技术领域
[0001] 本
发明涉及板材成形极限确定技术领域，特别是涉及一种高强
铝合金板材的断裂成形极限图建立方法及系统。
背景技术
[0002] 随着
汽车工业轻量化的持续发展，具有低
密度及高强度等优势的高强铝合金板材被广泛应用于汽车生产制造。然而，高强铝合金板材塑性低、成形性能差，改善这类材料的成形性能是一个需要解决的问题，同时，准确地预测该类材料的成形极限同样是一个需要解决的重要问题。
[0003] 成形极限图可以预测和判定金属板材成形过程中的破裂现象，是分析板料成形性能的重要工具。成形极限图的获取通常有试验方法和理论方法。试验方法通过大量的板材试件胀形试验，在不同应变路径条件下获得材料
变形的极限应变数据点，将这些数据点绘制在以第一主应变为纵坐标、第二主应变为横坐标的
坐标系内，然后连线形成金属板材成形极限曲线。理论方法通过建立可靠的数学模型预测板材塑性变形的极限，从而得到金属板材的成形极限图。对于塑性较好的普通
钢板，拉伸断裂前有明显的颈缩现象，建立成形极限图的理论是基于经典弹塑性
力学的拉伸失稳理论，比如Swift拉伸失稳理论、Hill拉伸失稳理论、MK模型及其修正模型。然而，高强铝合金板材的拉伸断裂行为异于普通钢板，断裂前没有明显的颈缩现象发生。因此，基于拉伸失稳理论建立该类材料的成形极限图失去了理论依据和有效性。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种高强铝合金板材的断裂成形极限图建立方法及系统，通过简单易实施的试验手段，结合适用性更强的新理论方法来实现高强铝合金板材的成形极限图的建立，既避免了试验获取成形极限图的繁琐性，又解决了传统理论对高强铝合金板材的不适用性，还有效避免了新理论方法实现过程中存在典型问题。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0006] 一种高强铝合金板材的断裂成形极限图建立方法，包括：
[0007] 制备三种试验试样；所述试验试样分别为单向拉伸试验试样、平面应变试验试样以及双向等拉试验试样；
[0008] 将三种所述试验试样放置在万能材料试验机上对应进行单向拉伸试验、平面应变试验以及双向等拉试验，得到第一力-位移曲线、第二力-位移曲线以及第三力-位移曲线；所述第一力-位移曲线为将单向拉伸试验试样放置在万能材料试验机上进行单向拉伸试验得到的曲线；所述第二力-位移曲线为将平面应变试验试样放置在万能材料试验机上进行平面应变试验得到的曲线；所述第三力-位移曲线为将双向等拉试验试样放置在万能材料试验机上进行双向等拉试验试样得到的曲线；
[0009] 确定断裂起始位移和断裂结束位移；所述断裂起始位移为力-位移曲线上最大力点对应的位移，所述断裂结束位移为力-位移曲线上完全失载点对应的位移；所述第一力-位移曲线上最大力点对应的位移为第一断裂起始位移；所述第一力-位移曲线上完全失载点对应的位移为第一断裂结束位移；所述第二力-位移曲线上最大力点对应的位移为第二断裂起始位移；所述第二力-位移曲线上完全失载点对应的位移为第二断裂结束位移；所述第三力-位移曲线上最大力点对应的位移为第三断裂起始位移；所述第三力-位移曲线上完全失载点对应的位移为第三断裂结束位移；
[0010] 根据所述第一力-位移曲线，计算
弹性模量以及拟合幂函数硬化模型；
[0011] 在有限元
软件中，依据所述弹性模量和所述幂函数硬化模型，建立材料力学模型；
[0012] 依据所建立的所述材料力学模型，对单向拉伸、平面应变以及双向等拉的试验过程分别进行有限元仿真，提取三种所述试验试样中心区域分别在所述断裂起始时刻和所述断裂结束时刻对应的等效塑性应变参数；所述等效塑性应变参数包括断裂起始应变、断裂结束应变；
[0013] 将所有所述等效塑性应变参数以及通过三种试验确定的所有的
应力三轴度和Lode参数代入Lou-Huh韧性断裂准则表达式，计算三种所述试验试样分别在所述断裂起始时刻和所述断裂结束时刻对应的断裂参数；
[0014] 在主应变空间内，根据所有所述断裂参数计算成形极限曲线；
[0015] 根据所述成形极限曲线，建立断裂成形极限图。
[0016] 可选的，所述根据所述第一力-位移曲线，计算弹性模量以及拟合幂函数硬化模型，具体包括：
[0017] 根据所述第一力-位移曲线，获取工程应力-应变曲线；
[0018] 根据所述工程应力-应变曲线，计算弹性模量和真实应力应变曲线；
[0019] 根据所述真实应力应变曲线拟合幂函数硬化模型的强度系数和硬化指数。
[0020] 可选的，所述依据所建立的所述材料力学模型，对单向拉伸、平面应变以及双向等拉的试验过程分别进行有限元仿真，提取三种所述试验试样中心区域分别在所述断裂起始时刻和所述断裂结束时刻对应的等效塑性应变参数，具体包括：
