体实施案例进一步说明本发明的方案。图2为本发明具体实施案例的流程示意图。如图2所示，本实施案例包括以下步骤：
1.使用电火花线切割设备制备四类(7个)7075铝合金板材拉伸试样：单向拉伸试样(1个)、剪切缺口试样(2个)、圆弧缺口试样(2个)和三角缺口试样(2个)。7个试件的形状和尺寸如图3-图9所示，图3为本发明具体实施案例的单向拉伸试样，图4为本发明具体实施案例的剪切缺口试样1，图5为本发明具体实施案例的剪切缺口试样2，图6为本发明具体实施案例的圆弧缺口试样1，图7为本发明具体实施案例的圆弧缺口试样2，图8为本发明具体实施案例的三角缺口试样1，图9为本发明具体实施案例的三角缺口试样2。试样制备时拉伸方向沿板材轧制方向进行切取，保证较小的、一致的加工误差，试件表面不应有划伤和豁口。
2.在万能材料试验机上进行7个试样的单向拉伸试验，拉伸过程直至试样拉断。记录单向拉伸试样的工程应力应变曲线，记录每个试样的拉力位移曲线。
3.利用工程应力应变曲线计算弹性模量E和真实应力应变曲线，并用真实应力应变曲线拟合幂函数硬化模型
中的K值和n值(K为强度系数、n为硬化指数)。在每条拉力位移曲线上寻找最大拉力点，记录最大拉力点对应的位移为断裂起始位移。幂函数硬化拟合模型、拉力位移曲线、断裂起始位移分别如图10和图11所示，图10为本发明具体实施案例的幂函数硬化模型拟合曲线，图11为本发明具体实施案例的拉力位移曲线。
4.使用有限元软件对每个试样的拉伸过程进行仿真模拟。模拟中，材料力学模型选用弹塑性硬化模型，模型参数分别依据弹性模量E和幂函数硬化模型设定。模拟完成后，分别在模拟结果中提取每个试样的应力三轴度变化数据、Lode参数变化数据和断裂应变。提取方法如下：
首先，将每个试样中心位置确定为断裂起始位置，模拟中与断裂起始位移相对应的时刻确定为断裂起始时刻，提取断裂起始位置在断裂起始时刻的等效塑性应变为断裂应变
然后，在等效塑性应变
从0增长到
的过程中，分别提取断裂起始位置的三个主应力σ1、σ2、σ3和等效应力σeq，按照公式：
η＝(σ1+σ2+σ3)/(3σeq)
L＝(σ2-σ1-σ3)/(σ1-σ3)
分别计算应力三轴度η和Lode参数L随等效塑性应变
的变化曲线，如图12和图13所示，图12为本发明具体实施案例的应力三轴度变化数据图，图13为本发明具体实施案例的Lode参数变化数据图，这两条曲线便是应力三轴度变化数据和Lode参数变化数据。
5.用多项式函数(i项式)：
6.通过公式
分别计算7个试样的平均应力三轴度ηave和平均Lode参数Lave，
为高强铝合金板材试样的断裂应变。
7.从七个试样中任选三个，将其平均应力三轴度ηave、平均Lode参数Lave和断裂应变带入Lou-Huh韧性断裂准则解析表达式组成方程组：
使用数值解法解这个方程组，得到一组断裂参数C1、C2、C3的值。从7个试样中任选三个试样共有35种选择方案，分别对每种方案进行断裂参数的求解，得到35组断裂参数值。
8.通过求得的35组断裂参数值，使用公式
分别计算每个试样的积分式损伤值Cint和解析式损伤值Cana。
9.通过公式
分别计算每组断裂参数值对每一个试样的预测误差δ。
使用35组断裂参数值分别对7个试样中的每一个试样计算预测误差，一共可求得245个误差值。将这些误差值进行统计，分别求每组断裂参数值对7个试样预测误差的平均值，如表1所示。
表1断裂参数预测误差统计表
10.将第9步求得的数据表按预测误差均值升序排列，选出前面若干组误差均值较小且相差不多的断裂参数，或者可以按照设定阈值的方式进行筛选，此时需要设定阈值和误差阈值两个阈值，筛选出的多组断裂参数值中，每组断裂参数均值均小于设定阈值且任意两个预测误差均值之间的差值小于设定差值的。然后，将选出的断裂参数值C1、C2、C3带入下面两个公式在主应变空间(ε1-ε2)内计算成形极限曲线：
通过上述计算将得到若干条成形极限曲线，这些曲线相互交错，在主应变空间内形成一个带状区域，如图14所示，图14为本发明具体实施案例得到的成形极限图。以带状区域为破裂判定危险区，危险区之上为破裂判定破裂区，危险区之下为破裂判定安全区，从而形成7075铝合金板材的成形极限图。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种确定高强铝合金板材成形极限的方法，其特征在于，包括：
制备多个高强铝合金板材试样；多个所述高强铝合金板材试样包括单向拉伸试样、剪切缺口试样、圆弧缺口试样和三角缺口试样；
对多个高强铝合金板材试样进行拉伸试验，获得每个高强铝合金板材试样的拉力位移曲线、高强铝合金板材的弹性模量和幂函数硬化模型参数；
采用有限元软件根据所述高强铝合金板材的弹性模量和幂函数硬化模型参数，对每个高强铝合金板材试样的拉伸过程进行仿真；
根据每个高强铝合金板材试样的拉力位移曲线和仿真结果，确定每个高强铝合金板材试样的应力三轴度变化数据和Lode参数变化数据；
根据每个高强铝合金板材试样的应力三轴度变化数据和Lode参数变化数据，采用Lou-Huh韧性断裂准则解析表达式求解，得到多组断裂参数值；
确定每组断裂参数值对每个高强铝合金板材试样的预测误差；
根据预测误差小于设定阈值的多组断裂参数值，采用主应变空间函数在主应变空间内计算得到每组断裂参数值对应的成形极限曲线，多条成形极限曲线构成高强铝合金板材的成形极限图；所述主应变空间函数为：
其中，α为应力比，β为应变比，C1、C2、C3为一组断裂参数值，ε1为第一主应变，ε2为第二主应变。
