板料成形极限的理论预测与数值模拟研究

AZ31镁合金板材热态下成形极限图的理论预测与数值模拟的开题报告一、选题背景随着工业化水平的不断提高，各种高强度轻量化材料得到了广泛的应用。

其中，镁合金因其密度轻、强度高、成形性好、可再生利用等特点被广泛关注。

镁合金板材是一种重要的结构材料，在航空、汽车、火车等领域得到了广泛应用，因此对其成形极限的研究具有重要的意义。

二、研究目的本研究的目的是通过理论预测和数值模拟的方法，研究AZ31镁合金板材在热态下的成形极限图，探讨镁合金板材的成形性能，并分析不同因素对成形极限的影响。

三、研究内容1. AZ31镁合金板材热态下成形极限图的理论预测根据金属材料力学性能理论，利用成形极限理论和流变应力模型，建立AZ31镁合金板材热态下成形极限图的理论预测模型，并进行计算和分析。

2. AZ31镁合金板材热态下成形极限图的数值模拟基于有限元理论，构建AZ31镁合金板材热态下的成形模拟模型，利用ABAQUS有限元软件进行数值模拟计算，并分析其成形极限及其影响因素。

3. 实验验证通过压缩试验和拉伸试验，对实验样品进行力学性能测试和显微组织分析，验证预测模型和数值模拟的准确性，并对不同因素对成形极限的影响进行分析。

四、研究意义通过本研究，可以深入了解AZ31镁合金板材在热态下的成形极限性能，为优化材料加工工艺提供理论参考，并为新材料的开发提供重要的经验与思路。

五、研究方法1. 理论预测方法：成形极限理论和流变应力模型。

2. 数值模拟方法：基于有限元理论和ABAQUS有限元软件。

3. 实验验证方法：压缩试验和拉伸试验。

六、预期成果1. AZ31镁合金板材热态下成形极限图的理论预测。

2. AZ31镁合金板材热态下成形极限图的数值模拟结果及影响因素分析。

3. 实验样品的力学性能测试和显微组织分析。

4. 发表学术论文，并向相关行业提供参考建议。

耦合温度和应变率的铝合金板成形极限预测方法一、研究背景随着现代工业的不断发展，铝合金板材在制造领域中得到了广泛应用。

铝合金板材在成形过程中，由于受到复杂的应力和温度影响，很容易出现裂纹、变形等问题，这对于生产效率和产品质量都会产生不利影响。

因此，预测铝合金板成形极限是制定合理的加工工艺和提高生产效率的重要手段。

二、研究目的本文旨在探讨耦合温度和应变率对铝合金板成形极限的影响，并提出一种可靠的预测方法。

三、实验方法1.材料准备选取常见的铝合金板材作为试验材料，并根据需要进行切割加工。

2.试验设备采用万能试验机进行拉伸试验，并配备相应温度控制装置。

3.试验步骤（1）将试样放入拉伸机夹具中。

（2）设置拉伸速度和温度控制参数。

（3）进行拉伸试验并记录数据。

（4）根据实验数据计算出应力-应变曲线，并绘制成图表。

（5）根据试验数据和图表，分析材料的力学性能和变形规律。

四、结果分析通过实验数据和图表的分析，可以得出以下结论：（1）随着温度的升高，铝合金板的成形极限逐渐降低。

（2）随着应变率的增加，铝合金板的成形极限逐渐降低。

（3）在一定范围内，应变率对铝合金板成形极限的影响比温度更为显著。

五、预测方法根据以上结论，可以提出以下预测方法：（1）首先确定铝合金板材料的力学性能参数，并绘制出应力-应变曲线。

（2）在一定范围内设置不同温度和应变率下的拉伸试验条件，并记录试验数据。

（3）根据试验数据计算出不同条件下的成形极限值，并绘制成图表。

（4）通过对比不同条件下的成形极限值，确定最优加工工艺参数。

六、总结本文探讨了耦合温度和应变率对铝合金板成形极限的影响，并提出了一种可靠的预测方法。

该方法可以为铝合金板材料加工提供重要参考依据，提高生产效率和产品质量。

板料成形数值模拟项目建议书目录1 目标和意义通过实施在世界上成形模拟应用的最专业、最成熟、最广泛的板料成形模拟解决方案来解决板料件模具设计和生产过程中的各种问题。

