镁合金塑性变形及延性断裂预测研究进展(下)——延性断裂模型的开发及应用

介绍了用于金属延性断裂行为预测的非耦合唯象型延性断裂准则,展示了该类准则的几种基本形式,并分析了这几种形式之间的内在联系和转化方式,然后详细介绍了唯象型延性断裂准则的研究进展,系统地整理了近十几年来提出的先进的延性断裂准则,这些准则通常同时考虑应力三轴度和罗德参数对金属延性断裂的影响。此外,介绍了用于延性断裂准则标定的断裂实验研究进展,整理了典型的或者新颖的实验设备以及断裂试样,分析了其特点和优势,并进一步总结了唯象型延性断裂准则在镁合金断裂预测中的应用现状。最后,对今后镁合金延性断裂预测的研究方向进行了展望。     

断裂准则对AISI-1045切削仿真的影响及选择

金属切削加工有限元模拟的关键之一就是确定切屑与工件分离的断裂准则。合理的断裂准则能准确反映切削加工过程,正确的选择断裂准则才能在有限元分析中得到准确的结果。选取Deform-3D仿真软件AISI-1045材料默认的断裂准则以及另外5种常用的断裂准则进行切削加工有限元分析,分别对主切削力、切屑温度和切屑形态进行对比研究,并将仿真模拟主切削力同切削实验主切削力对比,综合考虑切屑温度和切屑形态,对比研究得到适合AISI-1045切削仿真加工的断裂准则,可为类似塑性材料的仿真切削加工断裂准则的选取提供参考。     

金属材料冲裁过程的有限元模拟

介绍了利用弹性有限元对金属冲裁加工模拟的基本原理,包括弹塑性大变形木匠,裂破坏模拟以及网格重划分等技术,利用商业化有限元程度DEFORM－2D^TM对不锈钢（AISI304）板料的冲裁工艺进行了模拟,模具采用刚体模型,工件采用弹塑性模型,材料断裂破坏采用Cockroft-Latham破坏准则,分析了冲裁过程中裂纹生成、扩展以及材料断裂分离的过程,冲载力的变化等,模拟结果中的材料断裂和冲裁力的变化与已发表文献中的实验结果一致。     

韧性断裂准则的研究及其在冷镦成形过程中的应用

塑性成形过程中,材料的韧性断裂是主要约束因素之一.本文采用实验与有限元结合的方法,对几种有代表性的韧性断裂准则进行了分析.结果表明以孔洞理论为基础的Oyane断裂准则能够较准确的预测成形中的启裂位置,与实验结果相吻合.同时将Oyane断裂准则用于预测冷镦内六角螺钉过程中的开裂,结果与实际生产相符合.     

韧性断裂准则与阀值选取的理论及试验研究

在金属冲切断裂的数值模拟中,韧性断裂准则和阀值的选取对模拟结果的精度有非常大的影响.通过对20钢棒材和管材试样进行拉伸试验,同时利用Deform有限元模拟软件对试验过程进行数值模拟,发现即使对于同一种断裂准则,两种试样得到的韧性断裂阀值也存在一定的偏差.并分别将六种断裂准则及得到的对应断裂阀值用于管端弧口冲切过程的模拟,结果表明只有Brozzo和NormalizedCockcroft&Latham这两种准则能较好的模拟出管壁的变形和毛刺的生成情况.通过试验验证了结论的有效性.     

