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各向異性金屬薄殼變形理論(精) 版權(quán)信息
- ISBN：9787030717191
- 條形碼：9787030717191 ; 978-7-03-071719-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
各向異性金屬薄殼變形理論(精) 內(nèi)容簡介
本書以各向異性金屬薄殼為對象，面向薄殼流體介質(zhì)壓力成形等優(yōu)選成形技術(shù)的變形特點和挑戰(zhàn)，系統(tǒng)介紹各向異性金屬薄殼塑性變形理論的新成果。在介紹金屬各向異性屈服和本構(gòu)模型概念的基礎(chǔ)上，提出新的全應(yīng)力域屈服準則，重點討論各向異性金屬本構(gòu)模型參數(shù)確定與試驗方法，以及各向異性金屬薄殼力學性能和成形性能的測試理論和方法。 本書可作為高等院校機械工程、材料加工工程及相關(guān)專業(yè)研究生的學習用書，也可供相關(guān)科研人員和工程技術(shù)人員參考。
各向異性金屬薄殼變形理論(精) 目錄
目錄
前言
第1章 概論 1
1.1 金屬薄殼的定義及分類 1
1.2 金屬薄殼成形技術(shù)及變形理論 1
1.2.1 金屬薄殼成形技術(shù)及特點 1
1.2.2 各向異性金屬薄殼變形理論的內(nèi)涵 2
1.3 各向異性金屬薄殼變形理論的研究現(xiàn)狀 4
1.3.1 各向異性金屬薄殼的本構(gòu)模型 4
1.3.2 各向異性金屬薄殼的成形極限 6
1.4 各向異性金屬薄殼變形理論的新進展 8
第2章 各向異性金屬薄殼的屈服準則 11
2.1 薄壁金屬材料的各向異性 11
2.1.1 薄壁金屬板材的各向異性 11
2.1.2 薄壁金屬管材的各向異性 13
2.2 屈服準則的概念 13
2.3 各向異性特性的理論預測 15
2.3.1 單向拉伸屈服應(yīng)力的預測 15
2.3.2 厚向異性系數(shù)的預測 16
2.4 經(jīng)典各向異性屈服準則：Hill'48屈服準則 17
2.4.1 Hill'48屈服準則的參數(shù)確定 17
2.4.2 Hill'48屈服準則的預測特性 23
2.4.3 Hill'48屈服準則的不足 24
2.5 先進各向異性屈服準則 25
2.5.1 Barlat'89屈服準則 26
2.5.2 Yld2000-2d屈服準則 29
第3章 各向異性金屬薄殼的本構(gòu)模型 33
3.1 彈塑性本構(gòu)關(guān)系及本構(gòu)模型 33
3.1.1 彈塑性本構(gòu)關(guān)系 33
3.1.2 本構(gòu)模型的建立 34
3.2 加卸載準則 35
3.2.1 加卸載概念 35
3.2.2 單向應(yīng)力狀態(tài)下的加卸載 35
3.2.3 一般應(yīng)力狀態(tài)下的加卸載 35
3.3 各向異性金屬薄殼的加載與硬化 36
3.3.1 加載條件 36
3.3.2 硬化規(guī)律與硬化模型 37
3.3.3 等向強化模型 37
3.4 各向異性金屬薄殼的塑性流動 40
3.5 各向同性金屬薄殼的本構(gòu)關(guān)系 42
3.6 各向異性金屬薄殼的本構(gòu)關(guān)系 44
3.7 各向異性金屬薄殼本構(gòu)關(guān)系的應(yīng)用 47
第4章 各向異性金屬薄殼本構(gòu)模型的參數(shù)確定 49
4.1 基于板狀試樣的本構(gòu)模型參數(shù)確定 49
4.1.1 采用應(yīng)力數(shù)據(jù)的模型參數(shù)確定方法 49
4.1.2 采用應(yīng)變數(shù)據(jù)的模型參數(shù)確定方法 52
4.1.3 基于板狀試樣確定模型參數(shù)的缺點 56
4.2 基于管狀試樣的本構(gòu)模型參數(shù)確定 56
4.2.1 正應(yīng)力相關(guān)參數(shù)的確定 56
4.2.2 剪應(yīng)力相關(guān)參數(shù)的確定 60
4.3 試驗數(shù)據(jù)的選擇組合及參數(shù)求解 60
4.3.1 試驗數(shù)據(jù)的選擇與組合 60
4.3.2 模型參數(shù)的求解方法 61
4.4 薄壁管單軸力學性能參數(shù)測定 62
4.4.1 軸向拉伸試驗 62
4.4.2 環(huán)向拉伸試驗 63
4.5 薄壁管雙軸力學性能參數(shù)測定 68
4.5.1 雙軸可控加載試驗方法 68
4.5.2 雙軸可控加載試驗裝置 72
4.5.3 雙軸可控應(yīng)力加載試驗 76
4.6 薄壁管剪切力學性能參數(shù)測定 78
4.6.1 純剪試驗原理 78
4.6.2 剪切試樣設(shè)計 79
4.6.3 剪切試驗 81
第5章 各向異性金屬薄殼全應(yīng)力域本構(gòu)模型及應(yīng)用 83
5.1 各向異性鋁合金薄壁管全應(yīng)力域變形特性 83
5.1.1 全應(yīng)力域屈服特性 83
5.1.2 全應(yīng)力域流動特性 85
