考虑剪切损伤和各向异性的GTN模型修正及应用研究

作     者：龚颖颖 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈鑫

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 082304[工学-载运工具运用工程] 080204[工学-车辆工程] 080502[工学-材料学] 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] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：GTN细观损伤模型 剪切损伤 各向异性 冲压成形 铝合金 

摘      要：为加快推动新能源汽车产业实现低碳化、电动化、智能化发展,深化新能源布局,汽车铝加工需求迎来井喷式增长。铝合金是目前汽车轻量化技术的首选材料。但由于铝合金成形性能较差,因此在冲压成形过程中极易发生拉裂、起皱、回弹等加工缺陷。通过有限元数值模拟方法预测冲压过程中可能出现的缺陷,优化调整工艺参数,是解决上述问题的有效方法。 建立准确的材料损伤模型来反映材料的塑性变形和损伤过程是保证有限元仿真结果真实可靠的关键。GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)细观损伤模型考虑微孔洞的形核、长大和聚合对材料屈服行为的影响,从细观角度揭示了材料损伤的演化过程,在研究金属板材的延性损伤方面有着独特的优势。但传统GTN模型的应用范围存在一定的局限性,且损伤参数不易确定,限制了模型的应用。本文综合考虑剪切损伤和板材各向异性的影响,在GTN损伤模型的基础上,引入剪切损伤演化规律和各向异性屈服准则,构造了更为完备的材料本构模型,并应用于AA6061-T6铝合金冲压成形的数值模拟中。具体研究内容如下: 首先,根据研究需要,设计了不同轧制方向和具有不同应力状态的拉伸试样。基于准静态拉伸试验获取了AA6061-T6铝合金板材的力学性能参数和各向异性参数。研究塑性各向异性和应力状态对AA6061-T6铝合金断裂行为的影响,并通过扫描电镜分析不同应力状态下铝合金试样的断口形貌和损伤机理。 其次,考虑孔洞剪切损伤和材料各向异性,建立了Barlat89-ZGTN细观损伤模型。对原始GTN模型进行两方面的改进,引入Barlat89各向异性屈服准则和Zhou提出的剪切损伤理论。基于单轴拉伸试验,采用中心复合设计-响应面法-多目标遗传算法相结合的有限元反向标定法确定GTN模型损伤参数,并研究了各个损伤参数对材料拉伸曲线的影响。详细描述了修正后的Barlat89-ZGTN损伤模型本构方程及数值算法表达式,通过编辑用户自定义材料子程序VUMAT在有限元软件ABAQUS中实现数值模拟运算。 随后,通过Nakazima实验法获取AA6061-T6铝合金的成形极限曲线,与Barlat89-ZGTN损伤模型数值模拟的结果进行比较。结果表明,考虑剪切损伤机制和材料各向异性是有必要的。与原始GTN损伤模型相比,Barlat89-ZGTN模型对于成形极限曲线的各个应变状态区域都有较好的预测精度,尤其是改善了原始GTN模型在平面应变状态和双拉应变状态区域预测不准的情况。 最后,以S形轨道件为分析对象,依据建立的Barlat89-ZGTN损伤模型,数值模拟S形轨道件冲压成形过程。分析计算板材成形的最大减薄率,通过控制变量法,研究冲压速度、压边力、摩擦系数对零件成形性能的影响。采用响应面法获取最优工艺参数组合,仿真分析S形轨道件的冲压成形过程,结合AA6061-T6铝合金的成形极限曲线验证了优化参数方案可行性。 本文建立了考虑孔洞剪切损伤和材料各向异性的Barlat89-ZGTN损伤模型。通过有限元仿真技术准确预测铝合金板材成形缺陷,进而提高零件成形质量,降低废品率。为汽车行业铝合金板材成形及冲压工艺设计提供必要的理论支持。