管材成形極限是指管材在變形過程中發(fā)生破裂前獲得的最大變形程度，它作為評價管材成形性能的重要因素一直都備受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度關(guān)注。為了更加直觀地表現(xiàn)管材在不同應(yīng)變路徑下的局部失穩(wěn)極限應(yīng)變，可以采用應(yīng)變狀態(tài)所構(gòu)成的圖形加以描述，這就是成形極限圖( forming limit diagram,FLD)。本文興迪源機械帶來管材內(nèi)高壓成形極限研究現(xiàn)狀詳解。

　　管材成形極限示意圖如圖1-6所示，圖中分別以周向應(yīng)變ε1和軸向應(yīng)變ε2為成形極限圖的縱、橫坐標(biāo)，以成形極限曲線( forming limit curve,FLC)將管材成形極限圖分為成形區(qū)域和破裂區(qū)域，成形區(qū)域位于成形極限曲線的下方，在此區(qū)域內(nèi)的變形不會導(dǎo)致管材破裂失效；破裂區(qū)域位于成形極限曲線的上方，此區(qū)域內(nèi)的變形將會引起管材破裂。

　　同時，縱坐標(biāo)將成形極限圖分為左側(cè)部分(拉-壓應(yīng)變狀態(tài))和右側(cè)部分(拉-拉應(yīng)變狀態(tài))，圖中還列舉了四種比較特殊的應(yīng)變路徑ε1=ε2，ε2=0，ε1=-2ε2,ε1=-ε2,各種極限應(yīng)變狀態(tài)點均隨應(yīng)變路徑的改變而改變。目前，獲取管材成形極限圖的方法主要有理論解析法、試驗法和數(shù)值仿真法三種。

　　一、管材成形極限理論解析法：

　　理論解析法是根據(jù)管材的塑性本構(gòu)關(guān)系和屈服準(zhǔn)則，利用不同的塑性失穩(wěn)準(zhǔn)則(如Swift分散性失穩(wěn)準(zhǔn)則、Hill集中性失穩(wěn)準(zhǔn)則、M-K溝槽準(zhǔn)則等)判定管材頸縮或者破裂的發(fā)生，通過對預(yù)測理論模型參數(shù)的求解，獲得極限應(yīng)變狀態(tài)值，構(gòu)建管材成形極限圖。

　　在國外，很早就開展了對管材成形極限理論解析法的研究。Woo等利用H準(zhǔn)則對管材的應(yīng)力與應(yīng)變進(jìn)行理論分析，并以銅管進(jìn)行了試驗驗證。

　　Fuchizawa以Hill的塑性各向異性和變形理論為基礎(chǔ)，研究了管材僅在內(nèi)壓作用下的軸向和周向非等向性對成形極限的影響。 Tirosh等通過理論與試驗相結(jié)合的方法對鋁合金薄壁管進(jìn)行了研究，建立了鋁合金管材的FLD圖，為鋁合金管的脹形提供了理論參考。

　　Davies等利用M-K凹槽理論建立了自由脹形鋁管的成形極限理論模型，并獲得了管件液壓脹形成形極限圖。Siva等利用M-K模型和各向異性系數(shù) Gurson模型，建立了自由脹形鋁管成形極限理論模型，并研究了加載路徑對成形極限的影響。 Ramin等基于塑性本構(gòu)關(guān)系，通過M-K模型和改進(jìn)的牛頓迭代方法建立了管材的成形極限應(yīng)力圖( forming limit stressdiagram,FLSD)。

　　Kim等通過塑性增量理論和塑性失穩(wěn)準(zhǔn)則建立了管材液壓脹形成形極限應(yīng)力圖的理論計算模型，可用來預(yù)測管材成形的局部頸縮。 Hwang等利用swift分散性失穩(wěn)準(zhǔn)則和Hill集中性失穩(wěn)準(zhǔn)則建立了AA6011管的成形極限曲線，并討論了Hill非二次式屈服函數(shù)中各參數(shù)和材料正交異性系數(shù)對屈眼軌跡和成形極限曲線的影響。

　　在國內(nèi)，管材成形極限理論解析法的研究工作開展得較晚，張慶等利用單層管成形極限和塑性失穩(wěn)理論分析金屬復(fù)合管脹形的成形極限，得到了脹形中分散性失穩(wěn)和集中性失穩(wěn)時極限應(yīng)變的理論值。李新軍等利用分散性失穩(wěn)理論和集中性失穩(wěn)理論計算了軸壓脹形管材破裂極限壓力和成形極限，并分析了管材脹形中的應(yīng)力應(yīng)變變化特點。

