一种基于损伤断裂准则数值预测板料成形断裂的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于塑性成形领域，更具体地，涉及一种基于损伤断裂准则数值预测板料 成形断裂的方法。
【背景技术】
[0002] 板料成形是一种非常重要的金属塑性成形的加工方式之一，具有在航空航天、汽 车、船舶及民用工业的中占据了相当大的比重。在过去，板料成形工艺的经验十分丰富，工 艺和技术的改进往往来源于几十次甚至上百次的反复试验，随着加工零件的复杂化和工件 产量的剧增，板料成形中的断裂问题一直是金属塑性成形领域的难点和热点问题。在金属 板料成形过程中，不仅包含了材料的塑性流动，还伴随着材料的损伤，并随着材料损伤的演 化逐渐发展成为材料的宏观裂纹，而工件的断裂问题是影响板料成形性能的重要因素，因 此，实现准确预测材料的损伤断裂行为有着重要的科学意义和工程价值。
[0003] 采用有限元方法对金属板料成形进行数值模拟已成为工艺设计和模具设计的一 个有效工具。通过数值模拟方法可预测金属流动过程中应力、应变、温度场分布规律，甚至 材料成形过程中的断裂行为，对工艺及模具设计有很大的参考价值。多年来，不少研宄者们 对模拟板料成形中断裂的预测进行了大量研宄，取得了许多成果，但是，板料成形是个相当 复杂的力学过程，受到材料本构关系、材料各向异性等性能、几何大变形、以及计算能力等 问题的制约影响，采用现有的数值方法预测板料成形中的断裂具有很大的误差。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于损伤断裂准则数值 预测板料成形断裂的方法，其目的在于，解决现有数值方法预测板料成形中断裂具有很大 的误差的技术问题，同时本发明方法的损伤断裂准则能够用于指导提高板料成形能力和零 件的成形质量，具有成本低，效率高的特点。
[0005] 一种基于损伤断裂准则数值预测板料成形断裂的方法，包括以下步骤：
[0006] (1)根据热力学不可逆定律获取金属板料筒形件冲压过程的受力状态分布，并根 据该受力状态分布得到金属板料筒形件冲压过程中应力的平衡微分方程；
[0007] (2)根据连续损伤力学理论计算金属板料筒形件冲压过程中金属板料筒形件发生 损伤时，金属板料筒形件的小单元的面积的变化率，并根据该变化率获得金属板料筒形件 的损伤，计算出金属板料筒形件的损伤和应变之间的关系，最后根据自由能理论和密席斯 屈服准则推导出整个金属板料筒形件冲压过程中金属板料筒形件的一维尺度下的损伤值 和真实应力、真实应变、静水应力之间的关系，并扩展为金属板料筒形件三维应力尺度下的 损伤断裂准则；
[0008] (3)根据步骤⑴金属板料筒形件冲压过程中应力的平衡微分方程和步骤⑵获 得的金属板料筒形件三维应力尺度下的损伤断裂准则的表达式，并基于有限元软件ABAQUS 编写损伤断裂准则中损伤值的表达式，并将该表达式应用于板料成形有限元模型中，以得 到金属板料筒形件出现断裂时刻的损伤值，以及金属板料筒形件断裂位置的损伤值。
[0009] 优选地，步骤（1)中应力的平衡微分方程如下：
[0010]
【主权项】
1. 一种基于损伤断裂准则数值预测板料成形断裂的方法，其特征在于，包括以下步 骤： (1) 根据热力学不可逆定律获取金属板料筒形件冲压过程的受力状态分布，并根据该 受力状态分布得到金属板料筒形件冲压过程中应力的平衡微分方程； (2) 根据连续损伤力学理论计算金属板料筒形件冲压过程中金属板料筒形件发生损伤 时，金属板料筒形件的小单元的面积的变化率，并根据该变化率获得金属板料筒形件的损 伤，计算出金属板料筒形件的损伤和应变之间的关系，根据自由能理论和密席斯屈服准则 推导出整个金属板料筒形件冲压过程中金属板料筒形件的一维尺度下的损伤值和真实应 力、真实应变、静水应力之间的关系，并扩展为金属板料筒形件三维应力尺度下的损伤断裂 准则； (3) 根据步骤（1)金属板料筒形件冲压过程中应力的平衡微分方程和步骤（2)获得的 金属板料筒形件三维应力尺度下的损伤断裂准则的表达式，并基于有限元软件ABAQUS编 写损伤断裂准则中损伤值的表达式，并将该表达式应用于板料成形有限元模型中，以得到 金属板料筒形件出现断裂时刻的损伤值，以及金属板料筒形件断裂位置的损伤值。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1)中应力的平衡微分方程如下：
其中X，y和z为金属板料筒形件的小单元在三维垂直坐标系的三个方向的坐标值，内 应力σ t是小单元在t方向（t = X，y, z)上的正应力值，τ u为小单元在i j平面（i, j = X，y，z，其中i辛j)上的切应力值，f2为金属板料筒形件冲压过程中采用的凸模的均压力载 荷，f ly为采用的压边圈的Y方向压应力载荷，f lx和f lz为压边圈的摩擦力载荷。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（2)包括以下子步骤： (2-1)获取金属板料筒形件的小单元的原始截面积Stl; (2-2)获取金属板料筒形件冲压过程中金属板料筒形件发生损伤时，金属板料筒形件 的小单元的损伤状态下的截面积S ; (2-3)根据小单元的原始截面积Stl和损伤状态下的截面积S计算小单元的损伤值D， 作为小单元的面积的变化率：
(2-4)根据计算得到的小单元的损伤值D获得小单元的弹性应变和塑性应变ε p:
式中，η为金属板料筒形件的材料硬化指数，G为金属板料筒形件和塑性变形程度有关 的塑性剪切模量，K是金属板料筒形件和体积变形有关的体积模量，λ是金属板料筒形件 和弹性应力变化有关的弹性模量，且有：
其中V为金属板料筒形件的泊松比，E为金属板料筒形件的弹性模量，因此小单元的 损伤弹