5.2 各向異性鋁合金薄壁管變形特性理論預測 86
5.2.1 常用本構(gòu)模型系數(shù)確定 86
5.2.2 屈服行為理論預測 87
5.2.3 流動行為理論預測 91
5.2.4 理論預測偏差原因 94
5.3 各向異性鋁合金薄壁管全應(yīng)力域新本構(gòu)模型 95
5.3.1 全應(yīng)力域本構(gòu)模型構(gòu)建 95
5.3.2 新本構(gòu)模型的外凸性 97
5.3.3 新本構(gòu)模型的系數(shù)確定 99
5.3.4 新本構(gòu)模型的預測特性 103
5.3.5 新本構(gòu)模型準確性驗證 106
5.4 各向異性薄壁管全應(yīng)力域本構(gòu)模型的應(yīng)用 110
5.4.1 本構(gòu)模型有限元實現(xiàn) 110
5.4.2 內(nèi)高壓成形過程變形行為分析 113
5.5 基于本構(gòu)模型的薄壁管各向異性參數(shù)測定 116
5.5.1 面內(nèi)各向異性參數(shù)測定理論 117
5.5.2 典型薄壁管面內(nèi)各向異性參數(shù) 123
第6章 各向異性金屬薄板力學性能及成形極限 125
6.1 金屬薄板性能測試方法 125
6.1.1 薄板脹形基本原理 125
6.1.2 線性加載：定邊界約束凹模脹形 128
6.1.3 非線性加載：變邊界約束凹模脹形 129
6.1.4 薄板脹形試驗專用裝置 131
6.2 不同加載條件下各向異性金屬薄板的性能 132
6.2.1 材料和測試方案 132
6.2.2 線性和非線性加載下的變形規(guī)律 134
6.2.3 線性和非線性加載下的力學性能 139
6.2.4 線性和非線性加載下的成形極限 141
6.3 基于韌性斷裂準則的成形極限理論預測 143
6.3.1 預測模型及參數(shù)確定 143
6.3.2 預測模型的特性分析 146
6.3.3 線性加載條件下的成形極限 148
6.3.4 非線性加載條件下的成形極限 149
第7章 各向異性金屬薄壁管力學性能及成形極限 150
7.1 金屬薄壁管性能測試方法 150
7.1.1 薄壁管軸向定約束脹形 150
7.1.2 薄壁管軸向變約束脹形 162
7.1.3 薄壁管雙面加壓脹形 163
7.2 軸向定約束狀態(tài)薄壁管力學性能及成形極限 168
7.2.1 軸向定約束條件下的力學性能 168
7.2.2 基于軸向約束條件的成形極限圖 170
7.3 軸向變約束狀態(tài)薄壁管力學性能及成形極限 172
7.3.1 平面應(yīng)力線性加載條件力學性能及成形極限 172
7.3.2 平面應(yīng)力非線性加載條件成形極限 176
7.4 雙面加壓狀態(tài)薄壁管力學性能及成形極限 178
7.4.1 三向應(yīng)力狀態(tài)力學性能 178
7.4.2 三向應(yīng)力狀態(tài)成形極限 180
7.5 環(huán)向壁厚非均勻薄壁管的成形極限 186
7.5.1 M-K模型中壁厚不均勻系數(shù)的定義 186
7.5.2 薄壁管偏心度對FLC的影響 188
7.5.3 鋁合金擠壓管的成形極限 190
參考文獻 192
附錄 國家標準 195
CONTENTS
Preface
Chapter 1 Introduction 1
1.1 Definition of thin shells of metals and its classification 1
1.2 Forming technology and deformation theory for thin shells of metals 1
1.2.1 Forming technology for thin shells of metals and its characters 1
1.2.2 Deformation theory for thin shells of anisotropic metals 2
1.3 State-of-the-art of deformation theory for thin shells of anisotropic metals 4
1.3.1 Constitutive model for anisotropic metals 4
1.3.2 Forming limit of thin shells of anisotropic metals 6
1.4 Recent developments in the deformation theory for thin shells of anisotropic metals 8
Chapter 2 Yield Criteria for Anisotropic Metals 11
2.1 Anisotropy of thin-walled metals 11
2.1.1 Anisotropy of thin-walled sheets 11
2.1.2 Anisotropy of thin-walled tubes 13
2.2 Concept of yield criterion 13
2.3 Theoretical prediction of anisotropic properties 15