（1）板料成形模拟解决方案要全面、专业、快速、使用方便的解决板料件模具设计生产过程中的模具设计问题、下料尺寸估算问题、成形精确模拟问题（保证成形后产品的质量）和模具回弹自动补偿问题。

（2）板料成形模拟解决方案要能够提高板料件的模具设计效率，缩短模具从设计到投入生产的周期，提高工艺部门和设计部门的协同效率，缩短产品开发周期，降低产品开发成本，提高产品的市场竞争力。

2 实施必要性板料成形过程的数值模拟技术实质上就是在计算机上应用有限元仿真软件进行虚拟的板料成形试验,通过输入各种给定的条件和一些实际的实验参数,进行计算机数值计算模拟，通过分析模拟得到的结果来预测板料在成形过程中,各种缺陷产生的位置和分布程度,以此初步判断所选毛坯材料力学性能参数与模具工艺设计方案以及模具参数选择的合理性,同时借助数值模拟结果的三维动态显示可以详细地分析冲压成形的每一小步过程的情况,从而可以比较精确确定缺陷产生的具体原因以及找出相对应的解决办法来。

为了提高的制造水平和市场竞争力，为了改变以往板料件模具设计和生产过程中严重依赖设计人员的经验和多次的实际物理试模的落后的状况，我们必须采用专业的成熟的板料成形模拟解决方案解决板料件模具设计问题、下料尺寸估算问题、成形精确模拟问题（保证成形后产品的质量）和模具回弹自动补偿问题。

3 实施基础条件(1) 购置最专业、最成熟、最可靠的板料成形模拟解决软件，为模拟解决各种板料成形问题提供最好的软件系统。

(2) 购置与软件运行相适应的计算机硬件系统和组建相应的网络平台，为软件运行做硬件准备。

(3) 安排相应的工作人员接受软件公司的培训，为熟练操作软件解决实际的问题做准备。

(4)确定采用软件模拟分析板料成形过程的流程，以及相关部门的工作人员的具体工作职责。

金属板料成形数值模拟的研究现状一、引言金属板料成形数值模拟是现代制造业中不可或缺的一环。

通过数值模拟可以预测金属板料在成形过程中的变形、应力分布等物理量，从而优化工艺参数，提高成形质量和效率。

本文将介绍金属板料成形数值模拟的研究现状。

二、数值模拟方法1. 有限元法有限元法是目前最为常用的数值模拟方法之一。

它将连续体划分为多个小单元，在每个小单元内近似求解其物理量，最后通过组合得到整体的物理量分布。

有限元法可以考虑材料非线性、边界条件复杂等因素，适用范围广泛。

2. 边界元法边界元法是另一种常用的数值模拟方法。

它将问题转化为求解边界上的物理量分布，避免了对整个区域进行离散化计算。

边界元法适用于具有对称性或者具有复杂几何形状的问题。

3. 网格无关法网格无关法是相对于传统有限元法而言的新兴方法。

它不需要事先确定网格大小和结构，可以自动适应物理量分布的变化。

网格无关法适用于具有较大变形或者复杂几何形状的问题。

三、数值模拟在金属板料成形中的应用1. 成形过程分析数值模拟可以对金属板料成形过程进行分析，预测变形、应力分布等物理量。

通过优化工艺参数，可以避免一些不必要的缺陷和失效。

2. 模具设计数值模拟可以为模具设计提供依据。

通过对成形过程中应力和变形的预测，可以确定合适的模具结构和尺寸，从而达到更好的成形效果。

3. 材料选择数值模拟还可以为材料选择提供参考。

通过预测不同材料在成形过程中的性能表现，可以选择最为适合的材料，提高生产效率和质量。

四、数值模拟存在的问题及发展趋势1. 计算精度问题目前数值模拟存在计算精度不高、计算时间长等问题。

需要进一步发展更加高效精确的数值模拟方法。

2. 跨尺度建模问题金属板料成形涉及到多个尺度，如宏观尺度、晶体尺度等。

如何将不同尺度的模型相结合，进行跨尺度建模是一个重要的研究方向。

3. 多物理场耦合问题金属板料成形涉及到多种物理场，如力学、热学、电磁学等。

如何将这些物理场相互耦合起来进行计算，是数值模拟发展的重要方向之一。

第１３卷第５期２００６年１０月塑性工程学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＰＬＡＳＴＩＣＩＴＹＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＶ０１．１３Ｎｏ．５Ｏｃｔ．２００６板料成形极限理论与实验研究进展＊（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京１０００８３）韩非万敏吴向东摘要：成形极限是板材成形领域中重要的性能指标和工艺参数。

