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1、材料加工力学基础金属压力加工 应用领域机械；电子；航空航天；冶金 成形分类冲压成形；锻造成形；拉拔成形；挤压成形；切削成形；轧制成形 成形方法冲压成形；锻造成形；数学化无模成形；爆炸成形；电磁成形；激光成形； 发展前景超大、超小、高精尖、高度集成 发展历史 1678 年，Hooke（虎克）：变形和外力成正比。 18201830 年，Navier、Cauahy、Saint Venant（圣维南）：应力、应变的概念，变形体的平衡方程、几何方程、协调方程、广义虎克定律；-弹性力学的理论基础。 1864 年，Tresca（屈斯卡）：最大剪应力屈服条件。 1871 年，Levy（列维） ：三维塑性应力-
2、应变关系。 1913 年，Mises（米塞斯） ：形变能屈服条件。 1930 年，Prandtl，Reuss（瑞斯）：增量理论。 1943 年，Hencky（汉基 ） ，Nadai，Iliushin：形变理论。 1950 年，塑性位势理论、有限单元法塑性变形 什么是塑性变形 材料产生一定的永久变形又不破坏其完整性的能力 塑性加工是利用材料塑性而获得所需形状与尺寸的工件的一种加工方法 金属压力加工汽车制造金属成形计算机模拟 主要分类板料冲压成形模拟体积成形模拟 主要方法 弹塑性有限元法刚塑性有限元法无网格法金属成形计算机模拟应用 汽车覆盖件冲压成形过程模拟 板料液压成形过程模拟 弯管成形过程模拟
3、 五金级进模零件成形过程模拟 金属锻造成形过程模拟 金属切削成形过程模拟 金属拉拔成形过程模拟重点内容 金属塑性成形中的基本概念 应力分析、应变分析、塑性、屈服准则、本构关系等等； 本课程是金属塑性成形的基础课程，是后继课程“成形工艺与装备”、 “材料成形过程数值模拟”的基础；学习方法 塑性成形的基本理论发展的比较久远，理论系统比较完善，但随着计算机的发展和工程实际问题的需要，有限元数值方法已经完全取代了传统的理论解析计算方法； 重点学习概念，不要过分强调理论的完整性； 我们学习的目的不是为了理论解析计算，因此重点学习塑性成形理论中的一些重点基本概念；金属塑性成形基本假设由于金属塑性成形非常复
4、杂，数学与力学的处理非常困难，因此需要做一些假设和近似处理： 各向同性的均匀连续体 体积力为零 变形体在表面力作用下处于平衡状态 初始应力为零 体积不变假设 各向同性的均匀连续体 假设材料是连续的，即在材料内不存在任何缺陷； 假设材料各质点的组织、化学成分相同； 假设材料在各方向上的物理性能和力学性能相同； 体积力为零 成形过程中的外力可分为两类：表面力和体积力； 体积力是作用在物体质点上的力，例如重力、磁力和惯性力等等； 对于塑性成形来说，除了高速锤锻造、爆炸等少数成形情况，体积力相对于其它成形外力很小，可以忽略不计 变形体在表面力作用下处于平衡状态 材料成形时模具和零件处于平衡状态； 如果
5、零件划分为有限个单元体，每个单元体仍处于平衡状态； 每个单元体的外力系的矢量和为零，外力系对任一点的总力矩也为零 初始应力为零 内力是由于外力作用下产生的，内力的变化达到一定程度就会使金属产生塑性变形； 课程内容主要考虑金属由于外力的作用下产生塑性变形，不考虑金属存在初始应力情况； 体积不变假设 弹性变形时，体积变化必须考虑； 塑性变形时，体积虽有微小变化，但与塑性变形量相比很小，可以忽略不计，因此一般假设金属在塑性变形前后的体积保持不变； 为什么需要五点假设? 为了可以解析计算简单的塑性成形问题； 金属塑性成形基本假设与实际情况差别很大，只适用于金属塑性成形解析计算方法； 由于计算机水平的发
