一种薄壁管各向异性塑性本构模型参数的确定方法技术

本发明专利技术属于管材塑性加工技术领域，公开了一种薄壁管各向异性塑性本构模型参数的确定方法。基于能反映管材面内任意方向各向异性塑性流动特性的管材拉深试验，利用有限元仿真，结合优化算法，逆向确定薄壁管各向异性塑性本构模型参数。本发明专利技术的方法能确定准确的薄壁管各向异性塑性本构模型；能准确获得薄壁管非主轴方向的各向异性系数解决薄壁管非主轴方向的各向异性系数测定难题；实验原理简单，试样保持管坯的初始圆弧形状，不会引入额外预应变引起额外误差；可用于确定各种各向异性薄壁管的塑性本构模型，适用范围广泛；所确定的薄壁管非主轴方向的各向异性系数可为管材性能评价提供一种有效的手段。能评价提供一种有效的手段。能评价提供一种有效的手段。

【技术实现步骤摘要】
一种薄壁管各向异性塑性本构模型参数的确定方法


[0001]本专利技术属于管材塑性加工
，具体涉及一种薄壁管各向异性塑性本构模型参数的确定方法。

技术介绍

[0002]为满足现代结构对轻量化、高可靠和长寿命的要求，采用轻合金管材制造的复杂异形整体薄壁构件，可保证力学性能的同时实现材料与结构的双重减重，因此该类构件已被成功应用于航空、航天和汽车等高端制造领域。但是，此类构件成形难度大，表现在：(1)材料方面：所用初始薄壁管坯主要通过挤压、轧制等方法制造，类似于轧制薄板，由于制造过程坯料变形具有明显的方向性，在制造过程中产生微观织构取向，导致薄壁管坯的宏观力学性能普遍具有显著的各向异性；(2)工艺方面：此类构件结构复杂呈异形非对称，成形时起皱和破裂缺陷风险共存。因此，成形前的有限元仿真已经成为该类新产品设计及生产中不可缺少的技术手段，能显著缩短开发周期、大幅度降低生产成本。而材料的塑性本构关系在很大程度上决定了仿真分析精度，所以构建可准确反映薄壁管各向异性特性的塑性本构关系非常关键。
[0003]构建塑性本构关系需要大量的实验数据以确定其系数，按照确定塑性本构关系中正应力和剪应力系数所需实验数据的类型可分为主轴方向实验数据和非主轴方向实验数据，其中主轴方向实验数据用于确定正应力(σ
x
、σ
y
)有关的系数，而非主轴方向实验数据用于确定剪应力(σ
xy
)有关的系数。但是，由于管材的几何特殊性，无法像板材那样通过任意方向的单拉实验获得面内任意方向的各向异性系数。现有管材性能测试方法只能提供描述管材主轴方向(轴向和环向)塑性流动特性的各向异性系数。至今，没有任何实验方法能测试管材非主轴方向的各向异性系数，导致构建管材各向异性塑性本构关系时只能将通过非主轴方向各向异性系数确定的系数假设为常数或作各向同性处理，所建塑性本构关系不能准确描述管材的各向异性塑性流动特性。因此，如何确定管材面内非主轴方向各向异性系数，建立准确的薄壁管各向异性塑性本构关系，已经成为管材塑性本构关系发展亟待解决的瓶颈难题。