2.3.1 Prediction of uniaxial tension yield stress 15
2.3.2 Prediction of anisotropic coefficient 16
2.4 Classical anisotropic yield criterion: Hill'48 model 17
2.4.1 Parameter determination of Hill'48 model 17
2.4.2 Prediction characteristics of Hill'48 model 23
2.4.3 Limitation of Hill'48 model 24
2.5 Advanced anisotropic yield criteria 25
2.5.1 Barlat'89 model 26
2.5.2 Yld2000-2d model 29
Chapter 3 Constitutive Model for Anisotropic Metals 33
3.1 Elasto-plastic constitutive relationship and constitutive model 33
3.1.1 Elasto-plastic constitutive relationship 33
3.1.2 Construction of constitutive model 34
3.2 Loadingandunloadingcriteria 35
3.2.1 Concept of loadingandunloading 35
3.2.2 Loading and unloading under uniaxial stress state 35
3.2.3 Loading and unloading under general stress state 35
3.3 Loading and hardening of anisotropic metals 36
3.3.1 Loading condition 36
3.3.2 Hardening rule and hardening model 37
3.3.3 Isotropic hardening model 37
3.4 Plastic flow of anisotropic metals 40
3.5 Constitutive model for isotropic metals 42
3.6 Constitutive model for anisotropic metals 44
前言
第1章 概論 1
1.1 金屬薄殼的定義及分類 1
1.2 金屬薄殼成形技術(shù)及變形理論 1
1.2.1 金屬薄殼成形技術(shù)及特點 1
1.2.2 各向異性金屬薄殼變形理論的內(nèi)涵 2
1.3 各向異性金屬薄殼變形理論的研究現(xiàn)狀 4
1.3.1 各向異性金屬薄殼的本構(gòu)模型 4
1.3.2 各向異性金屬薄殼的成形極限 6
1.4 各向異性金屬薄殼變形理論的新進展 8
第2章 各向異性金屬薄殼的屈服準則 11
2.1 薄壁金屬材料的各向異性 11
2.1.1 薄壁金屬板材的各向異性 11
2.1.2 薄壁金屬管材的各向異性 13
2.2 屈服準則的概念 13
2.3 各向異性特性的理論預測 15
2.3.1 單向拉伸屈服應(yīng)力的預測 15
2.3.2 厚向異性系數(shù)的預測 16
2.4 經(jīng)典各向異性屈服準則：Hill'48屈服準則 17
2.4.1 Hill'48屈服準則的參數(shù)確定 17
2.4.2 Hill'48屈服準則的預測特性 23
2.4.3 Hill'48屈服準則的不足 24
2.5 先進各向異性屈服準則 25
2.5.1 Barlat'89屈服準則 26
2.5.2 Yld2000-2d屈服準則 29
第3章 各向異性金屬薄殼的本構(gòu)模型 33
3.1 彈塑性本構(gòu)關(guān)系及本構(gòu)模型 33
3.1.1 彈塑性本構(gòu)關(guān)系 33
3.1.2 本構(gòu)模型的建立 34
3.2 加卸載準則 35
3.2.1 加卸載概念 35
3.2.2 單向應(yīng)力狀態(tài)下的加卸載 35
3.2.3 一般應(yīng)力狀態(tài)下的加卸載 35
3.3 各向異性金屬薄殼的加載與硬化 36
3.3.1 加載條件 36
3.3.2 硬化規(guī)律與硬化模型 37
3.3.3 等向強化模型 37
3.4 各向異性金屬薄殼的塑性流動 40
3.5 各向同性金屬薄殼的本構(gòu)關(guān)系 42
3.6 各向異性金屬薄殼的本構(gòu)關(guān)系 44
3.7 各向異性金屬薄殼本構(gòu)關(guān)系的應(yīng)用 47
第4章 各向異性金屬薄殼本構(gòu)模型的參數(shù)確定 49
4.1 基于板狀試樣的本構(gòu)模型參數(shù)確定 49
4.1.1 采用應(yīng)力數(shù)據(jù)的模型參數(shù)確定方法 49
4.1.2 采用應(yīng)變數(shù)據(jù)的模型參數(shù)確定方法 52
