陈军教授团队在金属塑性变形的屈服模型研究领域取得系列进展

xinfeng

轻质高强板料(如先进高强度钢、铝合金、钛合金等)在航空航天和汽车工业等领域应用广泛，经过轧制的金属薄板常表现出明显的各向异性特性。采用宏观塑性力学模型-屈服准则描述材料的塑性流动可以为高精度数值仿真提供理论保障。随着新材料、新工艺的不断涌现，采用传统的屈服准则描述具有不同微观组织材料的宏观力学特性，仍然面临着新的挑战。上海交通大学材料学院塑性研究院陈军教授团队为解决需采用复杂插值法、外推法描述比例加载下屈服轨迹演化的难题，针对平面应变与剪切应力不协调材料、拉压屈服应力不对称材料，在国家自然科学基金项目（92160206、52175347）的资助下，分别构建了相应的解析型屈服准则，揭示了材料在塑性变形过程中的力学演变规律和流变机制。
         传统屈服准则中的参数多通过单拉和等双拉实验获得，因此这些准则无法准确预测某些材料在剪切应力附近的屈服轨迹，亟需针对平面应变与剪切应力不协调材料开展屈服准则的相关研究。陈军教授团队与韩国高等科学技术研究院Jeong Whan Yoon院士和慕尼黑工业大学胡启博士合作，研究了组成完备屈服面所必须的屈服轨迹包络线，通过分析Poly6和Poly8屈服准则的构造形式，提出了参数直接由实验数据解析表达的Poly6-18p屈服准则，实现了对平面应变与剪切应力不协调铝合金屈服轨迹的准确预测以及管材内高压成形有限元精确模拟，研究成果以Analytically described polynomial yield criterion by considering both plane strain and pure shear states为题发表于塑性力学顶级期刊International Journal of Plasticity (https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2022.103514)。

图1. 不同屈服准则对平面应变与剪切应力不协调铝合金AA6061-O力学特性预测及工程应用

图2. 不同解析型屈服准则对拉压非对称材料Ti6Al4V力学特性演化预测

        近年来，针对具有明显拉压屈服应力不对称的材料，如HCP结构的镁合金、钛合金等，学术界提出了一些新的非对称屈服准则，但仍然面临着数学结构复杂、参数标定困难和预测能力不足等问题。陈军教授团队与慕尼黑工业大学胡启博士合作，基于形函数的思想，构建了全新的非对称因子来描述材料的拉压非对称屈服应力与各向异性系数，突破了传统非对称屈服准则无法描述与沿轧制方向成45o角方向的拉压屈服应力非对称的难题。由于屈服面的曲率影响着材料在平面应变状态下的屈服行为，通过引入屈服面曲率控制因子，实现了屈服面曲率的有效控制。基于所提出的屈服函数的数学形式，首次建立了解析型非对称塑性势函数用以描述拉压非对称材料在受拉和受压下的各项异性系数，解决了目前解析型塑性势函数无法同时预测受拉和受压下各向异性系数的难题。该研究为拉压非对称材料的屈服面和流变行为的演化过程提供了理论依据。研究成果以A concise analytical framework for describing asymmetric yield behavior based on the concept of shape functions为题发表于International Journal of Plasticity (https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103593)。
       文章来源：上海交通大学
       陈军，男，1969年生，1996年获上海交通大学工学博士学位。1998年4月-1999年4月于美国密歇根(Dearborn)大学从事访问研究，期间在福特汽车公司工程工具与方法部工作。1999年4月任职上海交通大学副教授，2004年晋升为教授和博士生导师，2016年晋升为长聘教授。上海市优秀学术带头人。现任上海交通大学材料学院塑性成形技术与装备研究院院长、模具CAD国家工程研究中心副主任、上海模具技术研究所所长。学术兼职主要有：华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室学术委员会委员、全国塑性工程学会常务理事、山东省高校机械装备设计与仿真重点实验室学术委员会副主任、中国模具工业协会经济技术信息委员会副主任委员、上海市模具行业协会副会长、Journal of Materials Processing Technology期刊编委、Journal of Engineering Manufacture期刊副主编、《上海交通大学学报》和《塑性工程学报》等5本中文期刊的编委、武汉理工大学客座教授。先后主持国家自然科学基金项目、973课题、863项目、国家科技重大专子课题、重点研发计划项目子课题、上海市科研项目和工业界资助课题40多项。在轻质高强薄板（高强度钢、铝合金、钛合金）塑性成形和柔性渐进成形、塑性变形力学模型及其多物理场数值仿真、智能设计与设计优化方面，取得了具有学术创新性和工业应用价值的研究成果。发表学术论文250多篇，其中SCI论文110多篇。申请国家发明专利50多项（授权36项），软件著作权授权10余项；主编和参编中英文著作、手册等10部。获省部级科技进步一等奖1项；国际学术会议杰出贡献奖2项；人才奖励计划4项。