应用韧性断裂准则预测不同材料的胀形极限

为了准确地预测板料成形极限 ,将韧性断裂准则引入到有限元模拟中。在有限元模拟获得的应力应变场基础上 ,应用韧性断裂准则预测板料断裂的发生。本文应用作者提出的韧性断裂准则及材料常数的确定方法预测了铝合金板和钢板的半球形凸模胀形的成形极限。与实验结果比较表明 ,该方法能在较宽的材料范围内预测胀形成形极限。     

基于应力的断裂准则对AA7075-T6韧性断裂行为的预测研究

通过试验研究了AA7075-T6在剪切、单轴拉伸和平面应变拉伸应力状态下的塑性变形和韧性断裂行为。然后采用Swift-Voce硬化定律和pDrucker屈服函数表征了板材在不同加载状态下的塑性变形特性。最后，采用基于应力的pDrucker韧性断裂准则表征了不同应力状态下塑性变形过程中的韧性断裂行为。为了提高数值模拟预测精度，塑性本构模型和pDrucker韧性断裂准则参数均采用试验-模拟相结合的逆向工程方法进行优化标定。将有限元预测的韧性断裂位移与不同试件载荷-行程曲线进行了比较。结果表明，通过逆向工程优化的pDrucker韧性断裂准则能够准确描述AA7075-T6不同应力状态下的韧性断裂行为。     

负间隙精冲的大变形弹塑性有限元分析

负间隙精密冲裁是一个复杂的力学过程,涉及弹性变形、塑性变形、损伤软化和韧性断裂等现象.本文使用DEFORM-2D软件对AISI-1045钢进行了弹塑性大变形有限元数值模拟,将McClintock断裂准则应用于负间隙精冲韧性断裂的预测中,预测了材料变形过程中的静水应力、等效应力和等效应变的分布以及发展趋势.并依据仿真条件和模拟结果分析,通过实验的方法获得了不同负间隙下的无毛刺冲裁件.     

金属自由表面断裂的实验研究

给出了LY12铝合金试样在不同镦粗条件下的实验结果.实验结果表明:工、模具间的摩擦条件对金属自由表面断裂有很大的影响,而试样高径比对自由表面断裂的影响较小.利用实验所获得数据对广泛使用的Cockroft & Latham经验断裂准则在确定金属可加工性能的能力方面进行了评价.结果表明Cockroft & Latham 韧性断裂准则计算结果与实验结果比较吻合.     

摩擦片背板精冲三维数值模拟及参数优化

针对精冲二维数值模拟的局限性,在有限元软件Deform-3D中建立摩擦片背板的三维精冲模型。采用Normalized Cockroft&Latham断裂准则,分析了成形过程中的静水应力、金属流动速度分布和发展趋势。通过数值模拟获得最佳冲裁间隙值为料厚的0.6%,其结果为提高精冲件质量提供了依据。     

韧性断裂准则参数的3种不同标定方法

韧性断裂准则可用于金属塑性成形过程中韧性断裂的判据,但预测的准确性依赖于准则参数的有效标定。在目前常用的基于试验与模拟的反求分析法以及曲面拟合法的基础上,给出了一种断裂阈值积分求解的标定方法。利用一系列宽应力三轴度范围内的试验结果,分别采用上述3种标定方法进行了L-H韧性断裂准则的参数求解,并对3种标定方法进行了对比分析,给出了各自的优缺点。由对比结果可知:相比于反求分析法,断裂阈值积分求解的标定方法和曲面拟合法可以改善求解效率;损伤阈值积分求解的标定方法相比于曲面拟合法而言,精度有所提高。     

基于局部法评定TBCs/Q345涂层界面断裂行为

通过对涂层试样进行拉伸试验得到界面断裂时的临界载荷．采用ABAQUS有限元软件模拟了涂层试样的断裂行为．推导了基于统计学思想的局部法用于界面断裂的理论公式,通过编制Fortran程序求出影响界面断裂的威布尔参数．采用局部法分析了涂层界面断裂行为对试样缺陷尺寸的依赖性．发现临界威布尔应力与试样尺寸和加载形式无关,不同缺陷尺寸的试样发生界面断裂时,在相同断裂概率下其威布尔应力基本相同,并基于局部法通过预制裂纹试样的试验结果成功预测了另一种裂纹尺寸试样的断裂数据分布,说明局部法可以用来描述涂层界面的断裂行为,并用于界面完整性评定中．     

