论文总字数：20179字

摘 要

加载条件对聚合物涂层金属板层合板的力学性能影响很大。但是对于聚合物涂层金属板层合板在更加复杂条件的载荷作用下的变形行为，我们的认识程度还很有限，需要进一步的研究。本文研究了一种新型弱粘聚能材料在复杂加载条件作用下准静态射孔时的变形机理和失效容限特性。通过不同加载条件下的仿真和实验方法，分析了层数、刀尖尺寸、界面结合和各层力学性能等因素对聚合物涂层金属板层合板系统力学性能的影响。对于准静态侵彻载荷，如果聚合物层面向刀具，则金属层的失效可能会延迟，特别是当使用更大的刀具时，这比金属层面向刀具的情况要好。此外，所建立的分析模型能够正确预测射孔能量的变化趋势。在动态增量变形荷载作用下，破坏模式包括单层断裂、双层断裂、分层及其混合情况。此外，值得强调的是，层的排列是影响变形行为的最主要因素。与金属层面对刀具的情况不同，聚合物层面对刀具时在弱粘着力条件下刚度较低，有利于聚合物涂层金属板层合板整体材料的协同变形机制。有研究结果表明，将聚合物涂层应用于弱结合金属板，可以为改善现有金属材料的力学性能提供一种实用的解决方案。本文设计了一个准静态射孔的实验来分析聚合物涂层金属板层合板的力学性能及性变特性。

关键词：聚合物-金属叠层板，准静态射孔实验，仿真分析。

abstract

The loading conditions have a great influence on the mechanical properties of polymer coated metal laminates. However, our understanding of the deformation behavior of polymer coated metal laminates under more complex loads is still limited, which needs further study. In this paper, the deformation mechanism and failure tolerance characteristics of a new type of weak cohesive material under complex loading conditions are studied. Through the simulation and experimental methods under different loading conditions, the influences of the number of layers, the size of the tool tip, the interface combination and the mechanical properties of each layer on the mechanical properties of the polymer coated metal laminate system were analyzed. For quasi-static penetration loads, if the polymer layer is facing the tool, the failure of the metal layer may be delayed, especially when a larger tool is used, which is better than when the metal layer is facing the tool. In addition, the established analysis model can correctly predict the change trend of perforation energy. Under the action of dynamic incremental deformation load, the failure mode includes single-layer fracture, double-layer fracture, delamination and its mixture. In addition, it should be emphasized that the arrangement of layers is the most important factor affecting the deformation behavior. Different from the case of metal facing tools, the rigidity of polymer facing tools is lower under the condition of weak adhesion, which is conducive to the cooperative deformation mechanism of polymer coated metal laminates. Some research results show that the application of polymer coating to weakly bonded metal plate can provide a practical solution for improving the mechanical properties of existing metal materials. In this paper, a quasi-static perforation experiment is designed to analyze the mechanical properties and the property variation of polymer coated metal plate.

Keywords: polymer metal laminate, quasi-static perforation experiment, simulation analysis.

聚合物-金属叠层板的渐进成形力学性能测试及形变特性分析 1

摘要 1

abstract 1

1.绪论 1

1.1 研究的背景 1

1.2 渐进成形技术国内外研究的现状 2

1.3 本文主要研究内容及目的 2

1.4 论文结构安排 3

2 金属板材渐进成形原理及应用 4

2.1 金属板材渐进成形原理 4

2.2 金属板材渐进成形技术的应用 6

3 聚合物涂层金属板层压板的准静态射孔实验设计 7

3.1 聚合物涂层金属板层压板 7

3.2 材料 7

3.3 实验设备 8

3.4 实验方法 8

4 聚合物涂层金属板层压板的准静态射孔的仿真与分析 8

4.1 有限元法分析理论基础 8

4.2 基于ABAQUS的聚合物涂层金属板层压板穿孔力学分析 10

4.2.1 模型建立 10

4.2.2 有限元的模拟过程 12

4.2.3 模拟结果 13

5 聚合物涂层金属板层压板的准静态射孔实验 20

5.1 实验结果 20

5.2 射孔能量分析预测模型 22

6 总结与展望 24

6.1 总结 24

6.2 展望 25

参考文献 25

1.绪论

1.1 研究的背景

金属板材渐进成形技术是一种非常有影响力的先进的制造技术，它在制造业领域有着广泛的应用。由于传统的金属板材加工工艺都需要模具来进行加工，而设计生产模具又需要花费很长的时间和资金，所以诞生了一种新的加工技术，它就是渐进成形技术，该技术不需要使用专用的模具，是一种柔性的成形工艺，因此特别适用于装备制造，仪器仪表，汽车制造，航空航天，电子电器，医疗等领域的多品种，小批量的产品以及新产品的开发。

