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1、工程塑性理论 Engineering Plasticity,2015年10月,2015年硕士生工程塑性理论讲义,教学内容,第一章 工程塑性理论概述 第二章 塑性加工过程受力分析要点 第三章 塑性加工应力分析 第四章 塑性加工应变分析 第五章 韧性材料的屈服准则 第六章 塑性本构方程 第七章 应力应变顺序对应规律 第八章 低载荷成形力学原理 第九章 变形分布及实现近均匀成形的途径,第一章 工程塑性理论概述,第一章 工程塑性理论概述提纲,Goals 教学目的 Contents 主要内容 How to study 如何学习 History 发展简史 References 参考书 Exam 考试,1.
2、 教学目的,通过学习塑性力学基本知识和典型应用 了解塑性力学对于揭示塑性加工变形流动规律的重要意义 初步掌握解决工程实际问题的方法 基本要求： 应力、应变分析方法 本构方程和屈服准则相关概念 应力应变顺序对应规律及其应用 典型塑性加工过程的力学机理和流动规律,2、主要内容,第二章 塑性加工过程受力分析要点 第三章 塑性加工应力分析,2、主要内容,第四章 塑性加工应变分析 第五章 韧性材料的屈服准则 第六章 塑性本构方程,2、主要内容,第七章 应力应变顺序对应规律 第八章 低载荷成形力学原理 第九章 变形分布及实现近均匀成形的途径,名词术语,塑性成形、塑性加工、压力加工、锻压 Technolog
3、y of Plasticity Metal Forming Plastic Forming Metal Working Forging & Stamping 塑性理论、塑性力学 Plasticity Plastic Mechanics,3、How to study 如何学习,3.1 从与国际接轨的角度来学习 3.2 用塑性理论指导技术创新和新工艺开发 3.3 从解决实际问题和解释实验现象中加深对塑性理论理解 3.4 带着问题学习、在应用中学习，促进理论本身的发展,授课和学习方式,理解公式/方程的物理本质，不死记硬背 结合具体工程问题，学习解决实际问题的方法 在数值模拟给出力学信息的基础上，分析
4、塑性成形机理，解决工艺问题,3.1 从与国际接轨的角度来学习,1）代表性国际会议与组织,ICTP(International Conference on Technology of Plasticity) 国际塑性加工会议 NUMISHEET, NUMIFORM (Numerical Simulation) 国际板料成形数值模拟会议，工业成形过程数值方法国际会议 ICFG (International Cold Forging Group) 国际冷锻组织 IDDRG (International Deep Drawing Research Group) 国际深拉深研究会 CIRP (Inter
5、national Institution for Production Engineering) 国际生产工程科学院 ICEM (International Committee on Environmental &Manufacture) 国际环境与制造委员会,Tekkaya,S.H.Zhang,Z.Y.Jiang,A.N.Bramley,N.Bay,K.Manabe,T.A.Dean,C.J.Wang,W.C.Xu,G.Liu,B.G.Teng,K.F.Zhang,Z.B.He,S.Fuchizawa,Z.R.Wang,F. Vollertsen,M.Geiger,13th Internat
6、ional Conference on Metal Forming, September 19-22, 2010, Toyohashi, Japan,3rd ICNFT,2) 代表性人物,2) 代表性人物,3)代表性期刊,Journal of Materials Processing Technology Editor-in-Chief: Prof. A.E. Tekkaya, J.M.Allwood International Journal of Machine Tools and Manufacture Editor-in-Chief：Prof. T.A.Dean Internation
7、al Journal of Plasticity International Journal of Mechanical Science Prof. T.X.Yu (余同希) International Journal of Solids and Structures ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering,IF=2.236,IF=2.034,IF=3.037,IF=5.567,3)代表性期刊,塑性工程学报，锻压技术，锻压装备与工艺，精密成形工艺，锻造与冲压 中国机械工程，机械工程学报，航空学报 金属学报，有色金属学报（中英文