2.根据权利要求1所述的确定高强铝合金板材成形极限的方法，其特征在于，所述对多个高强铝合金板材试样进行拉伸试验，获得每个高强铝合金板材试样的拉力位移曲线、高强铝合金板材的弹性模量和幂函数硬化模型参数，具体包括：
对每个高强铝合金板材试样进行拉伸试验，直至所述高强铝合金板材试样拉断，获得每个高强铝合金板材试样的拉力位移曲线和单向拉伸试样的工程应力应变曲线；
根据所述单向拉伸试样的工程应力应变曲线计算高强铝合金板材的弹性模量和真实应力应变曲线；
根据所述真实应力应变曲线确定幂函数硬化模型参数，所述幂函数硬化模型参数包括强度系数和硬化指数。
3.根据权利要求1所述的确定高强铝合金板材成形极限的方法，其特征在于，所述根据每个高强铝合金板材试样的拉力位移曲线和仿真结果，确定每个高强铝合金板材试样的应力三轴度变化数据和Lode参数变化数据，具体包括：
对于每个高强铝合金板材试样，根据所述高强铝合金板材试样的拉力位移曲线确定对应高强铝合金板材试样的断裂起始位移；
根据约束条件提取所述高强铝合金板材试样的断裂应变；所述约束条件为高强铝合金板材试样中心位置为仿真结果中的断裂起始位置、仿真结果中与断裂起始位移对应的时刻为断裂起始时刻、所述断裂起始位置在断裂起始时刻的等效塑性应变为断裂应变；
获取仿真结果中所述断裂起始位置的多组应力参数；所述断裂起始位置的等效塑性应变从0增长至断裂应变过程中，每个等效塑性应变对应一组应力参数，每组应力参数包括三个主应力和一个等效应力；
根据公式η＝(σ1+σ2+σ3)/(3σeq)确定每个等效塑性应变对应的应力三轴度η；σ1、σ2、σ3为等效塑性应变对应的三个主应力，σeq为等效塑性应变对应的等效应力；
获得应力三轴度随等效塑性应变的变化曲线，得到所述高强铝合金板材试样的应力三轴度变化数据；
根据公式L＝(σ2-σ1-σ3)/(σ1-σ3)确定每个等效塑性应变对应的Lode参数L；
获得Lode参数随等效塑性应变的变化曲线，得到所述高强铝合金板材试样的应力三轴度变化数据；
依次获得每个高强铝合金板材试样的应力三轴度变化数据和Lode参数变化数据。
4.根据权利要求3所述的确定高强铝合金板材成形极限的方法，其特征在于，所述根据每个高强铝合金板材试样的应力三轴度变化数据和Lode参数变化数据，采用Lou-Huh韧性断裂准则解析表达式求解，得到多组断裂参数值，具体包括：
采用拟合函数分别拟合每个高强铝合金板材试样的应力三轴度变化数据和Lode参数变化数据，得到拟合函数中的拟合系数；所述拟合函数为
其中，
为应力三轴度变化函数，a0、a1、a2…ai为应力三轴度变化函数的拟合系数，
为Lode参数变化函数，b0、b1、b2…bi为Lode参数变化函数的拟合系数；
采用函数
确定每个高强铝合金板材试样的平均应力三轴度ηave和平均Lode参数Lave；其中，
为高强铝合金板材试样的等效塑性应变，
为高强铝合金板材试样的断裂应变；
根据所有高强铝合金板材试样的平均应力三轴度ηave、平均Lode参数Lave和断裂应变，采用Lou-Huh韧性断裂准则解析表达式求解，得到多组断裂参数值；任意三个高强铝合金板材试样的平均应力三轴度ηave、平均Lode参数Lave和断裂应变带入Lou-Huh韧性断裂准则解析表达式，采用数值求解法计算得到一组断裂参数值。
5.根据权利要求1所述的确定高强铝合金板材成形极限的方法，其特征在于，所述确定每组断裂参数值对每个高强铝合金板材试样的预测误差，具体包括：
采用公式
获得每组断裂参数值对每个高强铝合金板材试样的积分式损伤值Cint和解析式损伤值Cana，其中，
为高强铝合金板材试样的等效塑性应变，
为高强铝合金板材试样的断裂应变，
为应力三轴度变化函数，
为Lode参数变化函数，ηave为所有高强铝合金板材试样的平均应力三轴度，Lave为所有高强铝合金板材试样的平均Lode参数，C1、C2、C3为一组断裂参数值；
采用公式
计算每组断裂参数值对每个高强铝合金板材试样的预测误差δ。
6.根据权利要求1所述的确定高强铝合金板材成形极限的方法，其特征在于，所述根据预测误差小于设定阈值的多组断裂参数值，采用主应变空间函数在主应变空间内计算得到每组断裂参数值对应的成形极限曲线，具体包括：
计算每组断裂参数值的预测误差均值；所述预测误差均值为所述断裂参数值对应的所有的高强铝合金板材试样的预测误差的平均值；
筛选预测误差均值小于设定阈值且任意两个预测误差均值之间的差值小于设定差值的多组断裂参数值；
将每组断裂参数值代入主应变空间函数在主应变空间内计算，获得所述断裂参数值对应的成形极限曲线。
7.根据权利要求1所述的确定高强铝合金板材成形极限的方法，其特征在于，所述高强铝合金板材的成形极限图中，多条成形极限曲线构成的带状区域为破裂判定危险区，所述带状区域之上的区域为破裂判定破裂区，所述带状区域之下的区域为破裂判定安全区。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910158415.4A CN109870357B (zh) | 2019-03-04 | 2019-03-04 | 一种确定高强铝合金板材成形极限的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910158415.4A CN109870357B (zh) | 2019-03-04 | 2019-03-04 | 一种确定高强铝合金板材成形极限的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109870357A CN109870357A (zh) | 2019-06-11 |