在传统的金属板材成形方法中，最常规的成型方法是冲压成型，这种成形方法是通过借助模具，或者其他工具来获得所需要的产品形状。与其他的加工方式例如机械切削加工方法相比，冲压成型方法有着很大的优势，最大的优势就是冲压成型能获得更高的成形效率，适用于大批量的生产；因此，在航空航天，汽车制造，电子电器，装备制造等工业领域有着广泛的应用，如汽车零件中75%以上为冲压件，飞机零件中50%以上为冲压件。但与此同时，冲压成型也有明显的劣势，模具设计和制造周期很长，而且模具的材料和加工成本极高，维护费用也很高，一般情况下想要成形一个零件需要好几副模具，这就导致新产品往往需要很长的研发周期，这样的技术还缺乏柔软性，只要产品稍作修改就要重新设计更换模具，再一次加长了产品的研发周期。随着时代的发展，技术的不断更新，多品种，中小型批量生产的比重明显增加，产品个性化，多元化也成为了社会竞争的一个必不可少的需求。而且各种产品的更型换代的速度都在不断加快，这就导致了旧产品的废弃，需要更多的模具来生产，浪费了更多的资源，而激烈的市场竞争又要求产品的研发周期越短越好。这种情况下企业不仅需要能够快速地响应市场的变化，而且需要通过不断地去创新技术，从而通过这种技术来引导市场的走向。因此传统的冲压成形方法已经难以适应市场这捉摸不透的需求变化，而想要在竞争更加激烈的国际化市场中取得更高的的地位，这就需要我们探索新的金属板材成形方法以及加工工艺，去满足更多小批量，多品种的产品的需求，需要能够实现金属板材的快速，低成本，柔性成形的加工工艺。随着机械，控制等技术不断的进步发展，一系列先进的金属板材无模成形技术在这样的艰巨的环境下应运而生。其中具有代表性的成形方法有：无模多点成形技术，旋压成型技术，激光热应力成型技术，板材电磁成形技术，无模液压胀形技术，喷丸成型技术，金属板材渐进成型技术等。其中，就有着金属板材渐进成形技术。20世纪90年代初，日本学者松原茂夫提出了一种新型的金属板材数字化渐进成形技术，这种技术为新产品的快速开发提供了一种先进的手段。金属板料渐进成形技术不需要专用的模具，它是将板料的三维模型沿垂直方向分层离散成一系列的等高层，然后在各个等高层上形成加工轨迹，接着数控机床控制工具头沿着这些等高层的加工轨迹进行加工，工具头在一层按照一定的运动轨迹产生此层的加工形状后，下降到另一层继续加工直至完成加工，板料就会沿工具头的轨迹包络面逐渐成形，最后，经过塑性变形成形出所需要的零件。

1.2 渐进成形技术国内外研究的现状

金属板材渐进成形技术作为一种新型的柔性成形新工艺，已经引起了国内外学者的广泛重视。在我国，上世纪90年代哈尔滨工业大学最早进行了数控渐进成形的研究，之后又有许多大学参与了各种各样的研究，使得我国的研究与应用水平达到国际先进的水平。目前针对金属板材渐进成形技术的主要研究有：（1）渐进成形条件下的成形性能和变形机理方面，通过成形极限图或成形极限图来评估金属板材渐进成形性能，Simonsen和Lauridsen[28]通过分析理论、数值分析和实验研究了刚性球形刀具横向穿透整体金属板的机理；（2）渐进成形精度控制方面，通过优化路径和改善工艺来减小误差，Son[29]等人设计了一种成型聚合物涂层板的冲压工艺。在大量实验研究的基础上，建立了分层和撕裂极限曲线，确定了适合于聚合物涂层板冲压成形的安全成形区域。（3）数值模拟，真实再现整个加工过程，分析应力变化，同时还可以对成形过程中出现的各种缺陷进行预测和优化，马琳伟等人采用有限元软件对圆锥件和方锥件进行了完整的成形过程模拟，克服了压头动态加载的难题。（4）成形设备研究，刘强[7]设计了一种用于板料渐进成形的超磁致伸缩超声振动装置。但是对于聚合物涂层金属板层合板在更加复杂条件的载荷作用下的变形行为，我们的认识程度还很有限，所以需要进一步的研究。

1.3 本文主要研究内容及目的

聚合物涂层金属板层压板是一种分层材料，其中聚合物层用粘合膜粘合到金属板上。聚合物涂层金属板层压板具有成本低、重量轻、耐腐蚀、可定制或改性的机械性能等优点，在许多工业应用中具有吸引力。例如，聚脲等聚合物可以用作装甲车辆的涂层，以增强抗冲击和防爆能力。此外，聚合物涂层金属板层压板作为进一步形成需求的原材料也显示出越来越大的兴趣。为了充分利用聚合物涂层金属板层压板，有必要了解这种材料在不同加载条件下的变形行为。然而，到目前为止，大部分工作都集中在冲击波和爆炸载荷上。关于更复杂的加载条件对聚合物涂层金属板层压板变形机制的影响的知识仍然有限。本文主要研究聚合物涂层金属板层压板在渐进成形时的力学性能和性变特性，通过控制影响板材成形极限角的因素，板材厚度，压头直径等来减小板材加工时破裂的质量问题。

1.4 论文结构安排

本论文依据设计分析要求分为六章，具体各章节的安排如下：

第一章 绪论

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