文章在阐述成形极限在板料成形中的意义的基础上，综述并分析了成形极限在理论和实验方面的研究进展。

成形极限图受应变路径的影响，给工业生产应用带来极大不便。

以极限应力构成的成形极限应力图不受应变路径的影响，作为复杂加载路径的成形极限判据更加方便和实用。

ＦＬｓＤ研究与ＦＬＤ相结合，成为精确地确定破裂判别准则的主要途径之一，是近来研究的热点。

十字形双向拉伸是实现复杂加载路径有效实用的试验方法。

最后对成形极限应力图和十字形双向拉伸试验需要解决的关键问题作了阐述。

关键词：板料成形；成形极限；成形极限应力图；复杂加载路径；十字形双向拉伸试验中图分类号：ＴＧ３８６文献标识码：Ａ文章编号：１００７—２０１２（２００６）０５—００８０一０７引言成形极限是板材成形领域中重要的性能指标和工艺参数，反映了板材在塑性失稳前所能取得的最大变形程度。

为确定板材拉伸失稳的成形极限，人们从理论和实验等方面提出了许多研究与评价方法，其中最有现实意义和应用最为广泛的是２０世纪６０年代由Ｋｅｅｌｅｒｃｌ］和ＧＯＯｄｗｉｎ［２］提出的以极限应变构成的成形极限图（ｆｏｒｍｉｎｇｌｉｍｉｔｄｉａｇｒａｍ，ＦＬＤ）的概念。

ＦＬＤ为方便研究板材成形极限、评价板材成形性能及解决板材成形领域中众多难题提供了技术基础和实用判据。

通常由标准实验确定的ＦＬＤ都是由线性或近似线性的应变路径得到的。

在实际生产中，应变路径通常偏离线性路径。

因此，由简单应变路径建立的ＦＬＤ并不能准确预测破裂的发生，必须采用与实际成形相符的复杂应变路径所建立的ＦＬＤ作为破裂判据。

研究复杂应变路径对ＦＬＤ的影响规律一直是板料成形领域主要的研究内容［３］。

板料成形性能及CAE分析文献综述引言随着强度的提高，高强度钢板塑性变差、成形难度增加。

对典型高强度钢板，如DP 钢、TRIP 钢和BH 钢等在汽车上的应用情况进行介绍，介绍了目前处在实验测试阶段的TWIP钢，具有许多优良的性能，只是投入生产中还存在一些尚待解决的问题。

对高强度钢板冲压生产时成形性差、回弹严重，以及冲模受力恶劣等常见问题进行了分析，最后对高强度钢板冲压成形性能研究现状和回弹影响因素进行了总结。

结果表明，高强度钢板成形性随材料、模具和工艺参数变化而波动，所以须综合研究三者的影响规律，从而提高高强度钢板的成形性能。

1 高强度钢板在汽车上的应用情况高强度钢板的拉伸强度一般在350MPa 以上，它不但具有较高的拉伸强度，还有较高的屈服点，具有高的减重潜力、高的碰撞吸收能、高的成形性和低的平面各向异性等优点，在汽车上得到了广泛的应用[1]。

高强度钢板最初主要用于车身的前保险杠和车门抗侧撞梁。

近年来，随着高强度钢板的研制和开发，其成形性、焊接性、疲劳强度和外观质量都有所提高，现在高强度钢板已被广泛用来代替普通钢板制造车身的结构构件和板件[2]。

1. 1 双相钢( DP 钢)DP 钢是由低碳钢或低碳微合金钢经两相区热处理或控轧控冷而得到，其显微组织主要为铁素体和马氏体，马氏体以岛状弥散分布在铁素体机体上，DP 钢的显微组织示意如图1 所示[3]。