　　楊連發(fā)等“假設(shè)脹形輪廓為余弦曲線，建立了管材液壓脹形成形極限的理論模型，并求解出了自由脹形下的極限載荷，趙長財?shù)取盎赟wift分散性失穩(wěn)理論，建立了非均勻內(nèi)壓下管材破裂失穩(wěn)極限判據(jù)，推導(dǎo)出了管材成形極限的理論模型和極限應(yīng)變計算方法。膝宏春通過分析軸壓脹形管材中截面單元體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，建立了管材液壓脹形成形極限圖，并與板料沖壓成形極限圖進(jìn)行了對比分析。

　　崔曉磊等基于管材二維成形極限圖和固體現(xiàn)實應(yīng)力空間理論，建立了涉及法向應(yīng)力應(yīng)變的三維成形極限圖。

　　二、管材成形極限試驗法：

　　試驗法是通過不同應(yīng)變路徑的液壓脹形破裂試驗來獲取各自條件下的極限應(yīng)變狀態(tài)，將這些離散的應(yīng)變狀態(tài)值通過回歸計算法建立管材的成形極限圖。Green通過對鋼管的成形性能、成形缺陷和力學(xué)特性的分析，利用試驗法建立了鋼管的成形極限圖，與模擬結(jié)果具有較好的一致性。

　　Fuchizawa等利用自行設(shè)計的液壓脹形裝置進(jìn)行軸壓脹形破裂試驗來構(gòu)建的成形極限圖，并通過與 Swift和Hill失穩(wěn)準(zhǔn)則比較分析來驗證試驗法的可靠性。 Hwang等利用自行開發(fā)的液壓脹形裝置進(jìn)行自由脹形和軸壓脹形試驗獲取成形極限圖，并利用有限元數(shù)值模擬法對試驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析。馬菖宏等基于脹形區(qū)橢圓形假設(shè)，通過改變橢圓長短軸之比建立了直縫激光焊縫管拉拉應(yīng)變狀態(tài)區(qū)的極限應(yīng)變試驗測量方法，實現(xiàn)了不同規(guī)格管材成形極限的試驗評估。

　　三、管材成形極限數(shù)值仿真法：

　　為了降低金屬管材成形極限圖理論解析難度，縮短試錯法的試驗周期并降低成本，基于有限元技術(shù)的數(shù)值仿真法逐漸被應(yīng)用于構(gòu)建管材成形極限圖。

　　Lei等結(jié)合剛塑性有限元法與延性斷裂準(zhǔn)則研究了管材液壓脹形過程中成形極限的構(gòu)建。Kim等在理論解析法的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值仿真法對自由脹形和軸壓脹形焊縫管進(jìn)行有限元模擬仿真，最終獲得了焊縫管的成形極限。 Nader等利用 HEEDS軟件和非線性有限元求解器 LS-DYNA獲取成形極限并優(yōu)化加載路徑，同時選用多種規(guī)格的管材進(jìn)行液壓脹形實驗以驗證最優(yōu)化曲線。

　　Siva等利用有限元數(shù)值模擬軟件對自由脹形金屬管材進(jìn)行了數(shù)值仿真，研究了加載條件對管材液壓脹形成形極限的影響規(guī)律。

　　Song等基于管材有限元模型和塑性本構(gòu)關(guān)系，構(gòu)建了管材成形極限應(yīng)力圖。 Hashemi等基于M-K失穩(wěn)判據(jù)和管材液壓脹形有限元仿真模型，獲得了管材脹形成形極限圖。楊泰波等在數(shù)值模擬中以應(yīng)變增量比作為數(shù)值仿真中的頸縮判據(jù)，構(gòu)建了管材液壓賬形環(huán)境下的成形極限圖，并對頸縮位置進(jìn)行了預(yù)測，最后利用試驗法驗證了數(shù)值仿真法的可靠性。

     【興迪源機械內(nèi)高壓成形設(shè)備優(yōu)勢】

　　興迪源機械是先進(jìn)輕量化成形技術(shù)的提供者，從產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)備生產(chǎn)、模具研制、方案定制，直至最終交付及提供增值服務(wù)，我們?yōu)榭蛻籼峁┑牟粌H僅是一臺設(shè)備，而是一整套智能制造成形方案。

　　興迪源機械自2010年開始組建超高壓液力成形技術(shù)團(tuán)隊，突破了成形壓力100MPa-250MPa的技術(shù)難關(guān)，研發(fā)出“內(nèi)高壓成型設(shè)備”并投入用戶生產(chǎn)現(xiàn)場。至今，公司已是創(chuàng)立超過10年的實力企業(yè)，已掌握了成形壓力為500MPa的技術(shù)，并向市場提供了合模力4000噸、成形壓力達(dá)500MPa以內(nèi)的各種規(guī)格的內(nèi)高壓成型液壓設(shè)備數(shù)十臺套，技術(shù)研發(fā)成果在國內(nèi)同行的民營企業(yè)中達(dá)到優(yōu)異水平。

部分文段和圖片摘自：

《金屬薄壁管沖擊液壓脹形技術(shù)》

作者：劉建偉

由興迪源機械編輯

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