金属成形过程断裂行为的数值模拟技术研究

论文摘要

金属塑性成形过程中存在大量的断裂现象。成形工艺,尤其是在分离工艺中,需要利用断裂来成形。成形质量的好坏直接影响着产品的使用寿命。本文以ANSYS软件二次开发技术为平台,研究了金属断裂过程数值模拟的关键技术问题,主要内容如下:首先,通过对8种断裂准则的分析比较,得出适合金属断裂过程模拟的断裂准则。自定义一种平面4节点单元,并对其进行分析,求出其单元位移场和应力、应变场,最后得出其刚度矩阵,并基于这种单元应用断裂准则,利用ANSYS二次开发技术,实现用户自定义平面单元user101的程序开发,然后通过编程将断裂准则嵌入到ANSYS中,最后实现自定义单元和ANSYS的连接。并通过对一个悬臂梁模型进行模拟,与ANSYS中现有单元plane42进行比较,从而验证了自定义单元的正确性。其次,利用自定义单元user101,以及自定义断裂准则,在ANSYS中对钢板冲压成形过程进行数值模拟。根据数值模拟结果,分析整个变形过程中应力、应变和位移的变化规律,从而预测出材料发生断裂位置。最后,对铝合金5052拉伸成形过程进行数值模拟,根据铝板断裂过程中的数值模拟结果,预测出材料发生断裂位置。为了验证模拟结果的正确性,以铝合金5052为实验材料,进行铝板拉伸过程中的断裂实验。采用作者自行设计的模具,在YEW-5000型微机屏显液压压力试验机上进行试验,利用SDY2102型动态电阻应变仪检测铝板变形过程中的应变变化规律,从而测得断裂发生时的应变值,与数值模拟结果的应变值相比较,验证数值模拟结果的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究概况
• 1.3 断裂理论
• 1.3.1 裂纹的基本类型
• 1.3.2 应力强度因子
• 1.4 选题意义及研究内容
• 1.4.1 研究的目的和意义
• 1.4.2 主要研究内容
• 第2章 金属成形过程断裂模拟理论基础
• 2.1 断裂机理及断裂准则的选取
• 2.1.1 断裂机理
• 2.1.2 断裂准则的选取
• 2.2 自定义的单元USER101 刚度矩阵的计算
• 2.2.1 有限元计算流程
• 2.2.2 单元描述
• 2.2.3 单元位移场
• 2.2.4 求解单元应力和应变场
• 2.2.5 单元势能及刚度矩阵的求解
• 2.3 本章小结
• 第3章 金属成形过程断裂模拟的编程实现
• 3.1 ANSYS 二次开发技术
• 3.2 自定义用户单元特性
• 3.2.1 用户单元use1101 描述
• 3.2.2 自定义单元特性的函数实现
• 3.3 自定义单元计算流程
• 3.3.1 单元计算函数
• 3.3.2 用户单元use1101 计算流程
• 3.4 用户断裂准则的编程实现
• 3.5 自定义单元与ANSYS 的连接
• 3.6 自定义单元验证
• 3.6.1 建立模型、定义单元
• 3.6.2 定义材料属性、建模、分网
• 3.6.3 加载、施加约束并求解
• 3.6.4 模拟结果比较
• 3.7 本章小结
• 第4章 金属成形过程断裂数值模拟
• 4.1 冲压成形的断裂预测算例
• 4.1.1 冲压模型及模拟参数
• 4.1.2 冲压成形数值模拟结果分析
• 4.2 铝合金拉伸断裂数值模拟
• 4.2.1 建立几何模型
• 4.2.2 板料材料属性
• 4.2.3 单元类型的定义及网格划分
• 4.2.4 定义接触、加载求解
• 4.2.5 数值模拟结果分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 铝合金拉伸成形断裂实验
• 5.1 实验目的
• 5.2 实验材料
• 5.3 实验模具及实验设备
• 5.3.1 实验模具
• 5.3.2 YEW 型微机屏显液压试验机
• 5.3.3 SDY2102 型动、静态应变仪
• 5.3.4 扭矩扳手
• 5.4 实验准备
• 5.4.1 压边力计算
• 5.4.2 应变片粘贴
• 5.5 实验步骤
• 5.6 实验结果分析
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介