基于应变梯度塑性理论的中厚板精冲韧性损伤机理研究

在当前对结构轻量化和节能降耗日益迫切的需求下，精冲作为一种先进的净成形技术，已成为中厚板成形领域的重要发展趋势。认清精冲成形机理，掌握成形规律，对提高复杂精冲零件的研制生产水平、可靠性以及模具寿命具有十分重要的意义。本项目正是在此背景下，采用胞元模型结合物理实验的方法,分析应力三轴度、罗德系数等参量对材料塑性和延性的影响规律，综合考虑多种损伤机制间的相互作用，开展GTN模型向剪切断裂领域扩展的研究工作；同时，在本构模型中引入应变梯度塑性理论，克服材料尺度效应和网格相关性对模型计算结果的影响。在此基础上，系统开展精冲成形过程的数值模拟和实验研究，以期获取成形过程中材料的韧性损伤断裂机理，并通过数值模拟积累精冲成形工艺知识，达到优化工艺设计、提高模具寿命和精冲件质量的目的。本项目研究内容不仅具有重要的学术价值，对提升我国中厚板精冲成形技术水平、促进精冲技术发展也具有重要意义。

项目主要开展了GTN模型向剪切断裂领域扩展的研究工作，同时将应变梯度塑性理论引入了剪切增强GTN模型，克服了材料尺度效应和网格相关性对计算结果的影响。此外，结合代表性体积单元法，系统研究了精冲材料微观组织形貌与分布对精冲成形过程金属流动及断面质量的影响。项目共计发表论文12篇（含录用未发表），其中SCI/EI不重复收录9篇，获得授权国家发明专利2项，受理申请国家发明专利1项。另外，培养毕业硕士研究生6名。具体研究成果简述如下：.不同的网格划分会使得材料的损伤及断裂失效过程具有较大偏差。本项目从梯度塑性理论的控制方程及其“弱”形势构造，单元构造及形函数插值，单元刚度矩阵的计算，以及梯度塑性理论与剪切增强GTN模型的耦合四个方面开展了理论研究。将材料内禀长度和塑性变形的二阶梯度引入，通过非局部积分计算等效应力，在一定程度上可减弱网格依赖性的影响。.围绕现有板料剪切试验在受剪面数量及加载方式方面的特点与不足，本项目提出了一种新的金属板料双压缩剪切试验方法。结合数值模拟，验证了所提出的双压缩剪切试验在变形区内可实现纯剪受力状态，且在剪切变形过程中这种受力状态能够稳定保持。通过调整试样几何结构特征，该方法能够在剪切变形区内实现稳定的负应力三轴度状态，可用于剪切断裂机理的研究。.针对GTN模型参数众多且不易确定的问题，本项目设计了6种不同应力三轴度的试样，进行拉伸试验得到不同工况下的载荷-位移曲线。利用ABAQUS/Explicit结合VUMAT用户子程序对各组试样的损伤演化和断裂过程进行了研究。为使GTN模型更准确的应用到不同应力状态下，假定形核应变是应力三轴度的指数函数。运用反求法分析不同缺口半径的拉伸试验，确定GTN模型中面向高应力三轴度情况的损伤参数，随后与剪切试验对比确定剪切系数Kw。结果表明，这种方式确定的修正GTN模型参数可以应用到较宽的应力三轴度范围包括纯剪状态。.球化退火后碳化物的含量及分布情况，影响着精冲材料的力学性能及精冲性能。本项目通过建立基于材料微观组织的代表性体积单元，分析比较了碳化物的含量和带状分布对铁素体-碳化物钢力学性能的影响。结果表明碳化物含量越多，精冲用钢整体变形抗力越大，碳化物的带状分布降低了材料的塑性。此外，将子模型功能应用于分析精冲过程中剪切区内材料的流动规律，得出了与实验结果完全接近的剪切变形组织形貌。.