耦合塑性-损伤-断裂的大减薄率强力旋压过程多尺度不均匀变形机理及成形极限

基于大减薄率强力旋压成形技术的复杂回转体零件具有高质量、高精度、性能稳定的优点，满足航空航天、交通、能源等领域低碳、环保、绿色、循环发展的迫切需求，而耦合塑性-损伤-断裂的大减薄率强旋过程多尺度不均匀变形机理及成形极限是强力旋压技术发展亟需解决的关键基础问题。本项目拟采用理论解析、实验和数值模拟有机结合的方法，研究适合于大减薄率强旋加载条件的材料性能测试方法；研究耦合塑性-损伤-断裂的大减薄率强旋过程稳定成形条件及基于各向异性混合硬化材料本构模型的成形过程有限元建模方法；研究耦合塑性-损伤-断裂的大减薄率强旋过程多尺度不均匀变形机理与规律，揭示多尺度不均匀变形对材料劣化的作用机制；研究耦合塑性-损伤-断裂的大减薄率强旋过程成形极限的确定与控制方法。研究结果不但对发展耦合塑性-损伤-断裂的大减薄率强旋精确成形理论和技术具有重要科学意义，而且对复杂回转体零件精确成形及优化设计具有重要应用价值。

在复杂回转体零件大减薄率强旋过程中，随着塑性大变形的产生，材料内部存在的细观结构缺陷逐渐引起材料的劣化，造成了材料的损伤，然后随着材料的损伤演化，使细观结构缺陷不断长大、汇合，逐渐发展成为宏观裂纹，从而产生了开裂现象。因此，本项目基于复杂回转体零件大减薄率强力旋压成形技术，以满足航空航天、交通、能源等领域的发展需求为目标，研究耦合塑性-损伤-断裂的大减薄率强旋过程多尺度不均匀变形机理与规律及其宏微观作用机制，建立耦合塑性-损伤-断裂的大减薄率强旋过程成形极限预测和控制的方法。主要研究结果包括：（1）采用耦合Lemaitre损伤模型的塑性屈服判断准则，研究了铝合金分形旋压成形过程损伤及开裂行为，发现当损伤变量D≥Dc=0.23257时，凸缘底部出现宏观可见裂纹。（2）在铝合金椭球形件强旋中，使用J-C断裂准则得到的破裂位置和实验的破裂位置一致，都在工件变形的过渡区域；初始破裂位置的等效塑性应变最大，应力三轴度最小，JCCRT达到断裂阀值1。（3）合适的旋轮攻角和偏离正弦率为负值时，极限减薄率达到最大，可旋性最好；随着摩擦系数和进给率的增加及板料厚度减小，可旋性变好，厚度不均匀性变差；随着旋轮圆角增大，厚度不均匀性变差。（4）基于改进的Lemaitre损伤断裂准则的筒形件成形模拟中，工件等效应力最大值和等效塑性应变最大值出现在板料与凸模圆角接触的区域，单位体积损伤值在破裂时刻等于1，成形深度误差和壁厚最大误差分别仅为6.5%和9.2%。（5）基于改进的断裂准则，工件最大等效塑性应变为0.36，在初始断裂时候应力三轴度和断裂位置损伤变量值分别为0.23和1.06；利用改进的断裂准则预测的模拟结果和实验数据是一致的，杯口深度的相对误差小于10%。（6）在TA15钛合金热分形旋压过程中，坯料温度沿周向分布较均匀，局部成形区温度基本在984℃左右；跟踪点C的变形量较大，变形和摩擦生热略小于坯料的散热，使其温度仅下降到约945℃；当坯料与模具摩擦因子在0.4~0.6时，凸缘成形质量和精度最高。（7）在成形速度为50/100mm/s时，初始摩擦力比恒速100mm/s时小，速度变化后摩擦力变化比成形速度为10/100mm/s时小，且能较快的稳定。研究结果对发展耦合塑性-损伤-断裂的大减薄率强旋精确成形理论和技术具有重要科学意义和应用价值。