[发明专利]一种管材任意方向厚向异性系数的确定方法

说明书

一种管材任意方向厚向异性系数的确定方法，属于管材性能测试领域。本发明首先建立任意方向厚向异性与屈服函数之间的关系式，通过管材双向加载实验方法确定屈服函数的待定系数，然后代入建立的关系式确定管材任意方向的厚向异性系数。本方法从三个方面确保厚向异性系数准确可靠：1)所涉及实验的坯料均为原始管坯，不需要破坏管材的形状，也不会引入预变形，所得的实验结果能准确反映管材的塑性性能；2)可选择先进的屈服函数，能同时引入不同加载路径下的实验数据，从而更全面反映管材的塑性流动特性；3)设计不同方向获得相同变形量的特征实验，通过有限元分析与特征实验反复迭代，确保剪切分量的系数准确可靠，从而建立准确可靠的屈服函数。

技术领域

本发明属于管材性能测试领域，具体涉及一种管材的任意方向厚向异性系数的确定方法。

背景技术

利用金属管制造的空心整体构件因具有结构减重和优良力学性能，在航空航天和汽车等领域应用广泛。该类构件一般通过内高压成形技术制造，内高压成形时管材在内压和轴向力共同作用下发生变形，管坯从密封、预成形至终成形将经历复杂的应力路径。对于复杂构件，甚至会经历加载-卸载-再加载的过程，一旦加载路径不合理就会出现起皱、破裂等缺陷。因此，成形前通过精确的有限元分析确定合理的工艺参数(如加载路径等)非常重要。而进行精确有限元分析的前提是构建准确的塑性本构关系模型，其中不同方向的厚向异性系数是构建材料塑性本构关系模型的重要参数。对于常用的轻质合金管材一般可以分为两类，一类是通过挤压制造的无缝管，如铝合金管、钛合金管、镁合金管等；一类是通过轧制后卷焊而成的有缝管，如不锈钢、高强钢管等。这两类管材均具有明显的各向异性，沿管材不同方向材料的厚向异性系数r值不同，即管材不同方向的材料抗减薄能力不同，表现为在发生相同变形时沿不同方向形成不同的壁厚分布特征。此外，复杂截面管材类构件成形时应力主轴是时刻在变化的，不同位置材料的应力主轴不同，与材料的各向异性主轴往往不重合，所以构建准确的管材塑性本构关系不仅需要管材面内两个主轴方向的厚向异性系数r_z与r_θ，还需要管材非主轴方向的厚向异性系数(下角标表示与主轴轴向z所成的角度)，如Hill48屈服函数需r₄₅；Yld2000-2d屈服函数的模型参数α₇和α₈，需通过非主轴方向的各向异性参数，如r₄₅、r₃₀、r₆₀确定等。

对于轧制后卷焊而成的有缝管，还可以参考板材的测试方法按照FB/T 5027-2016标准进行测定。但是对于挤压而成的无缝管，由于其具有封闭的几何特征，无法直接参考板材的测量方法获得管材任意方向上的厚向异性系数r值。对于挤压管材厚向系数确定，目前有如下方法：(1)在管材表面沿轴向切割弧形单拉试样，将试样端部展平通过单向拉伸试验获得管材轴向厚向异性系数r_z。该方法仅能近似获得管材轴向厚向异性系数，且试样中间测量区为弧形，易导致宽度方向尺寸存在测量误差。(2)截取环向拉伸试样，通过环向拉伸试验获得管材环向厚向异性系数r_θ(如发明专利CN104949884A)。该方法仅能近似获得管材环向厚向异性系数，且测试时试样和所用卡具之间存在摩擦力，会导致实验结果不准确。以上两种方法均仅能获得近似的挤压管材轴向和环向的厚向异性系数，不能准确确定金属管任意方向的厚向异性系数。

为了构建挤压管材准确的塑性本构关系，进而进行精确的有限元分析，确定合理的工艺参数，从而减少薄壁空心整体构件的研发费用，缩短研发时间，需要建立一种能够准确确定挤压管材任意方向厚向异性系数的方法。

发明内容

本发明是为解决现有的测试方法均无法获得挤压管材的任意方向厚向异性系数的难题，提出一种管材的任意方向厚向异性系数的确定方法。

本发明核心思想为：建立任意方向厚向异性与屈服函数之间的关系式，通过管材双向加载实验方法确定屈服函数的待定系数，然后代入建立的关系式确定管材任意方向的厚向异性系数。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：