一种获取多层结构金属板材本构关系的方法及应用

1.本发明属于材料的塑性成形分析领域，具体涉及一种获取多层结构金属板材本构关系的方法及应用。


背景技术：

2.多层结构板材因具有各异质层金属的综合性能，可实现成形件的高性能、轻量化目标，广泛应用于航空航天等领域。由于需求不同，通常多层结构板材的基体层厚度较厚，除了基体层之外的其它层厚度较小。
3.在多层结构板材构件塑性变形研究中，通常把多层结构板材简化为均质板材，其本构关系也简化为均质板材本构关系。而多层结构板材的特殊结构决定了其在塑性变形过程中，每一层不同材料的力学性能不同，本构关系也不同。对多层结构板材本构关系的均值性简化，在一定程度上会影响对板材构件成形精度的预测。精确获取多层结构板材每一层材料的本构关系是准确分析预测多层结构板材构件成形精度的关键。
4.获取多层结构板材每一层材料本构关系的常规思路是：采用国标试验标准分别制取每一层材料拉伸试样，并进行试验，该思路适用于每一层材料厚度均大于1.5mm的多层结构板材。然而，多层结构板材因应用领域不同，每一层材料的厚度尺寸通常并不相同，厚度尺寸也多数小于1.5mm。对于厚度小于1.5mm的每一层材料，受到拉伸试验试样制备的限制，无法采用常规测量方法获取其本构关系。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种获取多层结构金属板材本构关系的方法，以解决对于厚度小于1.5mm的复合层，无法采用拉伸试验制备获取其本构关系的问题。
6.本发明的第二个目的是提供利用上述方法获取的本构关系在多层结构金属板材成形预测方面的应用。
7.为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
8.一种获取多层结构金属板材本构关系的方法，所述多层结构金属板材包括基体层和复合在基体层上的多层复合层，从基体层到基体层上的最外侧复合层依次为第ⅰ层、第ii层
……
第n层，n≥2；第ⅰ层的厚度≥1.5mm，所述多层复合层中含有厚度小于1.5mm的薄层；
9.第ii层本构关系按以下公式确定：
[0010][0011]
第ⅲ层以上的本构关系按以下公式确定：
[0012][0013]
以上公式中，分别为第i层、ii层、iii层、...n层的真实应力；分别为第i层、ii层、iii层、...n层的真实应力；分别为第i层、ii层、iii层、...n层的随应变而变化的维氏硬度；am、ai、a
ii
、a
iii
、...、
an
分别为整板材料、i层、ii层、iii层、...n层的横截面面积；f为多层结构金属板材整板拉伸时总载荷。
[0014]
本发明提供的获取多层结构金属板材本构关系的方法，采用理论推导与实验分析相结合的方式，实现多层结构板材本构关系的精确获取，为准确研究多层结构板材构件变形行为提供可靠的理论支撑。
[0015]
一般而言，复合层的层数至少为2层。三层以及以上多层结构金属板材的应用更为常见，且在塑性成形中各层的本构关系更为复杂，利用本发明的方式可很好地解决以上问题，从而更好地实现多层结构板材构件成形精确预测。
[0016]
优选地，各复合层的厚度均不大于1mm。基体层上各复合层的厚度不大于1mm的情形较为常见，例如厚度为0.5～0.8mm等，这些情况下难以制取拉伸试验试样，可进一步体现本发明的优势。
[0017]
上述方法获取的本构关系在多层结构金属板材成形预测方面的应用。
[0018]
以本发明可快速获取多层结构板材的本构关系为基础，可方便实现对多层结构板材构件成形精度的准确分析预测，从而优化板材构件的成形加工。
附图说明
[0019]
图1为本发明中异质金属层状复合板轧制复合示意图；
[0020]
图2为本发明实施例1中al1060层材料本构关系图；
[0021]
图3为本发明实施例1中各层硬度随应变变化曲线图；
[0022]
图4为本发明实施例1中ta1层材料本构关系图；
[0023]
图5为本发明实施例1中ss430层材料本构关系图；
[0024]
图6为本发明分层建模和整体建模模拟值与试验值的对比图。
具体实施方式
[0025]
为了准确、全面的描述多层结构板材构件塑性成形行为，本发明借助理论推导和实验分析相结合的方法获取多层结构板材本构关系，以用于多层结构板材构件成形精确预测。
[0026]
本发明的方法尤其适用于基体层大于1.5mm，而其它层小于1.5mm的多层结构板材的本构关系的获取，为准确研究多层结构板材构件变形行为提供可靠的理论支撑。
[0027]
以下对本发明获取多层结构板材本构关系的原理进行说明。
[0028]
根据需要，不同的轧制工艺，可获得不同层数和不同厚度的多层结构板材，图1为
多层结构板材轧制成形示意图。如何精确获得多层结构板材每一层材料的本构关系，是精确分析多层结构板材构件成形(例如后续扭转、弯曲变形等)的关键。
[0029]
多层结构板材每一层的应力与硬度成正比关系，如公式(1)：
[0030][0031]
式中，分别为第i层、ii层、iii层、...n层的真实应力，分别为第i层、ii层、iii层、...n层的真实应力，分别为第i层、ii层、iii层、...n层的随应变而变化的维氏硬度。
[0032]
根据恒比例定律，第i层、ii层应力增量与显微硬度增量之比与第i层、iii层应力增量成正比，如公式(2)所示。