8、） 力学学报，力学季刊 材料科学与工艺,3.2 用塑性理论指导技术创新和新工艺开发,管材内高压成形 tube hydroforming,利用轴向失稳起皱行为预先聚集和分配材料 控制壁厚均匀性和提高成形极限,铝合金膨胀量达到35,“有益皱纹”,“有益皱纹”满足的条件： 力学条件：波峰应变轨迹偏离FLC,几何条件： 局部聚料面积小于对应的成形面积,波峰应变轨迹,皱峰开裂,死 皱,利用截面横向失稳起皱行为，克服摩擦力和分配材料 降低整形压力，增加壁厚均匀性,内压90MPa, 圆角5mm,整形压力计算公式：,花瓣形截面,整形压力过高的原因,起皱,破裂,但是，内压增大到使支管破裂的程度，起皱依然无法抑制
9、 只通过提高内压无法抑制起皱,一步加载路径-内压较高,实验结果,三通管内高压成形,A区：支管顶部受双向拉应力，壁厚减薄。 B区：支管与主管过渡区域，管材受环向拉应力，轴向压应力，壁厚变化不大。此区域塑性变形最剧烈，是三通管内高压成形最关键的区域。 C区：主管受三向压应力状态，壁厚增厚。,通过数值模拟，对不同成形阶段三通管应力状态进行分区,应力分区,三通管内高压成形,起皱实验结果,第三主应力分布,起皱时主管底部的应力状态,起皱位置位于轴向压应力最大处,起皱实验结果,第三主应力分布,起皱时主管侧壁中部的应力状态,在成形过程中，环向拉应力逐渐减小，轴向压应力增幅较大 起皱位置也位于轴向压应力最大处,
10、起皱处的应力应变分布,1Cr18Ni9Ti D=86mm, d=52mm， t=0.8mm， D/t =108， =90,33,成形区中部A-A截面受力状态,由于内压不够大，不足以抵消模具对管材施加的径向力的作用，使管材受到较大的抗凹内力的作用,导致成形区A-A截面处在一定的轴向应力 作用下发生起皱,A-A截面应力分布,起皱处的应力应变分布,34,减薄率分布,应力分区,支管左右侧贴模顺序不同，支管右侧最先贴模，几乎无减薄 支管左侧顶部在贴靠中间冲头前始终处于局部自由胀形状态，内压升高则会过度减薄甚至破裂。,最先贴模,不贴模,破裂机理研究,一步成形时，支管顶部无法接触到中间冲头，随着内压的升高，
11、 双向拉应力逐渐增大，从而导致破裂,点 2,薄壁三通管分步成形方法,一步成形时典型点应力状态,应力绝对值都有减小 当支管接触中间冲头后，轴向和环向的拉应力减小明显,预成形,终成形,点 2,薄壁三通管分步成形方法,分步成形时典型点应力状态,第一步成形 第二步成形 第三步成形,主管外径220mm，支管外径100mm，壁厚1.2mm 材料：不锈钢 难点：支管直径小于主管，材料向支管流动困难,CZ-5运载火箭大直径超薄三通管,后机身整体隔框 (投影面积5.16m2),若采用普通模锻需16万吨锻压力 美国在4.5万吨水压机上成形出世界最大的钛合金隔框,四代战斗机F-22, 局部加载: 省力1/3-1/4
12、 超塑性: 流动应力降低7080,大型构件整体近净成形技术思路,局部加载,整体加载,3.3 从解决实际问题和解释实验现象中加深对塑性理论理解,轴长比 椭球壳体可以顺利成形 轴长比 椭球壳体赤道会出现失稳起皱,椭球液压成形,纬向应力与轴长比的关系,轴长比 a/b,王仲仁，曾元松，内压椭球壳塑性变形的发生部位与扩展过程分析，固体力学学报,薄件摆辗中心开裂,环向、径向伸长；轴向缩短，变薄破裂,刘钢，苑世剑，王仲仁，摆辗圆盘件中心变薄的预测及防止办法的有限元分析，塑性工程学报,下模中心开孔,工件心部各向应变很小，避免了中心变薄,心部局部加厚,3.4 带着问题学习，在应用中学习，促进理论本身的发展,平面
13、应力状态屈服轨迹应力分区,米塞斯圆柱展开面上的应力应变分区,内高压成形过程在平面应力屈服椭圆上,二维屈服椭圆,模角45 模角60,模角90 模角100,速 度 场,变 形 分 区,不同模角挤压变形模式,流动方向问题 平均应力等值面与节点速度矢量关系,4、工程塑性理论的发展简史,法国起源 (Levy, Tresca) 德国奠基 (Mises, Hencky) 多元化发展 (V. Karman, W. Johnson, R. Hill, 古布金, 伊留申, H. Kudo, B. Avitzur, S. Kobayashi) 中国的工程塑性理论学者 (王仁、刘叔仪、徐秉业、王祖唐、 王仲仁),5、
14、参考书,王仲仁，塑性加工力学基础，1989 王仲仁，省力与近均匀成形原理及应用，2010 余同希，工程塑性力学，2010 梁炳文, 板料冷压成形原理 R. Hill, The Mathematical Theory of Plasticity (王仁译，塑性数学理论） W. Johnson, Plasticity for Mechanical Engineers R. A. C. Slater, Engineering Plasticity G. R. Rowe, Principle of Industrial Metalworking Processes,6、考试方式,笔试，基本概念、基本理论，理解和运用理论解决问题能力 复习题 40左右,Thank you for your attention !,
