金屬材料的塑性本構(gòu)關(guān)系(又稱應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系)描述的是材料塑性成形過程中應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變速率、溫度等參數(shù)間的關(guān)系,它是評價(jià)材料性能的重要指標(biāo)。在管材液壓脹形中,金屬薄壁管塑性本構(gòu)關(guān)系不僅是影響成形件質(zhì)量和精度的重要因素之一,更是用有限元對金屬薄壁管塑性成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬的前提條件,因此探明準(zhǔn)確的管坯塑性本構(gòu)關(guān)系具有重要意義。目前,金屬薄壁管本構(gòu)關(guān)系的獲取方法主要包括單向拉伸法、液壓脹形法等。本文興迪源機(jī)械帶來管材液壓脹形中金屬薄壁管的塑性本構(gòu)關(guān)系研究現(xiàn)狀。

一、單向拉伸法：

單向拉伸法因簡單易行而成為獲取材料塑性本構(gòu)關(guān)系常用的方法。最初的金屬薄壁管拉伸試件直接取自卷曲前的板材,但由于板材的卷曲過程中會發(fā)生明顯的塑性變形和加工硬化,從而與實(shí)際管材性能存在較大差異,因此研究者考慮從管材上截取拉伸件進(jìn)行拉伸。李波等以304不銹鋼焊縫管母材和焊縫區(qū)材料作為拉伸試件,通過單向拉伸試驗(yàn)獲得了不同區(qū)域材料的塑性本構(gòu)模型。

為了準(zhǔn)確測量管材的環(huán)向力學(xué)性能,何祝斌等采用正壓力線性變化假設(shè)對管材環(huán)向拉伸試件的力學(xué)模型和變形特點(diǎn)進(jìn)行了分析,同時(shí)完成了拉伸試驗(yàn)驗(yàn)證。M.Zhan等對Q215焊縫管混合試件進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn),研究了不同尺寸混合試件的塑性本構(gòu)關(guān)系的影響因素。

但是,無論是采用平直試樣還是環(huán)形試樣進(jìn)行拉伸,都不能真實(shí)反映管材在液壓脹形環(huán)境下的力學(xué)行為和變形特點(diǎn),為此研究者開始了新的本構(gòu)關(guān)系的構(gòu)建。

二、液壓脹形法：

為構(gòu)建更加可靠、準(zhǔn)確的金屬薄壁管材塑性本構(gòu)關(guān)系,基于真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)下的液壓脹形法是最合理的方法。目前,基于THF環(huán)境建立管材塑性本構(gòu)關(guān)系的基本方法包括假設(shè)法和離線測量法。

假設(shè)法是先假定金屬薄壁管脹形區(qū)輪廓為某一簡單的曲線形狀,推導(dǎo)出管材脹形時(shí)應(yīng)力應(yīng)變的計(jì)算公式,然后通過多次管材脹形試驗(yàn)測量或計(jì)算獲得塑性本構(gòu)關(guān)系。?Fuchizawa等基于脹形輪廓的圓弧形假設(shè),通過動態(tài)測量脹形輪廓上3個(gè)點(diǎn)的脹形半徑來確定子午向曲率半徑,然后基于最大脹形處的靜力平衡方程計(jì)算出管材本構(gòu)關(guān)系。

Strano等假設(shè)脹形輪廓為二次函數(shù),基于最小能量法計(jì)算出子午向曲率半徑,獲得本構(gòu)關(guān)系。林艷麗等假設(shè)脹形輪廓為橢圓,利用輪廓曲線方程和離線測量最大脹形高度及厚度獲取本構(gòu)關(guān)系。然而上述假設(shè)法與真實(shí)的管材脹形輪廓曲線存在一定的差別,可能影響本構(gòu)關(guān)系構(gòu)建的精確性。

離線測量法是對多根管坯進(jìn)行不同壓力下的脹形試驗(yàn),然后利用測量裝置離線測量成形管材的脹形參數(shù),再經(jīng)過曲線擬合得到材料參數(shù)強(qiáng)度系數(shù)K和硬化指數(shù)n。?Sokolowski等m采用離線測量各脹形參數(shù),利用靜力平衡法求解軸向和周向應(yīng)力,然后獲得等效應(yīng)力和等效應(yīng)變,用最小二乘法求解硬度系數(shù)K和硬化指數(shù)n,Song等通過離線測量壁厚、軸向半徑及脹形長度,利用徑向和軸向靜力平衡計(jì)算出軸向和周向應(yīng)力,得到本構(gòu)關(guān)系。

楊連發(fā)等沿脹形輪廓離線測量周向半徑和脹形輪廓坐標(biāo),擬合出脹形輪廓曲線方程,從而求解子午向曲率半徑。然而離線測量法需要對多根管坯分別進(jìn)行不同脹形條件的試驗(yàn)和測量,工作量大,操作較繁瑣,面且由于采用多根管坯而引起較大的誤差。

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部分文段和圖片摘自：

《金屬薄壁管沖擊液壓脹形技術(shù)》

作者：劉建偉

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