【摘 要】
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铝合金由于其优异的强度比刚度比,在航天、航海以及汽车制造等领域得到了广泛的应用。然而铝合金的力学性能受温度影响较大,在高温环境下铝合金的稳定性较差,限制了其在加工设计时的应用。有限元仿真技术作为塑性加工领域重要的设计和分析手段,可以精准模拟金属材料的塑性成形过程和缺陷预测。借助有限元仿真手段预测和优化铝合金在不同温度和变形条件下的加工成形工艺,构建能够精准模拟铝合金材料力学性能的本构模型是当前研究
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铝合金由于其优异的强度比刚度比,在航天、航海以及汽车制造等领域得到了广泛的应用。然而铝合金的力学性能受温度影响较大,在高温环境下铝合金的稳定性较差,限制了其在加工设计时的应用。有限元仿真技术作为塑性加工领域重要的设计和分析手段,可以精准模拟金属材料的塑性成形过程和缺陷预测。借助有限元仿真手段预测和优化铝合金在不同温度和变形条件下的加工成形工艺,构建能够精准模拟铝合金材料力学性能的本构模型是当前研究的关键点。本文研究了复杂环境下铝合金的力学性能,整理了现有非耦合损伤模型的特点。基于不同应变路径、应变速率和温度下7055铝合金板材的力学实验结果,构建了新的材料损伤模型。通过实验和模拟结果对比分析,验证了所提出的损伤模型准确性。主要研究内容如下:（1）开展了一系列的铝合金板料力学实验研究,包括:常温下单轴拉伸实验、缺口拉伸实验、变路径拉剪实验以及不同温度、不同应变速率的拉伸实验和胀形实验。常温拉伸实验时,采用了 DIC三维散斑系统获取7055铝合金在不同应力状态下的断裂应变,并输出单轴拉伸的力位移曲线。选用了三种不同的温度、速率进行高温拉伸和胀形实验,并输出高温拉伸实验所得的力-位移曲线、等效应力-等效塑性应变曲线。结合等效应力-等效塑性应变曲线求解硬化方程的参数。（2）考虑温度与应变速率影响构建了非耦合损伤模型。在LOU和MMC断裂准则基础上考虑了温度和应变速率的影响,采用修正项将温度和应变速率耦合一起分别对J-C硬化模型、Swift硬化模型进行了修改,提出了分别适用于LOU和MMC断裂准则的两种新的硬化方程。将J-C硬化模型和修改后J-C硬化模型分别与LOU断裂准则结合,构建了非耦合损伤模型JC-LOU、MJC-LOU。将Swift硬化模型和修改后Swift硬化模型分别与MMC断裂准则结合,构建了非耦合损伤模型S-MMC、MS-MMC。（3）损伤模型参数的识别。通过不同温度、不同应变速率下实验所得的等效应力-等效塑性应变曲线,基于最小二乘法拟合得到硬化方程的参数。通过DIC设备所得的常温下实验的断裂应变值,采用非线性曲面的形式拟合出常温下7055铝合金所对应的LOU和MMC断裂准则的参数。结合高温下硬化方程中最小二乘法所得的温度项和应变速率项的参数,最终得到7055铝合金四种非耦合损伤模型的全部参数。（4）有限元仿真研究。根据实验加载条件定义有限元仿真的边界条件,结合所求得的损伤模型的参数值以及实验式样尺寸完成有限元仿真模型的构建。通过有限元仿真软件,结合所提出的损伤模型,对7055铝合金进行高温拉伸和高温胀形状态下有限元仿真。将仿真所得的力位移曲线与实验结果对比,验证了各个损伤模型的精度并分析了模型对于不同路径下的适用性。
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