6、展，现代金属塑性成形计算基本不采用解析计算方法，而普遍采用计算机数值模拟方法； 解析计算方法只能分析少数简单成形问题，计算机数值模拟方法能够模拟任何复杂的金属塑性成形问题；1、塑性力学基础 应力 应变 屈服准则 材料塑性本构关系 应力的概念 内力：因外力作用面在物体内部产生的力 内力的特点：1. 随外力的变化而变化，是“附加内力”2. 内力是分布力系，常用其主矢量和主矩表示 应力：单位面积上的内力应力表示内力的强度，作用于物体质点之间 目的：确定物体处于弹性或塑性阶段的强度问题或屈服条件问题都很重要，是建立在复杂应力状态下强度准则和屈服准则条件所必须的基础知识应力定义应力状态 应力状态表示 应
7、力状态一般用单元体表示 单元体：材料内的质点，包围质点的无限小的几何体，常用的是正六面体 单元体的性质任一面上，应力均布平行面上，应力相等123zyzxxzyxij 斜面上的应力 例题说明 已知某点应力张量为 求过该点与三个坐标轴等倾角的斜面上的正应力 和剪应力 值 由于斜面与三个坐标轴等倾角，所以主平面主应力 主平面当 向量 v 在某方向时应力总矢量垂直于 ABC 曲面，且在该面上的剪应力为零。 向量 v 称为主轴 主应力作用在主平面上 ABC 的法向应力 vnml应力状态方程 如果 v 为主应力，单位向量 v =(l m n)，则 x、y、z 坐标轴方向的应力分量分别为 px、py 、pz
8、此处一个大括号推出此处又有一个大括号 由于 因此 l、m 、n 不同时为零则三元齐次方程组的系数矩阵一定等于零 展开方程组系数矩阵，可得应力状态特征方程应力张量不变量应力状态特征方程 应力张量不变量J1、J2、J3 分别称为应力张量的第一、第二、第三不变量 主应力：应力状态特征方程的三个实根一般用 1、 2 、 3 表示，即三个主应力 应力状态特征方程与坐标系的选取无关，应力张量的第一、第二、第三不变量vlSymzxynxvznzyzl0)(zxyxnlyvy)(zzxzml 122l0vzyzxz yvyzyxvx 3213JJvvv 0321Jvvzyx222 zxyxzJ 32yzxyz
9、yx03213JvvvJ1、J2、J3 也不随坐标而变化。 应力张量的第一、第二、第三不变量 J1、J2、J3 还可以表示为 例题说明 已知某点应力张量为 求应力张量的第一、第二、第三不变量 J1、J2、J3 应力张量不变量应力张量及分解应力张量 张量：与坐标系选择无关的集合。当坐标系变换时，集合的形式不改变 在塑性成形理论中，应力、应变、力、速度等物理量都是张量应力张量表示为xy yx yz zy zx xz 例题说明单向拉伸时，拉伸应力为 1，若选坐标系（x，y，z） ，此时的应力张量为 01ij当 xy 面绕 z 轴逆时轴旋转 30o 后，在新坐标系（x，y，z ）下，应力张量则变为 3
10、2112J313 1zyzxxzyxij zyzyxxij Mij 01T004/311 应力张量的 6 个分量的具体数值与坐标的选择有关，然而其所代表的点的应力（单向拉伸状态）却没有因坐标系的选择而改变平均应力 m 在塑性力学中平均应力只引起体积改变，而不引起形状改变，故可将应力张量进行分解 m 和 0 也称为应力球张量，与坐标轴选择无关，与材料体积变形有关 应力球张量表示静水应力状态应力偏张量 应力偏张量 称为应力偏张量，它是一个对称张量 应力偏张量与材料形状变形有关，即与塑性变形有关应力偏张量不变量 应力偏张量不变量 类似于应力张量，应力偏张量的状态方程可以表示为应力偏张量不变量分别为应
11、力偏张量不变量用主应力表示分别为m1 m2 m3等效应力等效应力（应力强度）30zyx321zyzxxzyxij 00000zzyzxyyxzxyx mmzzyzxyyxij zyzxxz 03213JJ0)()()( mzymxz1J)(6)()()(6 22222 zxyxxzzyx yxzy mzzyzxyyxzxmyzyzzy3J323 2132211 )()()(60J213221 如果采用应力偏量表示等效应力应力平衡方程式微元体(不一定是正六面体)处于平衡状态应力平衡方程式由于单元体处于平衡状态 0xFdxzydyzx yxyxx )()( 0fdzxzz0xzyxxf单元体的应力平衡微分方程 2222 61 zxyxxzzyyx iji3