4.1.3 基于板狀試樣確定模型參數(shù)的缺點 56
4.2 基于管狀試樣的本構(gòu)模型參數(shù)確定 56
4.2.1 正應(yīng)力相關(guān)參數(shù)的確定 56
4.2.2 剪應(yīng)力相關(guān)參數(shù)的確定 60
4.3 試驗數(shù)據(jù)的選擇組合及參數(shù)求解 60
4.3.1 試驗數(shù)據(jù)的選擇與組合 60
4.3.2 模型參數(shù)的求解方法 61
4.4 薄壁管單軸力學性能參數(shù)測定 62
4.4.1 軸向拉伸試驗 62
4.4.2 環(huán)向拉伸試驗 63
4.5 薄壁管雙軸力學性能參數(shù)測定 68
4.5.1 雙軸可控加載試驗方法 68
4.5.2 雙軸可控加載試驗裝置 72
4.5.3 雙軸可控應(yīng)力加載試驗 76
4.6 薄壁管剪切力學性能參數(shù)測定 78
4.6.1 純剪試驗原理 78
4.6.2 剪切試樣設(shè)計 79
4.6.3 剪切試驗 81
第5章 各向異性金屬薄殼全應(yīng)力域本構(gòu)模型及應(yīng)用 83
5.1 各向異性鋁合金薄壁管全應(yīng)力域變形特性 83
5.1.1 全應(yīng)力域屈服特性 83
5.1.2 全應(yīng)力域流動特性 85
5.2 各向異性鋁合金薄壁管變形特性理論預測 86
5.2.1 常用本構(gòu)模型系數(shù)確定 86
5.2.2 屈服行為理論預測 87
5.2.3 流動行為理論預測 91
5.2.4 理論預測偏差原因 94
5.3 各向異性鋁合金薄壁管全應(yīng)力域新本構(gòu)模型 95
5.3.1 全應(yīng)力域本構(gòu)模型構(gòu)建 95
5.3.2 新本構(gòu)模型的外凸性 97
5.3.3 新本構(gòu)模型的系數(shù)確定 99
5.3.4 新本構(gòu)模型的預測特性 103
5.3.5 新本構(gòu)模型準確性驗證 106
5.4 各向異性薄壁管全應(yīng)力域本構(gòu)模型的應(yīng)用 110
5.4.1 本構(gòu)模型有限元實現(xiàn) 110
5.4.2 內(nèi)高壓成形過程變形行為分析 113
5.5 基于本構(gòu)模型的薄壁管各向異性參數(shù)測定 116
5.5.1 面內(nèi)各向異性參數(shù)測定理論 117
5.5.2 典型薄壁管面內(nèi)各向異性參數(shù) 123
第6章 各向異性金屬薄板力學性能及成形極限 125
6.1 金屬薄板性能測試方法 125
6.1.1 薄板脹形基本原理 125
6.1.2 線性加載：定邊界約束凹模脹形 128
6.1.3 非線性加載：變邊界約束凹模脹形 129
6.1.4 薄板脹形試驗專用裝置 131
6.2 不同加載條件下各向異性金屬薄板的性能 132
6.2.1 材料和測試方案 132
6.2.2 線性和非線性加載下的變形規(guī)律 134
6.2.3 線性和非線性加載下的力學性能 139
6.2.4 線性和非線性加載下的成形極限 141
6.3 基于韌性斷裂準則的成形極限理論預測 143
6.3.1 預測模型及參數(shù)確定 143
6.3.2 預測模型的特性分析 146
6.3.3 線性加載條件下的成形極限 148
6.3.4 非線性加載條件下的成形極限 149
第7章 各向異性金屬薄壁管力學性能及成形極限 150
7.1 金屬薄壁管性能測試方法 150
7.1.1 薄壁管軸向定約束脹形 150
7.1.2 薄壁管軸向變約束脹形 162
7.1.3 薄壁管雙面加壓脹形 163
7.2 軸向定約束狀態(tài)薄壁管力學性能及成形極限 168
7.2.1 軸向定約束條件下的力學性能 168
7.2.2 基于軸向約束條件的成形極限圖 170
7.3 軸向變約束狀態(tài)薄壁管力學性能及成形極限 172
7.3.1 平面應(yīng)力線性加載條件力學性能及成形極限 172
7.3.2 平面應(yīng)力非線性加載條件成形極限 176
7.4 雙面加壓狀態(tài)薄壁管力學性能及成形極限 178
7.4.1 三向應(yīng)力狀態(tài)力學性能 178
7.4.2 三向應(yīng)力狀態(tài)成形極限 180
7.5 環(huán)向壁厚非均勻薄壁管的成形極限 186
7.5.1 M-K模型中壁厚不均勻系數(shù)的定義 186
7.5.2 薄壁管偏心度對FLC的影響 188
7.5.3 鋁合金擠壓管的成形極限 190
參考文獻 192
附錄 國家標準 195
CONTENTS
Preface
Chapter 1 Introduction 1
1.1 Definition of thin shells of metals and its classification 1
1.2 Forming technology and deformation theory for thin shells of metals 1
1.2.1 Forming technology for thin shells of metals and its characters 1