技术实现思路

[0004]本专利技术是为解决现有薄壁管各向异性塑性本构关系均无法准确建立的难题，提出一种薄壁管各向异性塑性本构模型参数的确定方法。
[0005]本专利技术所采用的技术方案为：
[0006]一种薄壁管各向异性塑性本构模型参数的确定方法，总体思路为：基于能反映管材面内任意方向各向异性塑性流动特性的管材拉深试验，利用有限元仿真，结合优化算法，逆向确定薄壁管各向异性塑性本构模型参数。
[0007]步骤如下：
[0008]步骤一、从待测薄壁管上沿轴向截取单向拉伸试样并进行单向拉伸试验以确定薄
壁管的均匀延伸率η、轴向厚向异性系数r
z
和轴向单拉流动应力
‑
应变关系曲线；
[0009]步骤二、从待测薄壁管上裁切管材拉深试样，管材拉深试样展平后为圆板，管材拉深试样沿管材环向的最大长度H不大于待测薄壁管截面周长的一半；
[0010]步骤三、根据步骤一中确定的薄壁管的均匀延伸率η和步骤二中管材拉深试样的形状和尺寸，设计管材拉深模具，包括凹模A、凸模C和压边圈B的形状和尺寸；
[0011]步骤四、利用步骤三设计的管材拉深模具对步骤二中的管材拉深试样进行拉深实验；拉深实验时使凹模A与凸模C型腔中心线重合，将管材拉深试样置于凹模A的上方，在管材拉深试样上方放置压边圈B，调整压边圈B和凹模A之间的间隙至管材拉深试样不起皱，并保持此间隙在拉深过程中不变，使凸模C向凹模A移动，管材拉深试样逐渐拉深进入凹模A中直至实验结束；
[0012]步骤五、取出步骤四中拉深实验后的试样，并对试样轮廓形状进行测量和分析，记录拉深后试样沿圆周的筒壁高度为h
ei
，并依据h
ei
的分布定性判断薄壁管面内各向异性特性，给出薄壁管面内各向异性特性的定性结果；第一种情况，若拉深后的拉深试样边缘光滑，从轴向至环向的筒壁高度h
ei
单调递减，类似图4(a)所示，则说明管材面内各个方向的厚向异性系数相差不大，无明显的极大值或极小值，原始管坯近似为各向同性，即r
45
＝r
θ
＝r
z
,其中，r
45
为与管材轴向夹角为45
°
的厚向异性系数；r
θ
为管材环向的厚向异性系数、r
z
为管材轴向的厚向异性系数；第二种情况，若拉深后的拉深试样在轴向和环向之间的方向即与轴向呈45度角方向的筒壁高度h
ei
出现极大值，如图4(b)所示，则r
45
＞(r
z
+r
θ
)/2；第三种情况，反之，若拉深后的拉深试样沿轴向和环向的筒壁高度h
ei
出现极大值,则r
45
＜(r
z
+r
θ
)/2，如图4(c)所示；
[0013]步骤六、根据步骤五中给出的薄壁管面内各向异性特性的定性结果选择薄壁管所匹配的塑性本构关系模型结构类型，记为g(σ
ij
)，σ
ij
为薄壁管面内的应力分量；
[0014]步骤七、按照步骤二、步骤三中确定的管材拉深试样、管材拉深模具形状和尺寸，建立有限元仿真模型，仿真实验材料的塑性性能为步骤一中单拉流动应力
‑
应变关系曲线；
[0015]步骤八、选择自带有步骤六中确定的塑性本构关系模型的有限元仿真软件，或将步骤六中确定的塑性本构关系模型编写成子程序，嵌入到有限元仿真软件中，并对确定塑性本构关系模型中未知系数用到的待定性能参数取合适的初值；参数的初值选择依据步骤五的定性结果，第一种情况时，的初值取为r
45(0)
＝r
θ(0)
＝r
z
，其中r
z
为步骤一中测量的结果；第二种情况时，的初值取值为r
θ(0)
＝r
z
、r
45(0)
＝κ
·
r
z
，其中r
z
为步骤一中测量的结果，κ为初值系数，κ∈[1.1,2.0]，若45度方向的筒壁高度h
e(45
°
)
的极大值小于等于其中h
e(z)
为轴向的筒壁高度，h
e(θ)
为环向的筒壁高度，则κ取1.1；若45度方向的筒壁高度h