[0021] 依据所建立的所述材料力学模型，对单向拉伸的试验过程进行有限元仿真，提取所述单向拉伸试验试样中心区域在所述第一断裂起始时刻和所述第一断裂结束时刻对应的第一组等效塑性应变参数；所述第一组等效塑性应变参数包括第一断裂起始应变、第一断裂结束应变；
[0022] 依据所建立的所述材料力学模型，对平面应变的试验过程进行有限元仿真，提取所述平面应变试验试样中心区域在所述第二断裂起始时刻和所述第二断裂结束时刻对应的第二组等效塑性应变参数；所述第二组等效塑性应变参数包括第二断裂起始应变、第二断裂结束应变；
[0023] 依据所建立的所述材料力学模型，对双向等拉的试验过程进行有限元仿真，提取所述双向等拉试验试样中心区域在所述第三断裂起始时刻和所述第三断裂结束时刻对应的第三组等效塑性应变参数；所述第三组等效塑性应变参数包括第三断裂起始应变、第三断裂结束应变；
[0024] 其中，所述等效塑性应变参数包括第一组等效塑性应变参数、第二组等效塑性应变参数和第三组等效塑性应变参数。
[0025] 可选的，所述将所有所述等效塑性应变参数以及通过三种试验确定的所有的应力三轴度和Lode参数代入Lou-Huh韧性断裂准则表达式，计算三种所述试验试样分别在所述断裂起始时刻和所述断裂结束时刻对应的断裂参数，具体包括：
[0026] 根据第一公式计算第一组断裂参数，所述第一组断裂参数包括断裂参数C1s、断裂参数C2s、断裂参数C3s；
[0027] 所述第一公式为：
[0028] 其中， 为第一断裂起始应变， 为第二断裂起始应变， 为第三断裂起始应变；
[0029] 根据第二公式计算第二组断裂参数；所述第二组断裂参数包括断裂参数C1e、断裂参数C2e和断裂参数C3e；
[0030] 所述第二公式为
[0031] 其中， 为第一断裂结束应变， 为第二断裂结束应变， 为第三断裂结束应变。
[0032] 可选的，所述在主应变空间内，根据所有所述断裂参数计算成形极限曲线，具体包括：所述成形极限曲线有两条，分别为第一成形极限曲线和第二成形极限曲线；
[0033] 根据以下公式，采用所述第一组断裂参数，计算第一成形极限曲线，所述公式为[0034]
[0035] 根据以下公式，采用所述第二组断裂参数，计算第二成形极限曲线，所述公式为[0036]
[0037] 其中，β为应变比，α为应力比，ε1为主应变，ε2为次应变；所述主应变空间为ε1-ε2。
[0038] 可选的，在所述断裂成形极限图内，将所述第一成形极性曲线和所述第二成形极性曲线之间形成的一个带状区域确定为危险区，将所述危险区之上的区域确定为破裂区，将所述危险区之下的区域确定为安全区。
[0039] 一种高强铝合金板材的断裂成形极限图建立系统，包括：
[0040] 试验试样制备模
块，用于制备三种试验试样；所述试验试样分别为单向拉伸试验试样、平面应变试验试样以及双向等拉试验试样；
[0041] 力-位移曲线得到模块，用于将三种所述试验试样放置在万能材料试验机上对应进行单向拉伸试验、平面应变试验以及双向等拉试验，得到第一力-位移曲线、第二力-位移曲线以及第三力-位移曲线；所述第一力-位移曲线为将单向拉伸试验试样放置在万能材料试验机上进行单向拉伸试验得到的曲线；所述第二力-位移曲线为将平面应变试验试样放置在万能材料试验机上进行平面应变试验得到的曲线；所述第三力-位移曲线为将双向等拉试验试样放置在万能材料试验机上进行双向等拉试验试样得到的曲线；
[0042] 断裂起始位移和断裂结束位移确定模块，用于确定断裂起始位移和断裂结束位移；所述断裂起始位移为力-位移曲线上最大力点对应的位移，所述断裂结束位移为力-位移曲线上完全失载点对应的位移；所述第一力-位移曲线上最大力点对应的位移为第一断裂起始位移；所述第一力-位移曲线上完全失载点对应的位移为第一断裂结束位移；所述第二力-位移曲线上最大力点对应的位移为第二断裂起始位移；所述第二力-位移曲线上完全失载点对应的位移为第二断裂结束位移；所述第三力-位移曲线上最大力点对应的位移为第三断裂起始位移；所述第三力-位移曲线上完全失载点对应的位移为第三断裂结束位移；
[0043] 弹性模量和幂函数硬化模型得到模块，用于根据所述第一力-位移曲线，计算弹性模量以及拟合幂函数硬化模型；
[0044] 材料力学模型建立模块，用于在有限元软件中，依据所述弹性模量和所述幂函数硬化模型，建立材料力学模型；
[0045] 等效塑性应变参数提取模块，用于依据所建立的所述材料力学模型，对单向拉伸、平面应变以及双向等拉的试验过程分别进行有限元仿真，提取三种所述试验试样中心区域分别在所述断裂起始时刻和所述断裂结束时刻对应的等效塑性应变参数；所述等效塑性应变参数包括断裂起始应变、断裂结束应变；
[0046] 断裂参数计算模块，用于将所有所述等效塑性应变参数以及通过三种试验确定的所有的应力三轴度和Lode参数代入Lou-Huh韧性断裂准则表达式，计算三种所述试验试样分别在所述断裂起始时刻和所述断裂结束时刻对应的断裂参数；