[0033][0034]
由公式(2)可得：
[0035][0036]
多层结构板材由于每一层材料不同，其每一层材料表现出不同的力学性能。考虑每一层的不同性能，拉伸时多层结构板材的总载荷满足方程(4)：
[0037][0038]
式中，为多层结构板材整板材料的真实应力，am、ai、a
ii
、a
iii
、...、an分别为整板材料、i层、ii层、iii层、...n层的横截面面积。
[0039]
由公式(4)得：
[0040][0041]
横截面积满足方程：
[0042]
a1＝a
m-a
ii-a
iii
‑…‑an
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0043]
将公式(6)代入(5)得：
[0044][0045]
整理得：
[0046][0047]
把公式(3)代入(8)，得：
[0048][0049]
公式(9)整理得：
[0050][0051]
公式(10)整理得：
[0052][0053]
考虑到多层结构板材材料组分不同，由于在等应变条件下每一层应力不相等，通过单向拉伸试验获得多层结构板材混合材料的真实应力-应变数据并不准确，因此计算多层结构板材每一层材料应力时基于载荷-位移关系。因此，公式(11)中采用f来代替的值，获得第ii层的真实应力，如公式(12)所示。
[0054][0055]
由于式中均为已知参数，故可求得第ii层应力。结合公式(2)可得公式(13)：
[0056][0057]
下面结合具体实施例对本发明的实施过程进行详细说明。
[0058]
实施例1
[0059]
本实施例的获取多层结构金属板材本构关系的方法，多层结构板材料为总厚度为2.7mm的三层金属层状板材(铝-钛-不锈钢层状金属板材)，基体层为al1060，三层材料al1060、ta1和ss430各层厚度分别为1.6mm、0.5mm、0.6mm，各层本构关系的获取过程为：
[0060]
(1)基体层al层材料本构关系获取
[0061]
由于基体层al层相对较厚，采用线切割机械分离方法单层基体层al层板材，依据gb/t228.1-2010标准设计制备基体层al层拉伸试样，在shmadzu ag-i型电子万能材料试验机上进行拉伸试验，拉伸速度为3mm/min，从而获取基体层al层的应力σ
ε(al)
。基体层al层的本构关系应力应变曲线如图2所示。
[0062]
(2)ta1层材料本构关系获取
[0063]
(a)多层结构板材整板拉伸载荷测量：多层结构板材整板拉伸试样依据gb/t 228.1-2010标准设计，在shmadzu ag-i型电子万能材料试验机上进行拉伸试验，拉伸速度为3mm/min，从而获取多层结构板材整板拉伸时总载荷f。
[0064]
(b)试样横截面积测量：根据三层层状板材的总厚度和每一层的厚度，计算三层层状板材的总截面积和每一层板材的截面积am、a
ta1
、a
ss430
、a
al1060
。
[0065]
(c)硬度测量：采用mh-3型维氏硬度计对步骤(a)中拉伸不同应变后多层结构板材的横截面进行显微硬度测量，获取不同应变量下每一层的硬度值如图3所示。可以看到，每一层的硬度值随应变增加，硬度值呈近似线性增加趋势，这是由于
随着塑性变形程度增加，产生不同程度的加工硬化，从而使随着应变增加硬度值上升。本发明中考虑了每层材料的硬度随应变而变化的特征。
[0066]
(d)由公式(12)可得公式(14)，把步骤(1)(2)中的f、am、a
ta1
、a
ss430
、带入公式(14)，可以得到ta1层本构关系，应力应变曲线如图4所示。
[0067][0068]
(3)ss430层材料本构关系获取
[0069]
由公式(13)可得公式(15)，把步骤(1)(2)中的带入公式(15)，可以得到ss430层本构关系，应力应变曲线如图5所示。
[0070][0071]
实施例2
[0072]
利用实施例1获取本构关系进行铝-钛-不锈钢层状金属板材成形预测，具体过程如下：
[0073]
(1)整体建模
[0074]
整体建模中材料参数模型选用弹塑性本构模型，通过对层状金属整体板材拉伸试验获得复合板整体真实应力-应变曲线、弹性模量e、屈服强度σ
0.2
以及泊松比μ来描述层状金属板材整体力学性能属性，进而建立单一均质part材料模型。
[0075]
(2)分层建模
[0076]
分层建模是采用先整体建模，再利用软件中的partition分层技术，将整体层状金属板材模型分为al1060层、ta1层、ss430层。该建模方法中材料本构选用图2、图4、图5的本构关系。
[0077]
(3)模型验证
[0078]
复合板基于不同弯曲角度下的试验回弹角与两种有限元模拟回弹角大小对比，如图6所示，层状金属板材整体建模方法模拟结果无论是回弹角大小或是回弹角随弯曲角度变化趋势均与试验弯曲回弹角存在较大差异，采用该方法建立的有限元模型计算所得的弯曲角度对复合板弯曲回弹角大小的影响趋势与试验所得的变化趋势一致，且回弹值的吻合度较好。因此，基于本发明获得的本构关系分层有限元建模的方法能够准确模拟层状金属板材成形精度。
[0079]
通过以上对比可知，本发明可实现含有薄层复合层的多层结构金属板材的精确获取，从而实现多层结构板材构件成形的精确预测。

