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非经典塑性理论

作　者: 黄均平
导　师: 彭向和
学　校: 重庆大学
专　业: 固体力学
关键词: 本构模型热力耦合弹塑性大变形有限元金属成形
分类号: O344
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

在金属材料精密成形加工领域，人们长期以来主要是通过经验试错方法进行工艺及模具的设计，这使得新产品和新工艺开发试制周期较长，材料消耗大，成本高，也使产品质量往往得不到保证。以有限元方法用计算机对成形加工过程进行模拟，可以大大加快新产品和新工艺开发速度，使材料消耗大为减少。但目前流行的有限元商用软件多采用含屈服面的经典弹塑性本构模型及算法，但实际成形所使用的材料许多并没有明显的屈服现象，因此使得这些商用软件的应用受到限制，不能真正发挥出应有的功能。许多大型商用软件，均以采用用户子程序接口的方式，扩展其功能。因此，要采用商用软件材料库中尚不具备的材料模型进行成形分析，必须研究响应的算法，并按软件提供的子程序格式及要求编写子程序。采用非经典塑性本构模型进行金属成形分析，涉及材料力学性质的非线性，成形过程中的几何非线性问题和热力学性质的非线性问题。近年来，一些学者对非经典塑性理论及其在金属成形中的应用进行了研究，但在采用非经典塑性理论对考虑热力耦合下的金属成形过程分析方面尚未见实质性的进展。本研究工作应用连续介质力学的研究方法建立考虑热力耦合和大变形的非经典塑性本构模型，将本构方程表述为增量形式，研究了适用于有限元分析的基于修正的拉格朗日描述的算法，按隐式算法编写了能够描述材料力学本构性质和热本构性质并可以与ABAQUS／Standard接口的用户子程序UMAT和UMATHT。将其嵌入大型结构分析程序ABAQUS／Standard，对材料的镦粗(Upsetting)和正挤压(Forward Extrusion)进行了分析、模拟与验证。结果表明：所发展的热力耦合非经典大变形弹塑性本构模型能够较好地描述金属成形过程的变形、应力和温度分布；能够合理地解释成形过程中热力耦合；与实验结果的比较表明所发展的模型及方法可以较好地描述金属在成形过程中的本构行为。

全文目录

中文摘要  5-7
英文摘要  7-11
1 绪论  11-19
  1.1 精密成形的研究进展  11-12
    1.1.1 成形精度向净成形方向发展  11
    1.1.2 成形工艺向新型加工方法以及复合工艺方向发展  11-12
    1.1.3 工艺模拟及优化技术发展  12
  1.2 精密成形模拟及本构模型研究进展  12-17
    1.2.1 精密成形模拟的研究进展  12-14
    1.2.2 金属材料精密成形与材料本构模型之间的关系  14-16
    1.2.3 本构模型的研究进展  16-17
  1.3 本文拟开展的研究  17
  1.4 本文拟采用的有限元商用软件  17-19
2 非经典热力耦合大变形弹塑性本构模型  19-39
  2.1 非经典热力耦合大变形弹塑性本构模型  19-23
    2.1.1 功共轭意义下的应力张量  19-21
    2.1.2 无屈服面内时本构模型  21-23
  2.2 数值算法与有限元列式  23-33
    2.2.1 本构方程的增量形式  23-25
    2.2.2 变形中的几何非线性问题  25-26
    2.2.3 本构方程的矩阵形式  26-29
    2.2.4 计算步骤  29-33
  2.3 用户子程序UMAT的编制  33-39
    2.3.1 子程序变量的定义与接口  33-35
    2.3.2 编程  35-36
    2.3.3 计算流程图  36-39
3 塑性变形热诱导的温度场分析  39-49
  3.1 耦合热应力分析  39
    3.1.1 引言  39
    3.1.2 热本构关系的建立和商用软件用户子程序的嵌入  39
  3.2 热传导问题的数学描述  39-42
  3.3 有限元公式和求解  42-45
    3.3.1 热传导问题的变分  42-43
    3.3.2 求解方法  43-45
  3.4 单位时间内单位体积热通量的计算  45-46
  3.5 用户子程序UMATHT的编制  46-49
4 应用与验证  49-73
  4.1 应用  49
  4.2 算例与验证  49-73
    4.2.1 镦粗等温模拟算例  49-54
    4.2.2 非等温耦合的镦粗模拟算例  54-58
    4.2.3 材料正挤压的非等温耦合模拟算例  58-73
5 结论与展望  73-77
  5.1 主要研究结论  73-74
  5.2 后续研究工作展望  74-77
致谢  77-79
参考文献  79-85
附录  85-91
独创性声明  91
学位论文版权使用授权书  91

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