Fracture criterion for predicting surface cracking of Ti40 alloy in hot forming processes

Hot compression tests were conducted on Ti40 burn resistant titanium alloy in the temperature range of 900-1 100 ℃ and strain rate range of 0.01-10 s-1 to investigate its fracture behavior and critical fracture conditions in hot forming. It was observed that the failure of Ti40 alloy is attributed to longitudinal surface cracking due to severe oxidation of element V and the secondary tensile stresses. The critical fracture strain increases with increasing temperature and decreasing strain rate. From these observations and parallel FEM simulations, it was concluded that the critical fracture strain is a function of a single argument Zener-Hollomon parameter, and there is a linear relationship between them. An Oyane criterion successfully predicted the location of crack initiation. The critical fracture values also exhibit a liner relationship with lnZ. Based on these results, a new fracture criterion of Ti40 alloy based on Zener-Hollomon parameter was established.     

焊接接头断裂准则工程化应用方法

针对单参数J积分反映焊接接头断裂场的困难，作者提出了一个适合于焊接接头裂端场的J～Q双参数准则。为了更加适合于工程实际应用，对双参数准则中的各参量进行了工程简化，通过有限元计算表明，新的简化方法能够更好地反映焊接接头裂端场的实质，并为焊接接头的安全性评定奠定了基础。     

金属成形过程中热力耦合分析技术的研究

金属成形过程中，温度对金属的变形行为具有很大影响，尤其是高温成形过程。基于有限元的热力耦合分析是研究金属变形的有效方法，本文对热力耦合分析技术进行了系统的研究，推导了有限元公式，提出了耦合分析的计算模式。开发了通用的分析二维金属成形过程的有限元分析软件Ｓ—ＦＯＲＧＥ。通过对圆柱体镦粗实验的模拟，说明了该方法和软件的正确性。     

Effect of solution treatment time on plasticity and ductile fracture of 7075 aluminum alloy sheet in hot stamping process

The effect of solution treatment time on the post-formed plasticity and ductile fracture of 7075 aluminum alloy in the hot stamping process was studied. Tensile tests were conducted on the specimens subjected to the hot stamping process with different solution treatment time. The digital image correlation (DIC) analysis was used to obtain the strain of the specimen. Based on the experiments and modeling, the Yld2000-3d yield criterion and the DF2014 ductile fracture criterion were calibrated and used to characterize the anisotropy and fracture behavior of the metal, respectively. Furthermore, the microstructure of specimens was studied. The experimental and simulation results indicate that the 7075 aluminum alloy retains distinct anisotropy after the hot stamping process, and there is no obvious effect of extending the solution treatment time on the material anisotropy. However, it is found that a longer solution treatment time can increase the fracture strain of the aluminum alloy during the hot stamping process, which may be related to the decrease of the second-phase particles size.     

板料双向加压液压胀形数值模拟

应用商用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,对板料的双向加压液压胀形过程进行了数值模拟.并利用韧性断裂准则作为胀形高度极限的判断依据,将模拟得到的必要数据代入到准则中.对两种材料、不同初始液体压力条件下的模拟结果表明,随着初始液体压力的升高,胀形的极限高度也相应的增加,当初始压力与板料的强度相当时,极限高度提高的更明显.     

Application of artificial neural network and Taguchi method to preform design in metal forming considering workability

This study describes a new method of perform design in muti-stage metal forming processes considering workability limited by ductile fracture. The finite element simulation combined with ductile fracture criterion has been performed in order to predict ductile fracture. The artificial neural network using the Taguchi method has been implemented for minimizing objective functions relevant to the forming process. The combinations of design parameters used in finite element simulation are selected by orthogonal array in statistical design of experiments. The orthogonal array and the result of simulation are used as train data for artificial neural networks. The cold heading process is taken as an example of designing preforms which do not form any fracture in the finished product. The results of analysis to validate the proposed design method are presented.