1.2.2 Deformation theory for thin shells of anisotropic metals 2
1.3 State-of-the-art of deformation theory for thin shells of anisotropic metals 4
1.3.1 Constitutive model for anisotropic metals 4
1.3.2 Forming limit of thin shells of anisotropic metals 6
1.4 Recent developments in the deformation theory for thin shells of anisotropic metals 8
Chapter 2 Yield Criteria for Anisotropic Metals 11
2.1 Anisotropy of thin-walled metals 11
2.1.1 Anisotropy of thin-walled sheets 11
2.1.2 Anisotropy of thin-walled tubes 13
2.2 Concept of yield criterion 13
2.3 Theoretical prediction of anisotropic properties 15
2.3.1 Prediction of uniaxial tension yield stress 15
2.3.2 Prediction of anisotropic coefficient 16
2.4 Classical anisotropic yield criterion: Hill'48 model 17
2.4.1 Parameter determination of Hill'48 model 17
2.4.2 Prediction characteristics of Hill'48 model 23
2.4.3 Limitation of Hill'48 model 24
2.5 Advanced anisotropic yield criteria 25
2.5.1 Barlat'89 model 26
2.5.2 Yld2000-2d model 29
Chapter 3 Constitutive Model for Anisotropic Metals 33
3.1 Elasto-plastic constitutive relationship and constitutive model 33
3.1.1 Elasto-plastic constitutive relationship 33
3.1.2 Construction of constitutive model 34
3.2 Loadingandunloadingcriteria 35
3.2.1 Concept of loadingandunloading 35
3.2.2 Loading and unloading under uniaxial stress state 35
3.2.3 Loading and unloading under general stress state 35
3.3 Loading and hardening of anisotropic metals 36
3.3.1 Loading condition 36
3.3.2 Hardening rule and hardening model 37
3.3.3 Isotropic hardening model 37
3.4 Plastic flow of anisotropic metals 40
3.5 Constitutive model for isotropic metals 42
3.6 Constitutive model for anisotropic metals 44
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各向異性金屬薄殼變形理論(精) 節(jié)選
第1章 概論 1.1 金屬薄殼的定義及分類 薄殼是指具有一定曲率的薄壁結(jié)構(gòu)，其*小曲率半徑與壁厚之比一般大于20，既包括形狀簡單的單曲率殼，如異形截面管件，也包括幾何特征復雜的雙曲率殼，如具有空間曲面的薄壁曲面件。圖1-1給出典型薄壁殼體示意圖。 圖1-1 薄壁殼體及成形工藝示意圖 金屬薄殼通常也稱為金屬薄壁構(gòu)件或鈑金件，其突出特征是可將法向載荷轉(zhuǎn)變?yōu)檠刂诤窬鶆蚍植嫉谋∧?yīng)力，具有高承載效率的優(yōu)勢，因此是航空、航天、高鐵和汽車等高端裝備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，數(shù)量占比達50%以上。金屬薄殼是由薄壁管坯或薄壁板坯經(jīng)過成形加工獲得*終的幾何形狀和尺寸精度。因此，嚴格來講，薄壁管/板兩類坯料和金屬薄壁構(gòu)件分別屬于原材料加工和零部件成形兩個不同的學科方向。