e(45
°
)
的极大值大于等于则κ取2.0，其他视情况取[1.1,2.0]区间的中间值；第三种情况时，的初值取值为r
θ(0)
＝r
z
、r
45(0)
＝κ
·
r
z
，其中r
z
为步骤一中测量的结果，κ为初本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种薄壁管各向异性塑性本构模型参数的确定方法，其特征在于，步骤如下：步骤一、从待测薄壁管上沿轴向截取单向拉伸试样并进行单向拉伸试验以确定薄壁管的均匀延伸率η、轴向厚向异性系数r
z
和轴向单拉流动应力
‑
应变关系曲线；步骤二、从待测薄壁管上裁切管材拉深试样，管材拉深试样展平后为圆板，管材拉深试样沿管材环向的最大长度H不大于待测薄壁管截面周长的一半；步骤三、根据步骤一中确定的薄壁管的均匀延伸率η和步骤二中管材拉深试样的形状和尺寸，设计管材拉深模具，包括凹模A、凸模C和压边圈B的形状和尺寸；步骤四、利用步骤三设计的管材拉深模具对步骤二中的管材拉深试样进行拉深实验；拉深实验时使凹模A与凸模C型腔中心线重合，将管材拉深试样置于凹模A的上方，在管材拉深试样上方放置压边圈B，调整压边圈B和凹模A之间的间隙至管材拉深试样不起皱，并保持此间隙在拉深过程中不变，使凸模C向凹模A移动，管材拉深试样逐渐拉深进入凹模A中直至实验结束；步骤五、取出步骤四中拉深实验后的试样，并对试样轮廓形状进行测量和分析，记录拉深后试样沿圆周的筒壁高度为h
ei
，并依据h
ei
的分布定性判断薄壁管面内各向异性特性，给出薄壁管面内各向异性特性的定性结果；步骤六、根据步骤五中给出的薄壁管面内各向异性特性的定性结果选择薄壁管所匹配的塑性本构关系模型结构类型，记为g(σ
ij
)，σ
ij
为薄壁管面内的应力分量；步骤七、按照步骤二、步骤三中确定的管材拉深试样、管材拉深模具形状和尺寸，建立有限元仿真模型，仿真实验材料的塑性性能为步骤一中单拉流动应力
‑
应变关系曲线；步骤八、选择自带有步骤六中确定的塑性本构关系模型的有限元仿真软件，或将步骤六中确定的塑性本构关系模型编写成子程序，嵌入到有限元仿真软件中，并对确定塑性本构关系模型中未知系数用到的待定性能参数取初值；步骤九、对步骤七、步骤八中建立的有限元仿真模型进行管材拉深实验的有限元仿真，并记录仿真后试样沿圆周的筒壁高度为h
fi
；步骤十、将步骤九中仿真获得筒壁高度h
fi
与步骤五中实验获得筒壁高度h
ei
进行对比，如果满足其中，n为沿拉深后试样一周所取的实验数据的个数；则所取的初值即为薄壁管真实的材料性能数据，反之，如果不满足上述关系，即则改变步骤八中待定性能参数的取值，记为k为改变待定性能参数的次数，并再次进行有限元仿真计算，并对应记录仿真后试样沿圆周的筒壁高度为h
fi
，直至满足关系式步骤十一、记录满足关系式的最后一次仿真的材料性能参数为为即为薄壁管真实的材料性能数据，下角标中字母N表示改变性能参数重复进
行有限元仿真的次数；并进一步根据Drucker流动准则确定步骤六中塑性本构关系模型的未知系数，给出塑性本构关系模型g(σ
ij
)的具体表达式。2.根据权利要求1所述的薄壁管各向异性塑性本构模型参数的确定方法，其特征在于，步骤五中，薄壁管面内各向异性特性的定性结果的判定如下：第一种情况，若拉深后的拉深试样边缘光滑，从轴向至环向的筒壁高度h
ei
单调递减，则说明管材面内各个方向的厚向异性系数相差不大，无明显的极大值或极小值，原始管坯近似为各向同性，即r
45
＝r
θ
...

【专利技术属性】
技术研发人员：林艳丽，何祝斌，凡晓波，苑世剑，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：