[0047] 成形极限曲线计算模块，用于在主应变空间内，根据所有所述断裂参数计算成形极限曲线；
[0048] 断裂成形极限图建立模块，用于根据所述成形极限曲线，建立断裂成形极限图。
[0049] 可选的，所述弹性模量和幂函数硬化模型得到模块，具体包括：
[0050] 工程应力-应变曲线获取单元，用于根据所述第一力-位移曲线，获取工程应力-应变曲线；
[0051] 弹性模量和真实应力应变曲线计算单元，用于根据所述工程应力-应变曲线，计算弹性模量和真实应力应变曲线；
[0052] 拟合单元，用于根据所述真实应力应变曲线拟合幂函数硬化模型的强度系数和硬化指数。
[0053] 可选的，所述等效塑性应变参数提取模块，具体包括：
[0054] 第一组等效塑性应变参数提取单元，用于依据所建立的所述材料力学模型，对单向拉伸的试验过程进行有限元仿真，提取所述单向拉伸试验试样中心区域在所述第一断裂起始时刻和所述第一断裂结束时刻对应的第一组等效塑性应变参数；所述第一组等效塑性应变参数包括第一断裂起始应变、第一断裂结束应变；
[0055] 第二组等效塑性应变参数提取单元，用于依据所建立的所述材料力学模型，对平面应变的试验过程进行有限元仿真，提取所述平面应变试验试样中心区域在所述第二断裂起始时刻和所述第二断裂结束时刻对应的第二组等效塑性应变参数；所述第二组等效塑性应变参数包括第二断裂起始应变、第二断裂结束应变；
[0056] 第三组等效塑性应变参数提取单元，用于依据所建立的所述材料力学模型，对双向等拉的试验过程进行有限元仿真，提取所述双向等拉试验试样中心区域在所述第三断裂起始时刻和所述第三断裂结束时刻对应的第三组等效塑性应变参数；所述第三组等效塑性应变参数包括第三断裂起始应变、第三断裂结束应变；
[0057] 其中，所述等效塑性应变参数包括第一组等效塑性应变参数、第二组等效塑性应变参数和第三组等效塑性应变参数。
[0058] 根据本发明提供的具体
实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0059] (1)基于韧性断裂理论构建的高强铝合金板材的成形极限图，相比于传统拉伸失稳理论而言具有可靠的理论适用性。
[0060] (2)使用单向拉伸试验、平面应变试验、双向等拉试验的组合方案来确定韧性断裂准则中的断裂参数，相比现有的常用的缺口试样拉伸试验方案而言，实现了稳定应力状态条件下的相关力学变量的获取过程，避免了应力状态平均化方法带来的参数确定误差。
[0061] (3)既避免了试验获取成形极限图的繁琐性，又解决了传统理论对高强铝合金板材的不适用性，还有效避免了新理论方法实现过程中存在的典型问题。
附图说明
[0062] 为了更清楚地说明本发明实施例或
现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0063] 图1为本发明实施例高强铝合金板材的断裂成形极限图建立方法的流程示意图；
[0064] 图2为本发明实施例高强铝合金板材的断裂成形极限图建立系统的结构示意图；
[0065] 图3为本发明实施例五组单向拉伸试验的“力-位移”曲线图；
[0066] 图4为本发明实施例断裂位移选取方式示意图；
[0067] 图5为本发明实施例幂函数硬化模型拟合曲线图；
[0068] 图6为本发明实施例平面应变试验试样的结构示意图；
[0069] 图7为本发明实施例双向等拉试验模具的结构示意图；
[0070] 图8为本发明实施例断裂成形极限简易图；
[0071] 图9为本发明实施例6061铝合金板材单行拉伸试样的尺寸图；
[0072] 图10为本发明实施例断裂成形极限图。
具体实施方式
[0073] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0074] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0075] 术语解释：
[0076] 成形极限图(Forming Limit Diagram，简称FLD)：成形极限图是由板料在不同应变路径下的局部极限应变构成的条带形区域，经常被用来分析解决成形时的破裂问题。目前获得成形极限图的方法主要有理论方法和试验方法。试验方法是在坯料上制备好坐标网格，以一定的加载方式使坯料产生胀形变形，测出试件破裂或失稳时的第一主应变ε1和第二主应变ε2(长、短轴方向)；改变坯料尺寸或加载条件，重复上述试验，测得另一状态下的第一主应变ε1和第二主应变ε2；取得一定量的数值后，在平面坐标图上描绘出各试验点，然后圆滑连线，作出FLD。理论方法是通过建立可靠的数学
预测模型，从而得到板料的成形极限图。