本書討論的問題集中于將簡單的金屬管坯和板坯成形為復雜金屬薄壁構(gòu)件時涉及的各向異性塑性變形理論。為敘述方便，本書中將金屬管坯/板坯也稱為金屬薄殼。 1.2 金屬薄殼成形技術(shù)及變形理論 1.2.1 金屬薄殼成形技術(shù)及特點 薄殼的變形，都是在一定載荷和約束條件下發(fā)生的形狀和尺寸變化。對于薄殼，外部載荷分為兩類，一類是作用在殼體整個區(qū)域的均布載荷，另一類是作用在殼體局部區(qū)域的集中載荷。例如，作用在內(nèi)外表面的面力（如液壓、氣壓等）就屬于前者；作用在殼體局部區(qū)域的集中力以及邊界上的集中力或彎矩則屬于后者。 根據(jù)薄殼變形時的載荷作用形式，可將金屬薄殼成形技術(shù)分為面域均布加載成形和局域集中加載成形兩大類。 流體介質(zhì)壓力成形是利用流體作為傳力介質(zhì)或模具使金屬薄殼變形的一種先進塑性成形技術(shù)。按使用的傳力介質(zhì)不同，流體介質(zhì)壓力成形分為液壓成形和氣壓成形。按使用的坯料不同，流體介質(zhì)壓力成形可分為板坯流體介質(zhì)壓力成形（封閉殼流體介質(zhì)壓力成形）和管坯流體介質(zhì)壓力成形。在以板坯和管坯為坯料的流體介質(zhì)壓力成形過程中，雖然坯料的局部區(qū)域還會因剛性沖頭、剛性模具的作用而產(chǎn)生集中載荷或約束，但這并不改變流體介質(zhì)壓力成形的本質(zhì)特征，即金屬薄殼在均布載荷作用下處于雙向應(yīng)力狀態(tài)，發(fā)生連續(xù)塑性變形。 對于特定的金屬薄壁構(gòu)件，選用合適的流體介質(zhì)壓力成形工藝并在成形過程中對材料、載荷和邊界進行實時調(diào)控，即可實現(xiàn)復雜薄壁構(gòu)件的成形，具有非常高的靈活性。而從另一角度來看，金屬薄壁構(gòu)件的成形過程影響因素多、過程復雜多變。圖1-2所示的薄壁管內(nèi)高壓成形充分說明了金屬薄殼變形的復雜性。 在內(nèi)高壓成形前，需要對圓截面管坯進行彎曲和預成形，獲得需要的軸線和截面形狀，以便將預制坯放置到模具型腔進行內(nèi)高壓成形，如圖1-2（a）所示。而在后續(xù)內(nèi)高壓成形過程中，脹形區(qū)管坯將經(jīng)歷復雜應(yīng)力路徑。在初始充填階段，管坯處于軸向受壓的單向應(yīng)力狀態(tài)；在成形初期，處于軸向受壓、環(huán)向受拉應(yīng)力狀態(tài)；在成形后期，處于軸向和環(huán)向雙向受拉應(yīng)力狀態(tài)；在整形階段，處于軸向和環(huán)向雙向受拉應(yīng)力狀態(tài)，但是軸向拉應(yīng)力已相對較小。容易看出，對于一個典型的內(nèi)高壓成形過程，薄壁管坯經(jīng)歷了從軸向單向受壓到軸向和環(huán)向雙向受拉的復雜轉(zhuǎn)變，管坯的壁厚也從開始的增厚到壁厚不變再到壁厚減薄，過程非常復雜。 1.2.2 各向異性金屬薄殼變形理論的內(nèi)涵 金屬薄殼的塑性變形方式有多種，但基本方式無外乎拉伸（變。┖蛪嚎s（增厚）。拉伸是指薄壁坯料在以拉應(yīng)力為主的作用下被拉伸減。ㄉ踔翑嗔哑茐模，壓縮則是指薄壁坯料在壓應(yīng)力作用下被壓縮增厚（甚至失穩(wěn)起皺）。為實現(xiàn)金屬薄殼的塑性變形，需要對其施加特定的載荷。實踐中，金屬薄殼的變形多處于雙向應(yīng)力狀態(tài)，而可能的雙向應(yīng)力狀態(tài)包括“拉-拉”、“拉-壓”、“壓-壓”。在壓應(yīng)力作用下金屬薄殼很難進行穩(wěn)定的塑性變形，因此金屬薄殼的變形更多是以拉伸減薄為主的方式。相應(yīng)地，關(guān)于金屬薄殼的塑性變形理論，也主要集中于以拉伸為主的伸長和減薄變形。 圖1-2 金屬薄殼變形的復雜性 從金屬薄板、薄管到金屬薄壁構(gòu)件的成形過程，其核心問題是金屬薄殼在載荷和約束作用下的宏觀變形流動規(guī)律，而其基礎(chǔ)則是金屬薄殼的塑性變形理論。需要指出，本書所討論的金屬薄殼變形理論，集中于變形體本身的塑性變形特性。成形復雜薄壁構(gòu)件時變形體的宏觀變形流動規(guī)律、微觀組織演變及損傷等，在本書中暫不討論。 鋁合金、鎂合金、鈦合金、高強鋼等輕質(zhì)難變形材料，在制備其薄壁板材或管材的過程中，材料的變形流動具有明顯的方向性，從而形成織構(gòu)及各向異性，表現(xiàn)為金屬薄殼不同方向上的力學性能存在顯著差異。例如，沿軋制金屬薄板的軋制方向和垂直軋制方向、沿擠壓金屬薄管的軸向和環(huán)向，其屈服強度、硬化指數(shù)和塑性指標等都明顯不同，這導致坯料不同方向的變形特性具有顯著的各向異性。 1.3 各向異性金屬薄殼變形理論的研究現(xiàn)狀 隨著新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝的不斷出現(xiàn)，金屬薄殼的變形理論得到了快速發(fā)展，特別是隨著具有明顯各向異性的金屬薄殼的廣泛應(yīng)用，各向異性金屬薄殼變形理論已成為國際塑性成形領(lǐng)域的研究熱點之一。其中，各向異性金屬薄殼的本構(gòu)模型、各向異性金屬薄殼的成形極限是兩個非常重要的研究內(nèi)容，也是本書討論的重點。 