| CN109870357B true CN109870357B (zh) | 2020-11-03 |
Family
ID=66919627
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910158415.4A Active CN109870357B (zh) | 2019-03-04 | 2019-03-04 | 一种确定高强铝合金板材成形极限的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109870357B (zh) |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110376059B (zh) * | 2019-07-11 | 2021-11-19 | 上海理工大学 | 基于静强度的结构全场轻量化定量评价方法 |
| CN112926173B (zh) * | 2019-12-06 | 2024-03-01 | 上海梅山钢铁股份有限公司 | 一种热轧高强钢板成形极限图的计算方法 |
| CN113049371B (zh) * | 2019-12-26 | 2023-10-20 | 中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所 | 一种金属材料破坏强度测试方法 |
| CN111260184B (zh) * | 2020-01-08 | 2023-10-31 | 华瞬(深圳)智能装备有限公司 | 一种非线性应变路径下的成形极限应变图的应用方法 |
| CN111339703A (zh) * | 2020-02-27 | 2020-06-26 | 中国科学院金属研究所 | 大应变条件下材料硬化行为的虚拟预测方法 |
| CN111595697B (zh) * | 2020-04-10 | 2023-08-25 | 唐山钢铁集团有限责任公司 | 一种用于评判冲压时材料抗剪切成形能力的方法 |
| CN114004431A (zh) * | 2020-07-27 | 2022-02-01 | 阿里巴巴集团控股有限公司 | 参数确定方法、装置、设备和存储介质 |
| CN112446132B (zh) * | 2020-10-19 | 2024-05-28 | 中国石油天然气集团有限公司 | 一种材料全象限断裂成形极限图的绘制方法及其使用方法 |
| CN112611656B (zh) * | 2020-12-14 | 2024-03-08 | 中南大学 | 一种航空航天用铝合金低温延伸率的精确测量方法 |
| CN113297757B (zh) * | 2021-04-09 | 2023-09-19 | 中国铝业股份有限公司 | 铝合金板材电致塑性渐进成形破裂的预测方法及预测系统 |
| CN113111462B (zh) * | 2021-04-21 | 2022-06-07 | 中国第一汽车股份有限公司 | 一种差速器壳体极限承载能力预报方法 |
| CN114509341B (zh) * | 2022-02-23 | 2023-08-25 | 北京理工大学重庆创新中心 | 一种测量材料试样拉伸断裂试验过程中应力三轴度的方法 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4107428B2 (ja) * | 2003-09-12 | 2008-06-25 | バブコック日立株式会社 | 炭素鋼及び低合金鋼材料の硝酸塩応力腐食割れ損傷診断法 |
| CN102629288A (zh) * | 2012-03-01 | 2012-08-08 | 西北工业大学 | 基于有限元模拟的液-固挤压制件表面裂纹预测方法 |
| CN102661899A (zh) * | 2012-05-07 | 2012-09-12 | 同济大学 | 金属板材成形极限图的建立和使用方法 |
| CN102749253B (zh) * | 2012-07-10 | 2015-05-27 | 首钢总公司 | 板材高温成形极限图的测试系统及方法 |
| CN103398909A (zh) * | 2013-08-05 | 2013-11-20 | 大连理工大学 | 一种获取金属高温温热成形极限曲面图的方法及其测试装置 |
| CN106802256A (zh) * | 2016-12-26 | 2017-06-06 | 首钢总公司 | 一种构建金属薄板成形极限应力图的方法 |
| CN108760430B (zh) * | 2018-06-15 | 2020-01-10 | 燕山大学 | 一种钛合金板材热成形极限曲线的测定方法 |
-
2019
- 2019-03-04 CN CN201910158415.4A patent/CN109870357B/zh active Active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Prediction of ductile fracture for advanced high strength steel with a new criterion: Experiments and simulation;Yanshan Lou 等;《Journal of Materials Processing Technology》;20131231;1284-1302 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109870357A (zh) | 2019-06-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109870357B (zh) | 一种确定高强铝合金板材成形极限的方法 | |