[0077] 成形极限曲线(Forming Limit Curve，简称FLC)：成形极限图中圆滑的连线称为成形极限曲线。
[0078] 断裂成形极限图：依据韧性断裂准则绘制的成形极限图称为断裂成形极限图(FFLD)。
[0079] Lou-Huh韧性断裂准则(Lou-Huhductile fracture criterion)：Yanshan Lou等人于2013年提出的基于微观孔洞演化机理的韧性断裂准则。
[0080] 与传统拉伸失稳模型不同，韧性断裂准则是基于显微空洞形核、长大和聚集的微观断裂机理建立起来的判定准则，因此具有理论优越性和普遍适用性。本发明要解决的问题便是使用韧性断裂准则，解决高强铝合金板材成形极限的建立问题。
[0081] 韧性断裂准则自上世纪60年代出现至今，陆续有不同的学者提出了不同的模型，概括起来可以表述为：与应力状态相关的某一变量随塑性应变累积到一定程度时则韧性断裂发生，其数学表达式可以提炼如下：
[0082]
[0083] 早期建立起来的韧性断裂准则考虑的应力状态影响因子较为简单，其适用的应力状态较少，准确性也相对较低。随着准则的不断发展与改进，新的准则能够兼容的应力状态范围越来越广，准确性也在不断提高。本发明应用近些年新提出的Lou-Huh韧性断裂准则，并依据自行建立的断裂参数确定方案，绘制高强铝合金板材的成形极限图。
[0084] Lou-Huh准则的表达式有积分表达式(如公式(2)所示)和解析表达式(如公式(3)所示)两种形式，式中L为Lode参数，L＝(σ2-σ1-σ3)/(σ1-σ3)；η为应力三轴度，η＝σm/σeq；为断裂应变；C1、C2、C3为材料的断裂参数。在应用该准则之前，有效准确地确定准则中的断裂参数C1、C2、C3是必要前提。确定断裂参数常用的方法是解方程组法，首先设计至少三种不同应力状态条件下的材料性能测试试验，然后通过试验结合有限元模拟的方法获得每个应力状态条件下的Lode参数、应力三轴度和断裂应变的数值，最后选取三组数据带入解析表达式组成的方程组求解断裂参数。现有资料中，不同应力状态条件下的材料性能测试试验往往通过不同形状的缺口试样的拉伸试验实现。然而，缺口试样的应力三轴度和Lode参数在拉伸过程中是变化的，因此，解方程组时常采用平均应力三轴度ηave和平均Lode参数Lave(如公式(4)所示)来代替解析表达式中的η和L。积分表达式和解析表达式等价的条件是：应力三轴度和Lode参数随塑性应变的改变而保持不变，那么采用平均应力三轴度和平均Lode参数来进行断裂参数的求解必然会带来误差。基于此，本发明设计单向拉伸试验、平面应变试验和双向等拉试验来获取断裂准则相关的力学变量，求解断裂参数的具体数值。由于所设计的试验过程是在稳定的应力状态条件下进行的，因此避免了平均化方法带来的计算误差。
[0085]
[0086]
[0087]
[0088] 实施例1
[0089] 图1为本发明实施例高强铝合金板材的断裂成形极限图建立方法的流程示意图，如图1所示，实施例1提供的断裂成形极限图建立方法包括以下步骤。
[0090] 步骤101：制备三种试验试样；所述试验试样分别为单向拉伸试验试样、平面应变试验试样以及双向等拉试验试样。
[0091] 步骤102：将三种所述试验试样放置在万能材料试验机上对应进行单向拉伸试验、平面应变试验以及双向等拉试验，得到第一力-位移曲线、第二力-位移曲线以及第三力-位移曲线；所述第一力-位移曲线为将单向拉伸试验试样放置在万能材料试验机上进行单向拉伸试验得到的曲线；所述第二力-位移曲线为将平面应变试验试样放置在万能材料试验机上进行平面应变试验得到的曲线；所述第三力-位移曲线为将双向等拉试验试样放置在万能材料试验机上进行双向等拉试验试样得到的曲线。
[0092] 步骤103：确定断裂起始位移和断裂结束位移；所述断裂起始位移为力-位移曲线上最大力点对应的位移，所述断裂结束位移为力-位移曲线上完全失载点对应的位移；所述第一力-位移曲线上最大力点对应的位移为第一断裂起始位移，所述第一力-位移曲线上完全失载点对应的位移为第一断裂结束位移；所述第二力-位移曲线上最大力点对应的位移为第二断裂起始位移；所述第二力-位移曲线上完全失载点对应的位移为第二断裂结束位移；所述第三力-位移曲线上最大力点对应的位移为第三断裂起始位移；所述第三力-位移曲线上完全失载点对应的位移为第三断裂结束位移。
[0093] 步骤104：根据所述第一力-位移曲线，计算弹性模量以及拟合幂函数硬化模型。
[0094] 步骤105：在有限元软件中，依据所述弹性模量和所述幂函数硬化模型，建立材料力学模型。
[0095] 步骤106：依据所建立的所述材料力学模型，对单向拉伸、平面应变以及双向等拉的试验过程分别进行有限元仿真，提取三种所述试验试样中心区域分别在所述断裂起始时刻和所述断裂结束时刻对应的等效塑性应变参数；所述等效塑性应变参数包括断裂起始应变、断裂结束应变。