1.3.1 各向異性金屬薄殼的本構(gòu)模型 在復雜構(gòu)件成形過程中，原始坯料經(jīng)歷不同應(yīng)力狀態(tài)下的多種變形方式，其各向異性還將進一步變化。可以說，上述金屬材料從原始薄壁坯料制備到復雜零件成形，一直伴隨著微觀組織和力學性能的變化，這種變化直接影響或決定了*終零件的成形質(zhì)量。正因如此，此類輕質(zhì)難變形薄殼各向異性特性和變形行為的演變規(guī)律及數(shù)值仿真一直都是國際塑性理論領(lǐng)域關(guān)注的焦點。 在對金屬薄殼塑性變形過程進行仿真分析時，其精度和效率很大程度上取決于所采用的材料本構(gòu)模型。塑性本構(gòu)模型的三要素：①屈服準則；②硬化規(guī)律；③流動法則。假設(shè)塑性應(yīng)變增量分量互成比例，則僅用一個塑性勢函數(shù)即可確定塑性應(yīng)變增量總量，塑性應(yīng)變增量的方向與應(yīng)力狀態(tài)一一對應(yīng)而與應(yīng)力增量無關(guān)。塑性應(yīng)變增量的表達式為 （1-1） 式中，為塑性因子；為屈服函數(shù)；為塑性勢函數(shù)。 1.理論模型方面 屈服問題：為描述金屬材料的屈服行為，提出了很多屈服準則。Hill提出了用于正交各向異性材料的二次式屈服函數(shù)，該函數(shù)形式簡單且具有明確物理意義，因此得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)Hill’48準則，對于面內(nèi)各向同性材料，當時，屈服軌跡在Mises屈服橢圓內(nèi)部，當時，應(yīng)在外部。然而，Pearce等在多種材料特別是鋁合金材料中觀察到完全相反的異常試驗現(xiàn)象。為克服Hill’48屈服函數(shù)的問題，出現(xiàn)了很多非二次式各向異性屈服函數(shù)，具有代表性的有Barlat’89、Yld2000-2d、Yld2004-18p、Karafillis-Boyce等。這些新的屈服函數(shù)通過采用高次函數(shù)形式引入了更多待定系數(shù)以提高其柔性，因此可以描述具有不同程度各向異性的材料的屈服行為。 硬化問題：對于低碳鋼等材料，在加載變形過程中屈服應(yīng)力不會出現(xiàn)明顯非對稱，可用各向同性強化描述材料的后繼屈服。但是，對于鋁合金、超高強鋼等輕質(zhì)高強材料，當應(yīng)變路徑變化時將出現(xiàn)復雜的加載和卸載行為，如包辛格效應(yīng)（Bauschinger effect）、短暫軟化、硬化遲滯等。這些行為無法用等向強化模型來描述或解釋。為此，提出了隨動強化模型（kinematic hardening model）、混合強化模型（mixed hardening model）。近來，Barlat等提出均勻各向異性強化模型（homogeneous anisotropic hardening model），該模型對包辛格效應(yīng)、短暫軟化等現(xiàn)象進行了合理科學的解釋，顯著提高了對各向異性屈服行為的預測精度。 流動問題：通過采用先進各向異性屈服準則并結(jié)合合理的硬化準則，可以對屈服應(yīng)力或屈服面進行較好的描述和預測。但是，對于塑性應(yīng)變比或塑性勢面的預測仍存在較大誤差。Stoughton對Pearce等的異常試驗結(jié)果深入分析發(fā)現(xiàn)，所研究的幾種材料的屈服面形狀非常相似。而對于塑性勢面，當r值較小時在雙拉區(qū)為扁平狀，隨著r值增加，塑性勢面逐漸被拉長并接近屈服面的形狀。簡而言之，對于不同的材料，屈服面和塑性勢面的形狀差異程度明顯不同，這種差異程度與材料的各向異性特性密切相關(guān)。 近年來，越來越多的研究表明，現(xiàn)有的傳統(tǒng)塑性本構(gòu)理論在描述各向異性材料的復雜變形時存在根本的缺陷或局限性。這是因為，一方面，傳統(tǒng)塑性本構(gòu)理論以德魯克（Drucker）公設(shè)及相關(guān)聯(lián)流動法則（associated flow rule， AFR）為主要基礎(chǔ)。在Drucker公設(shè)和AFR條件下，屈服面和塑性勢面需要采用相同的函數(shù)來描述，塑性勢面及塑性應(yīng)變增量的大小和方向完全由屈服面決定。事實上，Drucker公設(shè)*初是作為彈塑性穩(wěn)定材料的定義提出的，是保證塑性穩(wěn)定性的充分條件而非必要條件，AFR是對金屬塑性本構(gòu)模型的冗余約束條件。另一方面，經(jīng)典塑性力學中假設(shè)應(yīng)力主軸始終與應(yīng)力增量主軸共軸，這就忽略了應(yīng)力增量中剪應(yīng)力分量的影響。事實上，在各向異性材料的復雜加載過程中，因為應(yīng)力路徑的變化會引入剪應(yīng)力分量，這必然會導致應(yīng)力主軸旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生對應(yīng)的塑性變形。這是導致現(xiàn)有塑性本構(gòu)理論不適用于各向異性材料的另一主要原因。 