软的铁素体赋予DP钢较低的屈强比、较大的延伸率，具有优良的塑性; 而硬的马氏体则赋予其高的强度。

DP 钢的强度主要由硬的马氏体相的比例来决定，其变化范围为5% ～20%，随着马氏体的含量增加，强度线性增加，强度范围为500 ～ 1 200MPa。

目前大量使用的有DP590、DP780，热镀锌合金化DP980 的研发工作正在进行中[4]。

DP 钢具有低屈强比、高加工硬化指数、高烘烤硬化性能、无屈服延伸和室温时效等特点，一般用于需要高强度、高的抗碰撞吸收且也有一定成形要求的汽车零件，如车轮、保险杠、悬挂系统及其加强件等。

22MnB5钢板温成形极限的数值模拟及试验研究汽车工业的快速发展以及全球能源危机的加剧,对汽车制造业的节能和环保提出了越来越高的要求。

高强钢具有较高的抗拉强度,能够在保证安全性的同时降低车身重量。

然而与普通钢相比,高强钢在室温下成形时塑性较差,成形极限低,容易发生开裂。

采用加热的方法可使高强钢的成形能力得到提高,变形抗力降低。

此外,成形极限又是冲压工艺中一个非常重要的表征成形性能的参数,因此掌握高强钢温成形极限对制定科学合理的冲压成形工艺具有重要意义。

以高强钢22MnB5为研究对象,基于韧性断裂损伤理论,采用试验研究与有限元模拟相结合的方法,对其温成形条件下的成形极限进行研究。

(1)通过单向拉伸试验对高强钢22MnB5的温变形力学行为进行研究,确定板料处于极限状态的边界条件并绘制流变应力曲线,发现温度升高对板料冲压性能有一定程度的改善,试件断口形状为杯锥状,属于典型的韧性断裂。

(2)使用Fortran语言对模拟软件ABAQUS进行二次开发,将四种常用的韧性断裂损伤准则嵌入与试验同等条件下的单向拉伸有限元模型中,计算得到不同温度下四种准则的韧性断裂损伤阈值。

以韧性损伤值控制法作为胀形试验数值模拟的破裂依据,计算得到不同温度下成形极限图。

温度越高损伤阈值越大,成形极限也越大。

(3)设计可加热的胀形试验模具,对高强钢22MnB5进行100℃和200℃时的胀形试验,用以评估韧性断裂模型的可靠性。

结果表明:Cockroft and Latham准则得到的韧性断裂模型除了少数位于双拉应变下真实次应变较小的点外,对其他应变状态预测的准确性不高。

从左侧的拉压应变状态来看,100℃时Brozzo准则、Ayada准则和Rice and Tracey准则预测结果基本趋于一致,虽稍低于试验结果,但吻合度很高;200℃时Brozzo准则和Rice and Tracey准则预测得到的极限与试验基本重合,Ayada准则略低于试验点,相对准确。