[0096] 步骤107：将所有所述等效塑性应变参数以及通过三种试验确定的所有的应力三轴度和Lode参数代入Lou-Huh韧性断裂准则表达式，计算三种所述试验试样分别在所述断裂起始时刻和所述断裂结束时刻对应的断裂参数。
[0097] 步骤108：在主应变空间内，根据所有所述断裂参数计算成形极限曲线。
[0098] 步骤109：根据所述成形极限曲线，建立断裂成形极限图。
[0099] 步骤104具体包括：
[0100] 根据所述第一力-位移曲线，获取工程应力-应变曲线。
[0101] 根据所述工程应力-应变曲线，计算弹性模量和真实应力应变曲线。
[0102] 根据所述真实应力应变曲线拟合幂函数硬化模型的强度系数和硬化指数，进而确定幂函数硬化模型。
[0103] 步骤106具体包括：
[0104] 依据所建立的所述材料力学模型，对单向拉伸的试验过程进行有限元仿真，提取所述单向拉伸试验试样中心区域在所述第一断裂起始时刻和所述第一断裂结束时刻对应的第一组等效塑性应变参数；所述第一组等效塑性应变参数包括第一断裂起始应变、第一断裂结束应变。
[0105] 依据所建立的所述材料力学模型，对平面应变的试验过程进行有限元仿真，提取所述平面应变试验试样中心区域在所述第二断裂起始时刻和所述第二断裂结束时刻对应的第二组等效塑性应变参数；所述第二组等效塑性应变参数包括第二断裂起始应变、第二断裂结束应变。
[0106] 依据所建立的所述材料力学模型，对双向等拉的试验过程进行有限元仿真，提取所述双向等拉试验试样中心区域在所述第三断裂起始时刻和所述第三断裂结束时刻对应的第三组等效塑性应变参数；所述第三组等效塑性应变参数包括第三断裂起始应变、第三断裂结束应变。
[0107] 第一组等效塑性应变参数、第二组等效塑性应变参数、第三组等效塑性应变参数以及三个试验分别确定的应力三轴度和Lode参数，如表1所示。
[0108] 表1等效塑性应变参数信息表
[0109]
[0110] 步骤107具体包括：
[0111] 根据第一公式计算第一组断裂参数，所述第一组断裂参数包括断裂参数C1s、断裂参数C2s、断裂参数C3s；
[0112] 所述第一公式为：
[0113] 其中， 为第一断裂起始应变， 为第二断裂起始应变， 为第三断裂起始应变；
[0114] 根据第二公式计算第二组断裂参数；所述第二组断裂参数包括断裂参数C1e、断裂参数C2e、断裂参数C3e；
[0115] 所述第二公式为
[0116] 其中， 为第一断裂结束应变， 为第二断裂结束应变， 为第三断裂结束应变。
[0117] 步骤108具体包括：所述成形极限曲线有两条，分别为第一成形极限曲线和第二成形极限曲线；
[0118] 根据以下公式，采用所述第一组断裂参数，计算第一成形极限曲线，所述公式为[0119]
[0120] 根据以下公式，采用所述第二组断裂参数，计算第二成形极限曲线，所述公式为[0121]
[0122] 其中，β为应变比，α为应力比，ε1为主应变，ε2为次应变；所述主应变空间为ε1-ε2。
[0123] 在所述断裂成形极限图内，将所述第一成形极性曲线和所述第二成形极性曲线之间形成的一个带状区域确定为危险区，将所述危险区之上的区域确定为破裂区，将所述危险区之下的区域确定为安全区。
[0124] 实施例2
[0125] 图2为本发明实施例高强铝合金板材的断裂成形极限图建立系统的结构示意图，如图2所示，实施例2提供的断裂成形极限图建立系统包括：
[0126] 试验试样制备模块100，用于制备三种试验试样；所述试验试样分别为单向拉伸试验试样、平面应变试验试样以及双向等拉试验试样。
[0127] 力-位移曲线得到模块200，用于将三种所述试验试样放置在万能材料试验机上对应进行单向拉伸试验、平面应变试验以及双向等拉试验，得到第一力-位移曲线、第二力-位移曲线以及第三力-位移曲线；所述第一力-位移曲线为将单向拉伸试验试样放置在万能材料试验机上进行单向拉伸试验得到的曲线；所述第二力-位移曲线为将平面应变试验试样放置在万能材料试验机上进行平面应变试验得到的曲线；所述第三力-位移曲线为将双向等拉试验试样放置在万能材料试验机上进行双向等拉试验试样得到的曲线。
[0128] 断裂起始位移和断裂结束位移确定模块300，用于确定断裂起始位移和断裂结束位移；所述断裂起始位移为力-位移曲线上最大力点对应的位移，所述断裂结束位移为力-位移曲线上完全失载点对应的位移；所述第一力-位移曲线上最大力点对应的位移为第一断裂起始位移，所述第一力-位移曲线上完全失载点对应的位移为第一断裂结束位移；所述第二力-位移曲线上最大力点对应的位移为第二断裂起始位移；所述第二力-位移曲线上完全失载点对应的位移为第二断裂结束位移；所述第三力-位移曲线上最大力点对应的位移为第三断裂起始位移；所述第三力-位移曲线上完全失载点对应的位移为第三断裂结束位移。