針對相關(guān)聯(lián)本構(gòu)模型的問題，Stoughton等提出非關(guān)聯(lián)（non-associated flow rule，non-AFR）的概念。基于non-AFR構(gòu)建的本構(gòu)模型中，分別利用屈服函數(shù)和塑性勢函數(shù)描述材料的屈服和塑性流動。采用非關(guān)聯(lián)塑性本構(gòu)模型，成功解決了很多相關(guān)聯(lián)塑性本構(gòu)模型無法解釋或描述的問題。目前，基于非關(guān)聯(lián)流動準則構(gòu)建塑性本構(gòu)模型，被認為是解決傳統(tǒng)塑性本構(gòu)用于各向異性材料復雜加載變形時所出現(xiàn)困難的有效途徑之一。但是，由于非關(guān)聯(lián)本構(gòu)模型的建立、算法實現(xiàn)、優(yōu)化等不夠成熟，尚無法或難以應(yīng)用這些模型分析實際問題。因此，本書中暫不討論非關(guān)聯(lián)本構(gòu)模型。 2.試驗方法方面 眾所周知，先進塑性本構(gòu)模型的發(fā)展，必須要有先進的試驗方法和充足的試驗數(shù)據(jù)作為支撐。新的塑性本構(gòu)模型中待定參數(shù)的確定以及模型精度和計算效率的驗證，都需要依據(jù)足夠且精確的試驗數(shù)據(jù)？梢哉f，試驗技術(shù)在塑性本構(gòu)模型的發(fā)展中一直起到舉足輕重的作用。 對于薄壁平板坯料，在確定屈服函數(shù)和塑性勢函數(shù)中的待定系數(shù)以及硬化模型時，目前都采用沿與板材軋制方向（rolling direction， RD）每隔取試樣進行7個單向拉伸以及1個等雙拉的試驗方案。其中，除RD和垂直軋制方向（transverse direction， TD）之外的5個單向拉伸試驗本質(zhì)上對應(yīng)5個包含剪應(yīng)力的一般加載條件。基于此特征，Lou等利用上述數(shù)據(jù)構(gòu)建了簡化的Yld2004-18p屈服函數(shù)，預測了三軸加載（triaxial loading）條件下具有中等程度各向異性的面心立方（face-centered cubic，F(xiàn)CC）和體心立方（body-centered cubic， BCC）材料的變形。 對于薄壁圓管坯料，無法直接進行數(shù)量足夠的單向拉伸試驗。Kuwabara等開發(fā)了薄壁管雙軸加載試驗方法，通過調(diào)控管坯軸向拉力和內(nèi)部壓力，實現(xiàn)了不同軸向和環(huán)向應(yīng)力比的線性加載試驗。利用所得應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)，分析了鋁合金擠壓管的屈服和塑性流動特性。但是，目前該實驗系統(tǒng)只能實現(xiàn)應(yīng)力比相對固定的比例加載，對于更一般的應(yīng)力路徑特別是應(yīng)力比、應(yīng)力主軸連續(xù)可控變化的加載尚未見報道。 概括而言，目前在建立材料本構(gòu)模型時所采用的試驗方法仍以簡單的單向加載為主。在描述或表征材料的變形特性時，要么采用若干單向拉伸試驗數(shù)據(jù)和單個等雙拉試驗數(shù)據(jù)，要么采用固定應(yīng)力比的雙軸加載試驗數(shù)據(jù)。由于這些試驗都是簡單的線性比例加載，不能實現(xiàn)應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑連續(xù)變化這種更一般的加載條件，因此無法體現(xiàn)應(yīng)力路徑或應(yīng)力增量與各向異性特性之間的關(guān)系。 1.3.2 各
各向異性金屬薄殼變形理論(精) 作者簡介
何祝斌，1977年生，江蘇漣水人，教授，博士生導師，大連理工大學高性能精密成形研究所常務(wù)副所長。 何祝斌教授主要從事復雜薄壁整體構(gòu)件流體介質(zhì)壓力成形理論與技術(shù)研究。在輕合金薄壁構(gòu)件熱態(tài)氣壓成形機理與技術(shù)、強各向異性金屬薄殼塑性變形理論等方面取得重要創(chuàng)新成果。獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎、省部級技術(shù)發(fā)明一等獎，獲第二十屆中國專利獎金獎。發(fā)表論文100余篇；獲授權(quán)中國發(fā)明專利50項、美國發(fā)明專利6項；牽頭制定國家標準2項。入選教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃、遼寧省“興遼英才計劃”創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、大連理工大學“星海杰青”、遼寧省“百千萬人才工程”百人層次。擔任International Journal of Mechanical Sciences、《塑性工程學報》、《鍛壓技術(shù)》、《精密成形工程》等雜志編委。
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