第３期苑世剑等：板料成形性理论评价与深入研究变形，板料由于局部细颈的很快发展而被拉断。

后来，Ｍａｒｃｉｎｉａｋ根据Ｈｉｌｌ理论发现，在双向拉伸试验中，如果两应力的比值ｚ一＆／∞＞ｏ．５时，集中性失稳应先于分散性失稳发生，这和实际情况不符。

为此，Ｍａｒｃｉｎｉａｋ和Ｋｕｃｚｙｎｓｋｉ从材料损伤角度提出了沟槽假说，简称ＭＫ理论口］。

Ｍ＿Ｋ理论认为，由于受载板料的物理性质或者板厚存在不均匀性，变形时在垂直于最大主应力的方向发展为一凹槽，槽内的应变比如ｚ／＆。

将略小于槽外，随着变形的发展在槽内形成一条长度变化为零的线，从而出现平面应变状态下的集中性细颈。

根据这一假设，板料的集中性失稳是由板料存在的初始缺陷引起的。

但实验表明，用Ｍ＿Ｋ理论计算的板料初始厚度不均匀程度要远远大于板平面的实际情况。

为此，人们从两个不同角度对Ｍ—Ｋ理论进行了修正，一种认为厚向不均匀是在分散性失稳后产生的，另一种认为是内部的缺陷造成了板厚方向的不均匀。

但是理论汁算和实验结果仍有较大差别［４’“。

尽管后来ＬｅＨｎｉｔｒｃ根据连续体损伤力学提出了描述材料损伤对杨氏模量Ｅ影响的损伤参量Ｄ的概念，仍没有取得很好的结果ｆ６】。

从连续体失稳角度，ｓｔｏｒｅｎ和Ｒｉｃｅ提出了所谓的屈服面尖点理论，认为：假设板料初始状态是均匀的，当塑性变形发展到一定程度时，由于交滑移的作用在多晶体材料的屈服表面上形成尖点，使发生集中性失稳成为可能口］。

后来Ｂｒｅｓｓａｎ和ｗｉｌ一１ｉａｍｓ等又提出，临界剪切应力失稳准则”Ｊ。

由于缺乏足够的实验证据，这些理论的可靠性和应用范围都是有限的。

陈光南和胡世光等通过实验研究认为，正常的戚形用板料的表面粗糙度不会导致集中性失稳，板料的集中性失稳主要受内部｝Ｌ穴的尺寸与分布的影响。

从分散性失稳到集中性失稳的转变，是一个由损伤引起物体的应变状态向宏观平面应变状态漂移的过程ｏ］。

根据其实验结果，提出了只包含板料基本成形参数ｎ值和ｒ值，忽略损伤量而仅考虑损伤对应变状态漂移的影响的拉伸失稳物理模型以及相应的成形极限计算方法。

摘要6016铝合金板材主要制造汽车覆盖件，特别是乘用车内外罩、后行李箱和门框等汽车外板，是汽车轻量化的关键材料。

而目前国内的铝合金板材仍存在着成形性、抗凹性及零件成形后质量差等问题，无法满足使用要求。

因此开展6016铝合金板材关键的预时效工艺和冲压成形工艺研究，对提高板材的成形质量十分重要。

本文将545 o C固溶30 min的6016铝合金（Al-0.55%Mg-1.0%Si-0.18%Cu）板材水淬后，经60 o C~160 o C×5 min~30 min预时效，室温停放25天后，进行185 o C×20 min的模拟烤漆处理。

采用硬度、拉伸试验，结合示差扫描量热法（DSC）、扫描电子显微镜（SEM）等分析技术，研究预时效工艺对合金的力学性能及微观组织的影响规律。

通过数值模拟仿真实际的冲压过程，并预估零件成形后可能出现的质量缺陷，优化关键成形工艺参数。

结果表明：①固溶淬火后立即进行预时效可以抑制自然时效过程，T4P态合金的成形性和烘烤硬化性能都得到改善。

烤漆前后的硬度随着预时效温度升高，出现先缓慢增加后迅速增加的趋势。

预时效温度为100 o C，预时效时间为20 min合金烘烤前屈服强度低于120 MPa，延伸率在25%左右；烘烤后屈服强度高于180 MPa（预变形2%合金烘烤硬化值达到104 MPa），烘烤后的延伸率在22%左右，综合比较优于其他预时效工艺。

②结合DSC曲线对β”析出温度和激活能进行计算，研究发现，随预时效温度升高，β”析出峰左移，激活能也降低。

说明预时效可以抑制合金自然时效过程，提高合金T4P态成形性能，而且促进烘烤过程中β”的析出，增强烘烤硬化效果。

③以铝制汽车发动机罩内板为对象，建立冲压CAE模型，对板料冲压过程仿真，研究了不同成形工艺对成形后最大减薄率、最大增厚率及最大回弹量的影响规律。

④对多因素的优化问题，首先通过灰色关联分析法，获得较优的工艺参数为：压边力500 KN，摩擦系数0.1，凹凸模间隙1.1t（1.32 mm）、凸模速度3 m/s，仿真试验后出现了少量拉裂缺陷。

金属板料成形数值模拟的研究现状摘要：本文对板料成形数值模拟的主要几个研究方向：有限元算法、接触与摩擦、成形极限图、缺陷等的研究现状进行了介绍，并且讨论了板料成形数值模拟今后的研究方向。

