基于双向应力应变参变量的薄壁管各向异性屈服准则研究

The most adopted way currently to describe the yield behavior of thin-walled tubes which have obvious anisotropy is to use yield criterions for sheet metal and determine related coefficients through uniaxial tensile test. Those criterions can’t precisely describe the yield behavior of tubes under biaxial stress state, in particular, can’t describe the “anisotropic reinforcement” subsequent yield behavior. Therefore the aim of this project is to build anisotropic criterion for thin-walled tubes based on controlled biaxial tension stress and strain components which can effectively both reflect the anisotropy and the “anisotropic reinforcement” subsequent yield behavior of thin-walled tubes. The main contents of this study is: Based on flow stress and strain under biaxial stress state from a changing loading path or more than two sets of linear path a anisotropic yield criterion for thin-walled tubes is established and the effects of initial yield stress, stress ratio and strain ratio to yield condition is discussed. The stress and strain theoretic calculation model of thin-walled tubes under the combination effects of axial force and internal force and the experiment method of flow stress and strain are established. The rationality of the yield criterion will be examined through biaxial tension&hydro-bulging experiment of some typical anisotropic materials such as aluminum alloy and high-strength steel.

对于各向异性明显的薄壁管，目前主要采用类似板材的屈服准则来描述其屈服行为，并采用单向拉伸实验应力应变确定相关系数。所建立的屈服准则无法准确描述双向应力状态下薄壁管的屈服行为，特别是无法表征其“非等向强化”的后继屈服特性。因此，本项目提出以双拉变形应力应变参量构建薄壁管的各向异性屈服准则，利用可控应力路径双拉流动应力应变建立能有效反映薄壁管各向异性特性及“非等向强化”后继屈服特性的屈服准则。主要研究内容为：以变路径或多条线性路径双向应力状态下的流动应力应变为参变量构建薄壁管的各向异性屈服准则，分析初始屈服应力、应力比及应变比等因素对屈服轨迹的影响；建立轴向力与内压耦合作用下薄壁管应力应变理论计算模型及可控应力路径下流动应力应变实验方法；利用铝合金和高强钢等典型各向异性薄壁管的双拉胀形实验验证所建屈服准则的合理性，分析其初始屈服和后继屈服行为。

本课题的核心思想是通过测定薄壁管在双向加载路径下的流动应力应变曲线，建立基于双向应力应变参变量的薄壁管各向异性屈服准则，表征各向异性薄壁管的“非等向强化”后继屈服特性。取得的创新性成果如下：.提出了在理论上如何基于双向应力和应变参变量构建适合于各向异性薄壁管屈服模型的方法。利用多组实验数据来描述材料的各向异性强化和塑性流动特性，建立了不同应力路径下的各流动应力-应变关系之间的等效关系，通过等效强化状态参量 使不同应力状态下对应得到的实验数据可以对应描述同一个等效强化状态，从而实现不同应力状态下的流动应力-应变关系同时用于表征材料的各向异性强化和各向异性塑性流动特性。并在hill48，hill1979，Hosford和Barlat89等屈服函数原表达式基础上，利用双向应力和应变参变量构建了一系列新屈服模型。这些新屈服模型能恰当地反应薄壁管在双向应力加载下的屈服特性。.改变了目前对应于任意一个应力状态增量的等效强化增量全部应用单一的单向拉伸实验应力增量来表征的现状，实现了由双向加载路径下的两个应力增量对应某一种形式来表示，例如对于类似hill48屈服准则新模型，等效强化增量为 。这样，无论是应力比 在整个强化过程中发生变化，还是其对应的塑性应变增量比 值随强化程度发生变化，均能在后继屈服中表现出“非等向强化”的后继屈服特性。.建立了薄壁管双向可控加载实验装置，实现了加载过程中应力比的控制和应力应变的实时采集，获得了不同应力加载路径下的流动应力-应变曲线，为构建基于双向应力应变参变量的薄壁管各向异性屈服准则奠定基础。.对不同应力路径或加载方向下获得的实验流动应力-应变关系曲线进行数学回归，将其表示成一个连续的函数形式。其回归精度将直接关系到所构建的塑性本构关系，决定对材料屈服特性和塑性流动特性的理论预测精度。针对双向流动应力-应变关系曲线，提出了二次多项式和四次多项式回归新模型，相对于幂指数回归模型，回归结果更稳定，回归精度更高。