[0129] 弹性模量和幂函数硬化模型得到模块400，用于根据所述第一力-位移曲线，计算弹性模量以及拟合幂函数硬化模型。
[0130] 材料力学模型建立模块500，用于在有限元软件中，依据所述弹性模量和所述幂函数硬化模型，建立材料力学模型。
[0131] 等效塑性应变参数提取模块600，用于依据所建立的所述材料力学模型，对单向拉伸、平面应变以及双向等拉的试验过程分别进行有限元仿真，提取三种所述试验试样中心区域分别在所述断裂起始时刻和所述断裂结束时刻对应的等效塑性应变参数；所述等效塑性应变参数包括断裂起始应变、断裂结束应变。
[0132] 断裂参数计算模块700，用于将所有所述等效塑性应变参数以及通过三种试验确定的所有的应力三轴度和Lode参数代入Lou-Huh韧性断裂准则表达式，计算三种所述试验试样分别在所述断裂起始时刻和所述断裂结束时刻对应的断裂参数。
[0133] 成形极限曲线计算模块800，用于在主应变空间内，根据所有所述断裂参数计算成形极限曲线。
[0134] 断裂成形极限图建立模块900，用于根据所述成形极限曲线，建立断裂成形极限图。
[0135] 所述弹性模量和幂函数硬化模型得到模块400，具体包括：
[0136] 工程应力-应变曲线获取单元，用于根据所述第一力-位移曲线，获取工程应力-应变曲线。
[0137] 弹性模量和真实应力应变曲线计算单元，用于根据所述工程应力-应变曲线，计算弹性模量和真实应力应变曲线。
[0138] 拟合单元，用于根据所述真实应力应变曲线拟合幂函数硬化模型的强度系数和硬化指数。
[0139] 所述等效塑性应变参数提取模块600，具体包括：
[0140] 第一组等效塑性应变参数提取单元，用于依据所建立的所述材料力学模型，对单向拉伸的试验过程进行有限元仿真，提取所述单向拉伸试验试样中心区域在所述第一断裂起始时刻和所述第一断裂结束时刻对应的第一组等效塑性应变参数；所述第一组等效塑性应变参数包括第一断裂起始应变、第一断裂结束应变。
[0141] 第二组等效塑性应变参数提取单元，用于依据所建立的所述材料力学模型，对平面应变的试验过程进行有限元仿真，提取所述平面应变试验试样中心区域在所述第二断裂起始时刻和所述第二断裂结束时刻对应的第二组等效塑性应变参数；所述第二组等效塑性应变参数包括第二断裂起始应变、第二断裂结束应变。
[0142] 第三组等效塑性应变参数提取单元，用于依据所建立的所述材料力学模型，对双向等拉的试验过程进行有限元仿真，提取所述双向等拉试验试样中心区域在所述第三断裂起始时刻和所述第三断裂结束时刻对应的第三组等效塑性应变参数；所述第三组等效塑性应变参数包括第三断裂起始应变、第三断裂结束应变。
[0143] 其中，第一组等效塑性应变参数、第二组等效塑性应变参数、第三组等效塑性应变参数以及三个试验分别确定的应力三轴度和Lode参数，具体如表1所示。
[0144] 实施例3
[0145] (1)单向拉伸试验
[0146] 首先，依据国标GB/T 228.1-2010设计单向拉伸试验试样，在万能材料试验机上进行单向拉伸试验，记录试验过程中的“力-位移”曲线。在同一试验条件下，进行五组平行试验，选取“力-位移”曲线重合性较好的一组试验数据作为试验结果。依据该数据获取测试板材的“工程应力-应变”曲线。如图3所示，五组平行试验中，试验2、3、4的结果相差不多，而试验1、5的结果其它相比有很大分歧，选择试验2、3、4其中之一作为试验结果。然后，在“力-位移”曲线上选取最大力点对应的位移作为断裂起始位移，完全失载点对应的位移作为断裂结束位移，如图4所示。最后，使用所得“工程应力-应变”曲线计算弹性模量E和真实应力应变曲线，并用真实应力应变曲线拟合幂函数硬化模型 中的K值和n值(K为强度系数、n为硬化指数)，拟合结果如图5所示。
[0147] (2)平面应变试验
[0148] 制备如图6所示的平面应变试验试样，并在万能材料试验机上进行该试件的平面应变试验。在图6中，试样长度L和宽度W依据试验机夹头尺寸自行设计，中间变形区高度h应选取宽度W的1/10～1/5，厚度t为板厚T的1/2，过渡圆
角R不小于板厚T的1/4且保证圆弧与变形区相切。试验过程同单向拉伸试验一样，进行五组平行试验，选取“力-位移”曲线重合性较好的一组试验数据作为试验结果，依据同样的方法提取断裂起始位移和断裂结束位移。
[0149] (3)双向等拉试验
[0150] 根据半球形刚模胀形试验获取双向等拉条件下的试验数据。试验模具如图7所示，1为半球形凸模、2为上模、3为压边螺钉、4为固定
螺母、5为压边圈、6为试样、7为下模。双向等拉试验试样为直径200mm的圆片。试验过程如下：首先，按图7所示的装配关系，将试样6装于上模2和下模7之间，半球形凸模1装于试验机横梁上，通过固定螺母4固定上下模；然后，通过压边螺钉3压紧压边圈5对试样施加压边力；最后，启动试验机对试样施加压力F，直到试样破裂。试验过程中，在板材、凸模相互
接触的板材表面和凸模表面分别涂抹高压
润滑油，并在板材和凸模之间加一层聚乙烯膜进行充分润滑，使胀形过程尽可能接近双向等拉条件。如果胀形力超出万能材料试验机的额定吨位，则考虑选用液压机进行试验。试验过程同单向拉伸试验一样，进行五组平行试验，选取“力-位移”曲线重合性较好的一组试验数据作为试验结果，依据同样的方法提取断裂起始位移和断裂结束位移。
[0151] (4)有限元模拟
[0152] 使用有限元软件对单向拉伸、平面应变和双向等拉的试验过程分别进行有限元仿真。模拟中，材料力学模型选用弹塑性硬化模型，模型参数分别依据弹性模量E和幂函数硬化模型设定。模拟结束后，分别提取试样中心区域在断裂起始位移和断裂结束位移时刻对应的等效塑性应变作为断裂起始应变 和断裂结束应变 联合三种试验分别确定的应力三轴度η和Lode参数L，统计于表1中，为后续计算做准备。
[0153] (5)断裂参数求解
[0154] 将表1中的数据带入Lou-Huh韧性断裂准则表达式，采用数值解法求解，分别得到断裂起始时刻对应的第一组断裂参数C1s、C2s、C3s和断裂结束时刻对应的第二组断裂参数C1e、C2e、C3e。
[0155] (6)绘制断裂成形极限图：
[0156] 将第一组断裂参数C1s、C2s、C3s和第二组断裂参数C1e、C2e、C3e分别代入公式(9)，在主应变空间(ε1-ε2)内计算成形极限曲线。
[0157]
[0158] 式中，β为应变比，α为应力比，为ε1主应变，ε2为次应变。
[0159] 通过上述计算得到两条成形极限曲线。这两条曲线之间在主应变空间内形成一个带状区域，该区域破裂判定为危险区，危险区之上的区域破裂判定为破裂区，危险区之下的区域破裂判定为安全区，从而形成如图8所示的高强铝合金板材的断裂成形极限图。
[0160] 本实施例具有以下优势：
[0161] 1.与完全依靠刚性凸模胀形获取成形极限的试验方法相比，本实施例通过三种简单易实施的试验方案，结合
有限元分析方法、应用韧性断裂准则进行计算便可以获得高强铝合板材的成形极限图，避免了网格印制和反复的胀形试验过程，既节约了试验成本，也降低了试验过程的繁杂性。
[0162] 2.与基于传统拉伸失稳理论相获取板材成形极限曲线的方法相比，本实施例应用韧性断裂准则获取成形极限曲线，具有更可靠的理论依据，对于断裂失稳现象与普通钢板有明显区别的高强路合金板材来讲，具有更强的适用性。
[0163] 3.与现有获取断裂参数的方法相比，本实施例使用三种稳定应力状态条件下的试验组合方案来获取断裂准则相关力学变量、求解断裂参数，进而依据此准则和已确定的参数推演成形极限图，有效地避免了现有缺口拉伸试验方案中的平均化方法、也避免了多种多样缺口试样的选择问题。
[0164] 实施例4
[0165] (1)单向拉伸试验
[0166] 首先，依据国标GB/T 228.1-2010制备2mm厚的6061铝合金板材的单向拉伸试样，尺寸如图9所示，具体为R为20mm，H1为36mm，H2为20mm，L1为90mm，L2为122mm，L3为190mm。在万能材料试验机上进行单向拉伸试验，记录试验过程中的“力-位移”曲线。在同一试验条件下，进行五组平行试验，选取“力-位移”曲线重合性较好的一组试验数据作为试验结果。依据该数据获取测试板材的“工程应力-应变”曲线。然后，在“力-位移”曲线上选取最大力点对应的位移作为断裂起始位移，完全失载点对应的位移作为断裂结束位移。最后，使用所得“工程应力-应变”曲线计算弹性模量E和真实应力应变曲线，并用真实应力应变曲线拟合幂函数硬化模型 中的K值和n值(K为强度系数、n为硬化指数)。
[0167] (2)平面应变试验
[0168] 制备结构如图6所示的平面应变试验试样，其尺寸：L为120mm，h为5mm，W为35mm，T为2mm，t为1mm，R为0.5mm。在万能材料试验机上进行该试件的平面应变试验。试验过程同单向拉伸试验一样，进行五组平行试验，选取“力-位移”曲线重合性较好的一组试验数据作为试验结果，依据同样的方法提取断裂起始位移和断裂结束位移。
[0169] (3)双向等拉试验
[0170] 依据半球形刚模胀形试验获取双向等拉条件下的试验数据。试验模具如图7所示，1为半球形凸模、2为上模、3为压边螺钉、4为固定螺母、5为压边圈、6为试样、7为下模。试验试样为直径200mm的圆片。试验过程如下：首先，按图7所示的装配关系，将试样6装于上模2和下模7之间，半球形凸模1装于试验机横梁上，通过固定螺母4固定上下模；然后，通过压边螺钉3压紧压边圈5对试样施加压边力；最后，启动试验机对试样施加压力F，直到试样破裂。
试验过程中，在板材、凸模相互接触的板材表面和凸模表面分别涂抹高压润滑油，并在板材和凸模之间加一层聚乙烯膜进行充分润滑，使胀形过程尽可能接近双向等拉条件。如果胀形力超出万能材料试验机的额定吨位，则考虑选用液压机进行试验。试验过程同单向拉伸试验一样，进行五组平行试验，选取“力-位移”曲线重合性较好的一组试验数据作为试验结果，依据同样的方法提取断裂起始位移和断裂结束位移。
[0171] (4)有限元模拟
[0172] 使用有限元软件对单向拉伸、平面应变和双向等拉的试验过程分别进行有限元仿真。模拟中，材料力学模型选用弹塑性硬化模型，模型参数分别依据弹性模量E和幂函数硬化模型设定。模拟结束后，分别提取试样中心区域在断裂起始位移和断裂结束位移时刻对应的等效塑性应变作为断裂起始应变 和断裂结束应变 联合三种试验分别确定的应力三轴度η和Lode参数L，统计于表1中，为后续计算做准备。
[0173] (5)断裂参数求解
[0174] 将表1中的数据带入Lou-Huh韧性断裂准则表达式，并采用数值解法求解，分别得到断裂起始时刻对应的第一组断裂参数C1s、C2s、C3s和断裂结束时刻对应的第二组断裂参数C1e、C2e、C3e。
[0175] (6)绘制断裂成形极限图：
[0176] 将第一组断裂参数C1s、C2s、C3s和第二组断裂参数C1e、C2e、C3e分别代入公式(9)，在主应变空间(ε1-ε2)内计算成形极限曲线。
[0177] 通过上述计算得到两条成形极限曲线，这两条曲线之间在主应变空间内形成一个带状区域，该区域破裂判定为危险区，危险区之上的区域破裂判定为破裂区，危险区之下的区域破裂判定为安全区，从而形成如图10所示的高强铝合金板材的断裂成形极限图。
[0178] 与现有技术相比，本发明的特点和欲解决的问题有以下两点：
[0179] 1)成形极限图的建立方法有试验方法和理论方法。试验方法需采用多种应变路径下的板材胀形方案来获得极限主应变，为了测试和计算应变，试验前需要在板材表明印制网格，试验后需使用应变测量系统计算极限主应变。整个过程复杂、难操作，且高强铝合金板材的网格印制比较困难，往往难以得到清晰高
质量的网格，从而对最后极限主应变的测量计算带来困难。理论的方法能够有效解决上述问题，但是传统拉伸失稳理论在预测高强铝合金板材的成形极限时存在问题。高强铝合金板材的拉伸断裂行为异于普通钢板，断裂前没有明显的颈缩现象发生。因此，基于拉伸失稳理论建立该类材料的成形极限图失去了理论依据和有效性。而韧性断裂准则是基于显微空洞形核、长大和聚集的微观断裂机理建立起来的判定准则，因此具有理论优越性和普遍适用性。基于此，本发明采用韧性断裂准则来确定高强铝合金板材不同应力状态下的成形极限。
[0180] 2)韧性断裂准则发展至今，出现了许多模型。旧的准则形式简单、参数确定方便，但适用应力状态范围较小，准确性较低；新的韧性断裂准则虽然适用应力状态范围广、准确性较高，但是形式复杂、参数较多，断裂参数的求解方案存在问题。以具有代表性的Lou-Huh为例，确定断裂参数常用的方法是解方程组法，首先设计至少三种不同形状的缺口拉伸试样进行拉伸试验，然后通过试验结合有限元模拟的方法获得每个试样的Lode参数、应力三轴度和断裂应变的数值，最后选取三组数据带入解析表达式组成方程组求解断裂参数。这个过程存在的问题有二：其一，缺口试样的应力三轴度和Lode参数在试样拉伸过程中是变化的，因此，解方程组时常采用平均应力三轴度ηave和平均Lode参数Lave来代替解析表达式中的η和L。积分表达式和解析表达式等价的条件是：应力三轴度和Lode参数随塑性应变的改变而保持不变，那么采用平均应力三轴度和平均Lode参数来进行断裂参数的求解必然后带来误差；其二，现有文献出现的缺口试样有很多种，如何选取试样来进行断裂参数的求解并没有清晰的答案。基于此，本发明设计了单向拉伸试验、平面应变试验和双向等拉试验，通过这三种稳定应力状态条件下的试验方案来获取断裂准则相关的力学变量、求解断裂参数，既避免了不稳定应力状态条件带来的平均化处理，又解决了试件选取的头疼问题。虽然三种试验方案的实现较单纯的缺口拉伸试验方案要稍微复杂，但与完全依靠试验获取成形极限的方法相比任然要更加容易实现和操作。
[0181] 综合以上两点可以发现，本发明利用简单易实施的试验手段，结合适用性更强的新理论方法来实现高强铝合金板材的断裂成形极限图绘制，既避免了试验获取成形极限图的繁琐性，又解决了传统理论对高强铝合金板材的不适用性，还有效避免了新理论方法实现过程中存在典型问题。
[0182] 本
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0183] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