关键词：有限元算法；接触与摩擦；成形极限图；缺陷1 引言板料成形是材料加工成形的一个重要分支，它广泛应用于汽车、航天、航空、家电等各个部门。

随着现代工业的发展，板料成形件越来越复杂，人们对板料成形的质量和速度的要求也越来越高。

传统的板料成形模具的设计依赖的是经验和直觉，并且通过反复试验调试来保证成形的质量。

这不仅需要消耗大量的人力物力，而且周期长，效率低，不能适应社会发展的需要。

上世纪七十年代以来，人们逐渐以数值模拟技术为辅助设计手段，大大降低了生产制造的成本。

然而，由于板料成形是一种复杂的力学过程，其中包含几何非线性、材料非线性、接触非线性等强非线性问题，影响的参数非常多，这对数值模拟技术造成了极大的挑战。

虽然目前板料成形的数值模拟软件已经商业化，但板料成形的模拟技术还不够完善，仍然是国内国外研究的热点。

本文将主要介绍金属板料成形数值模拟的研究现状。

2 板料成形有限元算法用于板料成形的有限元算法大体可以分为弹-（粘）塑性和刚-（粘）塑性。

粘塑性有限元法主要应用于热加工，而刚塑性有限元法在板料成形中应用有限；目前，弹塑性有限元法在板料成形数值模拟中应用较广。

用弹塑性有限元法分析板料成形问题，不仅能计算工件的变形和应力、应变分布；而且还能计算工件的回弹和残余应力、残余应变等。

由于板料成形过程中板料与模具具有相对滑动、粘着和脱落，所以必须控制增量步的大小从而尽量反映真实情况。

根据对时间积分方法的不同，板料成形有限元算法可以分为静力隐式、静力显式和动力显式。

隐式算法是非条件稳定的，它在解决低速接触问题中更有优势[1]，而在解决复杂的三维模型时将会遇到困难[2]：当时间步长减小时，内存消耗会急剧增大，甚至造成收敛问题；局部的不稳定性很难达到力的平衡，这也不符合静态隐式的先决条件。

各向同性硬化参数对板料成形极限曲线计算结果的影响板料的成形极限曲线可以通过材料的本构方程结合塑性失稳理论进行计算得到。

本文使用了金属的弹塑性本构模型结合极限点分叉理论进行计算，研究了各向同性硬化指数n及强度系数k对金属材料的成形极限的影响。

标签：各向同性硬化参数;成形极限曲线;塑性失稳理论1 导论板料的成形极限反映了它在加工达到塑性失稳前能获得的最大的变形程度，是板材成形的重要性能指标。

1965年Keeler[1]及Goodwin[2]提出的以极限应变构成的成形极限曲线（Forming Limit Curve，FLC）为定量衡量板材拉伸失稳极限提供了一种简便实用的工具，至今仍广泛应用于板材成形领域。

成形极限曲线可以通过试验测定和理论计算两种方法获得，其中理论计算主要是通过采用不同的屈服准则和塑性本构关系，利用拉伸失稳准则作为颈缩或断裂发生的判据来进行的[3]。

随着有限元法及计算机技术的发展，板材成形极限图的理论计算更容易实现，其应用也更加广泛。

材料的应变硬化能力决定了材料在颈缩前依靠硬化使材料均匀变形的能力的大小，显然，材料的应变硬化参数对它的成形极限有着很大的影响。

本文用弹塑性本构模型表征材料的力学行为，以极限点分叉理论作为颈缩发生的判据，使用ABAQUS进行了金属材料的成形极限曲线的预测计算，通过控制变量法研究了各向同性硬化指数n及强度参数k对成形极限曲线计算结果的影响。

2 材料的力学行为计算使用的材料为弹塑性材料。

当金属材料经历大变形时，其弹性变形远小于塑性变形，其力学行为一般采用次弹塑性模型来表征[4]，次弹性响应定律为：（1）其中，为柯西应力张量的Jaumann客观率;C为四阶弹性切线模量张量，它具有主对称性与次对称性;D表示总变形率张量，即速度梯度张量的对称部分;De 与Dp则分别表示变形率张量的弹性部分及塑性部分。

该材料满足塑性流动法则：（2）其中表示标量塑性流动率，它确定了塑性变形率的大小;表示塑性流动势，对于金属材料，取塑性流动势与屈服函数f相同。