镁合金板材非对称硬化变形行为的细观本构模型及应用

镁合金作为工程应用中最轻的金属结构材料，是轻量化选材的重要目标。但是镁合金板材常温冲压成形后回弹较大，严重影响了冲压零件精度，必须精确预测并在成形中加以控制。板材冲压回弹过程包含非线性接触、大变形和弹塑性等多种复杂现象，以及加载、卸载、反向加载等变应变路径。镁板在加卸载复杂路径下表现出特殊的非对称硬化特性，因此建立反映其非对称硬化特征的本构模型对于精确模拟镁板冲压成形与回弹至关重要。本项目以AZ31B镁合金板材为研究对象，主要研究内容有：(1) 实验研究了单一路径下镁板的力学性能及织构演变，以及加载-卸载-反向加载路径下镁板的力学行为，包括拉压不对称性及非对称硬化行为。重点研究了镁板的面内各向异性及对冲压性能的影响，为提高冲压性能提供轧制工艺优化方案。(2) 基于细观塑性力学理论，研究了滑移、孪生、反孪生等微观变形机制及相互作用，建立了耦合滑移、孪生和反孪生的多晶体塑性本构模型，能够反映变应变路径下的非对称硬化行为。(3) 研究了多晶体均匀化方法，建立了弹-粘塑性本构模型，该模型能够反映弹-塑性阶段力学行为。(4) 研究了宏微观耦合计算方法，将镁板非对称硬化晶体塑性模型引入大变形弹塑性有限元框架，准确模拟了镁板加载-卸载-反向加载变形过程，应用于镁板成形与回弹的计算，U形弯曲回弹角度误差在2%左右。

镁合金板材在加卸载复杂变形路径下表现出特殊的非对称硬化特性，建立反映其非对称硬化特征的本构模型对于精确模拟镁板冲压成形与回弹至关重要。本项目以AZ31板材为研究对象，基于细观塑性力学理论，采用理论推导、数值模拟与变形实验相结合的方法，研究镁板在加卸载变形路径下滑移-反向滑移、孪生-反孪生等微观变形机制及相互作用，建立能够描述镁板非对称硬化行为微观本质的晶体塑性本构模型；研究多晶体均匀化与宏微观耦合计算方法，将镁板非对称硬化晶体塑性模型引入大变形弹塑性有限元框架，准确模拟镁板加载-卸载-反向加载变形过程，应用于镁板成形与回弹的计算，并通过实验进行验证；利用所建立的模型，研究板材不同织构特性对成形回弹过程中加卸载变形行为的影响规律。本项目研究对于揭示镁合金板材的变形机制、发展镁合金塑性变形理论具有重要的理论价值；对于准确预测镁板回弹、发展镁板塑性成形工艺具有良好的社会意义和经济前景。

通过系统的细宏观实验研究，了解泡沫铝材料及其夹芯板复合结构的循环变形行为特征，观察泡沫铝材料在循环变形过程中的孔洞微结构演化情况，揭示泡沫铝金属循环变形行为的规律和循环变形的细观机理；通过细观有限元分析，研究微结构参数对泡沫铝宏观力学响应的影响；基于细观机理，在唯象粘塑性本构框架下，提出新的泡沫铝循环本构关系；结合泡沫铝循环本构关系和面板材料循环本构关系，利用有限元软件对泡沫铝夹芯板的循环变形行为进行数值模拟和分析。该研究针对泡沫金属及其复合结构的力学问题这一固体力学研究的热点和难点问题，研究成果将是对泡沫金属这一细观非均匀材料本构关系的重要突破，具有重要的理论意义；同时，研究成果可用于循环加载条件下泡沫铝结构的设计以及安全性和寿命评估中，对于促进泡沫铝在轻质化结构中的工程应用，具有重要的应用价值。

针对金属泡沫循环变形行为实验研究和本构描述方面的不足，通过系统的实验研究，了解材循环过程中的变形行为特征和演化规律，并讨论加载应力、孔隙率和孔洞结构的影响，揭示其循环变形变形的内在机理；基于实验揭示的规律，在多机制本构模型的框架下，将塑形变形分为基体材料变形和孔洞结构变形两部分，引入相对密度来反映位孔洞结构对变形行为的影响，建立一个基于变形机理的循环本构模型；基于周期性边界条件，对泡沫铝压缩行为进行有限元模拟，讨论了孔隙率、孔的形状、孔的分布对泡沫铝力学性能的影响。还对泡沫铝夹芯板的三点弯行为进行了有限元模拟，对泡沫铝拉压弹性模量差异对夹芯板变形行为的影响和粘合夹芯板在三点弯加载下的脱粘破坏行为进行了模拟和讨论。研究成果将完善泡沫金属材料的力学性能研究，对于促进泡沫金属结构件的设计和应用具有重要意义。