| CN109870362B (zh) | 一种高强铝合金板材的断裂成形极限图建立方法及系统 | |
| Butuc et al. | An experimental and theoretical analysis on the application of stress-based forming limit criterion | |
| Socie et al. | A procedure for estimating the total fatigue life of notched and cracked members | |
| Banabic et al. | Modelling of the forming limit band–a new method to increase the robustness in the simulation of sheet metal forming processes | |
| CN102539315B (zh) | 一种快速准确确定金属塑性成形过程摩擦系数的方法 | |
| EP2772746B1 (en) | Component fracture evaluation device, component fracture evaluation method, and computer program | |
| Basak et al. | Numerical prediction of sheared edge profiles in sheet metal trimming using ductile fracture modeling | |
| CN106644711B (zh) | 一种延性材料单轴本构关系测试方法 | |
| CN106470776A (zh) | 拉伸翻边裂纹预测方法、拉伸翻边裂纹预测装置、计算机程序及记录介质 | |
| CN111339703A (zh) | 大应变条件下材料硬化行为的虚拟预测方法 | |
| Qian et al. | Prediction of edge fracture during hole-flanging of advanced high-strength steel considering blanking pre-damage | |
| Dadgar Asl et al. | Fracture analysis on flexible roll forming process of anisotropic Al6061 using ductile fracture criteria and FLD | |
| Esmaeilizadeh et al. | Simulated and experimental investigation of stretch sheet forming of commercial AA1200 aluminum alloy | |
| CN112733395B (zh) | 型钢混凝土组合构件从损伤到失效的综合评价分析方法 | |
| Park et al. | Comparative study on various ductile fracture models for marine structural steel EH36 | |
| JP7103514B2 (ja) | 鋼管圧潰強度予測モデルの生成方法、鋼管の圧潰強度予測方法、鋼管の製造特性決定方法、及び鋼管の製造方法 | |
| Kacem et al. | Finite element analysis of hole-flanging process with various anisotropy assumptions | |
| Roy et al. | Experiments and simulation of shape and thickness evolution in multi-pass tube spinning | |
| RU2617798C1 (ru) | Способ определения пластичности металлов и сплавов | |
| JP7327595B1 (ja) | 金属板の成形限界取得方法及び装置 | |
| Li et al. | Identification of material parameters from punch stretch test | |
| CN105910921A (zh) | 一种预测dz125合金蠕变曲线的方法 | |
| CN113843326B (zh) | 一种考虑切边质量的金属板料冲压成形边部开裂预测方法 | |
| Kut | The application of the formability utilization indicator for finite element modeling the ductile fracture during the material blanking process |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |