【摘 要】
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运输业驱使高强、轻质及高可成形性零件的需求不断增长。铝合金在常温下成形能力差,在高温下成形可以提高其塑性变形能力,从而获得形状复杂的部件。然而材料热变形下的硬化与损伤机制复杂,热变形下延性断裂的预测成为控制产品质量的关键。本文以2124铝合金为研究对象,建立耦合损伤的粘塑性本构模型来描述材料热变形下的硬化、损伤及断裂行为,并通过材料用户子程序VUMAT将其应用于等温胀形过程的破裂预测以及双C热成形
【基金项目】
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四川省科技计划资助项目(2019YFG0313)、(2020YFH0078);
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运输业驱使高强、轻质及高可成形性零件的需求不断增长。铝合金在常温下成形能力差,在高温下成形可以提高其塑性变形能力,从而获得形状复杂的部件。然而材料热变形下的硬化与损伤机制复杂,热变形下延性断裂的预测成为控制产品质量的关键。本文以2124铝合金为研究对象,建立耦合损伤的粘塑性本构模型来描述材料热变形下的硬化、损伤及断裂行为,并通过材料用户子程序VUMAT将其应用于等温胀形过程的破裂预测以及双C热成形下的工艺分析,主要工作内容如下:在温度350-450℃,应变速率0.001-0.1s-1范围内对2124铝合金进行热拉伸试验,分析了温度和应变速率对材料峰值应力和延伸率的影响。对热拉伸后试样的断口进行金相试验,分析了在不同温度和应变速率下材料微观组织的演变规律。建立了基于位错密度的粘塑性模型来描述2124铝合金热变形下的硬化行为。此外,基于幂形式的非线性损伤演化规律,提出了一种考虑温度、应变速率、塑性应变及应力三轴效应的高温损伤模型,并将损伤变量与屈服准则耦合以描述材料软化。利用遗传算法获取了粘塑性模型的材料参数,其中构建了一组材料参数与温度之间的参数方程以提高模型精度。此外,为了获取与应力三轴度相关的损伤模型参数,在高低温下进行缺口拉伸试验,获得了应力三轴度与等效塑性应变的演化规律。开发了ABAQUS软件用户自定义材料子程序VUMAT,建立热拉伸有限元模型,基于热拉伸试验数据反求了与演化特征相关的损伤模型参数,并分析了在温度450℃、应变速率0.1s-1条件下热拉伸过程的损伤演化行为。将2124铝合金等温胀形和双C热成形作为研究对象,利用已建立的本构模型对成形过程进行仿真分析。首先分析了在温度400℃下等温胀形过程的损伤演化行为,并在该条件下进行了等温胀形实验,将实验和仿真试样的破裂位置以及破裂后的厚度进行对比,验证了提出的损伤模型用于预测2124铝合金热成形下破裂行为的可靠性。此外,基于正交试验,研究了不同工艺参数(温度、速度、压边力和摩擦系数)对双C热成形过程损伤演化的影响,使用极差分析方法获得了最优的工艺参数条件。进行相应工艺条件下的双C热成形实验,验证了该工艺分析的有效性,并对该最佳工艺下的双C热成形过程进行有限元分析以阐明其热成形下的变形特征。
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