技术特征：
1.一种获取多层结构金属板材本构关系的方法，其特征在于，所述多层结构金属板材包括基体层和复合在基体层上的多层复合层，从基体层到基体层上的最外侧复合层依次为第ⅰ层、第ii层
……
第n层，n≥2；第ⅰ层的厚度≥1.5mm，所述多层复合层中含有厚度小于1.5mm的薄层；第ii层本构关系按以下公式确定：第ⅲ层以上的本构关系按以下公式确定：以上公式中，分别为第i层、ii层、iii层、...n层的真实应力；分别为第i层、ii层、iii层、...n层的真实应力；分别为第i层、ii层、iii层、...n层的随应变而变化的维氏硬度；a
m
、a
i
、a
ii
、a
iii
、...、a
n
分别为整板材料、i层、ii层、iii层、...n层的横截面面积；f为多层结构金属板材整板拉伸时总载荷。2.如权利要求1所述的获取多层结构金属板材本构关系的方法，其特征在于，复合层的层数至少为2层。3.如权利要求1或2所述的获取多层结构金属板材本构关系的方法，其特征在于，各复合层的厚度均不大于1mm。4.一种如权利要求1～3中任一项所述的方法获取的本构关系在多层结构金属板材成形预测方面的应用。

技术总结
本发明属于材料的塑性成形分析领域，具体涉及一种获取多层结构金属板材本构关系的方法及应用。本发明提供的获取多层结构金属板材本构关系的方法，采用理论推导与实验分析相结合的方式，实现多层结构板材本构关系的精确获取，为准确研究多层结构板材构件变形行为提供可靠的理论支撑。可靠的理论支撑。可靠的理论支撑。


技术研发人员：皇涛 宋克兴 刘海涛 相楠 周延军 程楚 张彦敏 张学宾 国秀花 李韶林 安士忠
受保护的技术使用者：河南科技大学
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/7/20