基于GTN损伤的铝合金管内高压成形的破裂预测

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铝合金管材内高压成形技术是实现结构减重的先进制造技术,已经得到了广泛的应用。而铝合金的室温成形性能差,破裂是铝合金管材内高压成形过程中的主要缺陷之一。材料的宏观响应与材料的细观结构有着本质的联系,金属材料的韧性断裂通常包括微孔洞的形核、长大和聚合三个阶段,细观损伤模型能够反映随着材料损伤的累积而逐渐断裂的过程,细观损伤模型被广泛的应用于分析和预测材料的断裂。因此基于GTN损伤模型研究管材内高压成形的破裂预测对内高压成形技术的应用具有十分重要的意义。本文通过扫描电镜观察了5A02铝合金材料单向拉伸试样的孔洞损伤的演化,初步确定了初始孔洞体积分数f0、临界孔洞体积分数fc、断裂孔洞体积分数fF,采用有限元逆向法,将单向拉伸实验与有限元数值模拟相结合,确定了5A02铝合金材料GTN模型的损伤参数。基于GTN损伤模型对管材两端自由和两端补料两种状态的管材内高压成形过程进行了数值模拟。以断裂孔洞体积分数作为管材破裂的判据,预测了管材胀形时的破裂压力,分析了孔洞损伤对壁厚减薄、胀形高度和极限应变的影响,并建立了数值模拟成形极限图。结果表明:随着孔洞体积分数的增长,管材胀形最高点壁厚减薄越来越严重,胀形高度越来越高;两端自由胀形和两端补料胀形都属于伸长类变形,改变胀形区长度对应变状态影响不大,改变补料量可以获得差别较大的应变状态。对外径30mm、壁厚1.5mm的5A02铝合金管材进行了不同胀形区长度和不同补料量的胀形实验。得到了管材胀破时的压力,与预测的破裂压力进行了对比,并对胀形最高点的应变进行了分析,建立了管材胀形的破裂成形极限图,并与通过数值模拟建立的成形极限图进行了对比。基于GTN损伤模型,采用数值模拟研究了T型三通管成形的损伤破裂行为。分析了内压和补料量对孔洞损伤演化的影响,并研究了应力三轴度和等效塑性应变对孔洞体积分数的影响。在T型三通管支管成形后期,等效塑性应变对孔洞体积分数的增长起主要作用。
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