高应变水平下十字形试件的有限元设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

金属板料成形利用金属的塑性在一定外力条件下使其成为具有一定形状及一定力学性能的成形技术，由于具有材料利用率高、力学性能好等优点，在冶金、航空、航天、船舶、机械、仪器、仪表、电器和日用五金等工业领域得到广泛应用^[1]。金属板料成形过程中由于材料组织性能、加载条件等因素的影响，可能会出现破裂、起皱、回弹等缺陷，为了预测和避免这些缺陷的出现，通常运用对板料成形的有限元模拟分析的方法。由于其可以提高产品和工程设计水平、缩短研发周期、提高生产效率、降低制造成本和促进可持续性发展^[2]，是辅助工业设计生产过程中必不可少的部分。板料成形有限元模拟的精度很大程度上取决于所采用的本构模型^[3]，而本构模型的确定依赖于合理的实验设计，通过材料力学实验获取关键参数验证本构模型的准确度^[4]。

最初板料成形的研究是在简单加载条件下完成，如目前已经比较成熟的单拉试验，构建出了板料的应力应变曲线^[5]。由于单拉实验变形路径单一，后来，有人提出通过十字形双向拉伸试验来实现复杂加载^[6]，可以控制变形路径和实现平面内加载，经过人们不断地研究优化，目前已经实现了国际的标准化^[7]。kuwabara等^[8]采用标准化十字形试件设计,通过双轴试验获得了冷轧薄钢板的屈服轨迹，最大等效应变仅为3%。muller等^[9]采用“圆角过渡”的方法在十字形试件中心区域获得较大的均匀变形区域 。naka等^[10]“臂上开缝”的方法，避免中心区域的几何限制，获得均匀变形。green等^[11]采用“中心区域减薄”和“臂上开缝”的方法，分别提高十字形试件中心区域应变水平以及获取中心区域均匀变形，双拉状态下最大等效应变为15%。kuwabara等^[12]采用标准化十字形试件，实现了双轴实验中加载路径的变化，研究了路径变化对变形区的影响。wang等^[13]也采用十字形试件的标准化设计，通过不同比例加载路径下的双拉实验研究了aa5754-o铝合金板料的屈服轨迹。后来，wang等^[14]通过两步加载的十字形双拉实验，研究了非线性加载路径下aa5754-o铝合金板料的屈服轨迹。gozzi等^[15]采用“圆角过渡”与“臂上开缝”的十字形试件，通过两步加载路径，研究了加载路径变化下高强度钢板屈服轨迹。merklein等^[16]采用“臂上开缝”和“中心区域单面减薄”的方法，在十字形试件中心区域获得较大的均匀变形场。

本课题是采用有限元分析对十字形试件进行改进设计，以同时实现中心区域的均匀变形和高应变水平，并对简单与复杂加载条件下十字形双拉试验进行模拟，了解板料成形规律，为高应变水平下十字形试件双拉试验奠定基础。为十字形试件分析十字形试件的本构模型，为实现中心区域的高应变，并且保证良好的变形区。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

本课题在标准化十字形试件的基础上，研究各种十字形试件改进方案，采用“中心区域单面减薄”的办法对其进行改进设计，以实现中心区域均匀的高应变水平。通过有限元模拟，验证这些分析，得到优化的十字形试件结构。然后采用此形状的试件完成简单与复杂加载条件下十字形试件双拉试验的分析，为高应变水平下十字形双拉试验提供必不可少的基础。

2.2 研究目标

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献，完成英文翻译。明确研究目标与内容，学会研究所需软件。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－7周：提出十字形试件的改进设计方案，采用有限元参数化确定具体尺寸。

第8－11周：研究在不同的线性与非线性加载路径下，改进后的十字形试件中心区域变形的均匀性及其路径可控性。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]. 高锦张. 塑性成型工艺与模具设计[m]. 机械工业出版社. 第二版 2013.1.

[2].余世浩，朱春东. 材料成型cad/cae/cam基础[m].北京大学出版社. 2008.8.