复杂边界条件下的楔形件拉伸WLD建立及其影响机理研究

作     者：谢军 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杜冰

授予年度：2020年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：薄板成形 YBT 复杂边界条件 楔形件 数值模拟 WLD 

摘      要：随着航天、航空、国防、汽车等制造技术领域的迅猛发展,对于产品轻质化、强韧化以及成形精度的要求越来越高。起皱失稳作为薄壁构件塑性成形的主要缺陷之一,一直是成形调控中的关键要素。本文首先结合数值模拟和试验方法建立了方板对角拉伸试验（YBT）的起皱极限图（WLD）,并证实了WLD对起皱失稳区域具有标识作用。随后针对YBT无法反映真实板壳成形工艺中试件在模具接触条件下起皱失稳特征的问题,本文设计了一种具有复杂边界条件的楔形形状试件的拉伸起皱试验,并以其为研究对象,结合数值模拟和试验方法对复杂边界条件下板壳WLD的影响因素进行了系统的研究。本文主要研究内容如下:（1）以简单边界条件下的YBT作为验证试验,建立用于分析薄板塑性起皱失稳的数值模拟模型。该模型将试件在特征值屈曲分析下得到的屈曲模态作为初始形状缺陷加入到试件的塑性变形动态显示数值模拟中,从而诱导出试件的真实失稳形貌。在此基础上探究YBT在不均匀拉伸载荷性质下的WLD的形貌及特征。最后通过非接触式全场应变测量系统DIC对本章所建立WLD的有效性进行了验证,对WLD对薄板塑性起皱区域的标识作用进行探讨。（2）针对YBT试验无法反映复杂边界条件下板壳起皱失稳规律的问题,设计了楔形件拉伸起皱试验,分别对楔形件有、无平面法向约束的两种成形工况进行了拉伸起皱试验研究,结合DIC系统及其后处理软件VIC-3D对这两种情况的试验结果进行了分析计算,得到了楔形件拉伸起皱试验的在线应变数据。通过对试验数据的分析,发现了楔形件在复杂边界条件下的起皱失稳规律基本符合:从楔形件最顶部中间开始起皱失稳产生皱纹,随着变形的继续,皱纹逐渐向试件两边发展。（3）基于有限元数值模拟软件ABAQUS,采用与模拟YBT相同的数值模拟方法模拟了楔形件两种边界条件下的拉伸起皱失稳,将有限元模拟结果与相应的试验结果进行了对比验证,并对存在法向约束的楔形件拉伸起皱规律进行了总结。结果表明:两种约束边界条件下的楔形件拉伸起皱模拟结果在起皱形貌、皱纹数目以及皱高上与试验吻合较好。证实了基于特征值屈曲分析与动态显示算法相结合的数值模拟方法对于模拟复杂边界条件下的楔形件拉伸起皱同样具有准确性。（4）利用上述楔形件数值模拟模型,对楔形件的起皱失稳机理及其WLD的影响因素和影响规律进行了探讨:针对复杂边界条件下的楔形件受力特征显著不同的起皱区域进行分区域起皱机理研究,提取并对比不同区域的应力加载路径、应力应变状态、应力比、主应变比等数据,讨论了他们对于WLD形貌和其在主应变空间中位置的影响。得出如下结论:不同区域的受力状态、应力路径存在差异,主压应力增幅越大的区域起皱发生越早;主应力的方向决定皱纹的走向。不同受力特征的区域对应的WLD不同:在同一坐标系下,承受切应力越大的区域,WLD斜率也越大。说明存在切应力作用的变形单元,其抗皱性相对仅受正应力作用的变形单元要弱。综上所述,变形单元受力特征对WLD的影响最终可归纳为临界皱屈主应力比对临界皱屈主主应变比的影响。当临界皱屈单元的主应力比越大时,临界皱屈主主应变比就越大,即WLD斜率越大,工艺抗皱性越弱。因此,对于各单元应力路径近似重合的起皱区域而言,WLD能被高度线性拟合,此时WLD为主应变空间中的一条直线;而当起皱区域各单元应力路径差异较大时,各皱屈单元的临界主主应变比的线性拟合精度会下降,对于这样的起皱区域而言WLD不再是一条直线,而是一个具有上下限的区域。