超声振动辅助成形本构模型理论及实验研究

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1、上海交通大学硕士学位论文超声振动辅助成形本构模型理论及实验研究硕士研究生：王家鹏学号：1122919023导师：赵震教授副导师：庄新村副研究员申请学位：工程硕士学科：材料工程材料科学与工程学院所在单位：塑性成形技术与装备研究院答辩日期：2015年1月授予学位单位：上海交通大学DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterTHEORETICALANDEXPERIMENTALRESEARCHOFCONSTITUTIVEMODELOFULTRASONICVIBRATIONASSISTED

2、FORMINGCandidate：WangJiapengStudentID:1122919023Supervisor：Prof.ZhaoZhenAssistantSupervisor:Assoc.Prof.ZhuangXincunAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：MaterialEngineeringInstituteofFormingTechnologyandEquipment,Affiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefe

3、nce：Jan,2015Degree-Conferring-Institution：ShanghaiJiaoTongUniversity上海交通大学硕士学位论文摘要超声振动辅助成形本构模型理论及实验研究摘要超声振动是一种有效的金属塑性成形辅助技术，在工业生产中具有很好的应用前景。研究表明，超声振动能显著降低成形力、减小摩擦、改善表面质量并提高尺寸精度。但是现有的研究成果大多限于实验现象的分析，未对前述现象的内在机理进行具体研究。并且由于振动在塑性变形体中的传播机制及其对被加工材料内部及表面的影响十分复杂，使得该项技术处于严重的应用超前、理论滞后的研究现状。针对上述问题，本

4、文对超声振动辅助成形机理进行了相关研究，主要研究内容总结如下：基于成形过程中的应力叠加效应和软化效应，研究超声振动对材料性能的影响，建立一维状态下超声振动辅助成形材料的本构模型，求解材料在超声振动下的本构方程显式表达式，实现基于理论推导的超声振动辅助成形机理分析。采用6061铝合金进行超声振动条件下的单向拉伸力学性能研究，确定6061铝合金超声振动辅助成形本构模型的相关参数，并验证模型的可靠性。结果表明，本文建立的本构模型可以很好的描述超声振动辅助成形中应力-应变关系特点，并且能够更准确的揭示线性强化材料在超声振动下的本构关系。开展传统静态模式、不同振幅条件下全程振动和间

5、歇振动模式下，6061铝合金的单向拉伸实验，并对其应力-应变曲线进行研究分析，来验证建立的超声振动辅助成形本构模型。实验发现，全程超声振动条件下与常规静态条件下，二者的弹性段几乎重合，即超声振动对材料的弹性段几乎没有影响；随着载荷的上升，全程振动拉伸下材料的屈服强度明显降低，材料提前发生屈服，进入塑性变形阶段；在施加超I上海交通大学硕士学位论文摘要声振动后，材料的应力状态迅速下降，且随着振动振幅的增加下降量也会逐渐增大；施加振动后，6061铝合金塑性段线性强化系数会下降，且随着振幅的增加，下降程度越大。开展超声振动率相关实验，研究超声振动在不同的拉伸速度下对率相关材料的影

6、响。结果表明，对于率相关材料6061铝合金，在振幅相同的情况下，随着应变率的增加，材料的应力状态也会上升。结合有限元数值模拟技术，采用ABAQUS有限元软件对6061铝合金的间歇振动拉伸实验、率相关拉伸实验和超声振动率相关拉伸实验进行模拟，分析施加振动后6061铝合金的应力和应变变化情况及其特点，并从有限元模型的角度分析应变率效应和超声振动对材料应力-应变曲线的影响。关键词：超声振动，应力叠加效应，软化效应，率相关，数值模拟II上海交通大学硕士学位论文ABSTRACTTHEORETICALANDEXPERIMENTALRESEARCHOFCONSTITUTIVEMODEL

7、OFULTRASONICVIBRATIONASSISTEDFORMINGABSTRACTAsoneofthemosteffectivemetalplasticformingassistedtechnologies,ultrasonicvibrationhasbeenwildlyusedinvariousareasofformingprocess.Itiswellknownthatultrasonicvibrationhastheseadvantages,includingreducingstressandformingstre