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针对增材制造 Ti-6Al-4V 的各向异性塑性行为建模难题，研究人员将二次 Hill 屈服函数扩展至有限应变乘性运动学框架，结合线性与指数硬化。模拟不同拉伸试验验证模型，发现构建方向显著影响最大力，为 AM 金属材料力学性能预测提供新方法。
在增材制造（AM）领域，钛合金 Ti-6Al-4V 凭借轻量化与高强度的优势备受青睐，但其逐层熔融的制造工艺会导致材料微观结构各向异性，进而引发塑性行为的方向依赖性。然而，传统的本构模型难以准确描述其在有限应变下的各向异性特征，尤其缺乏对硬化行为的有效表征，这使得精准预测增材制造 Ti-6Al-4V 构件的力学性能成为工程应用中的一大挑战。为填补这一研究空白，来自国外研究机构的学者开展了相关研究，其成果发表在《International Journal of Engineering Science》。
研究人员采用有限应变乘性运动学框架，对二次 Hill 屈服函数进行拓展，提出了一种融合线性硬化与指数硬化的新型本构模型。该模型以塑性中间构形为基准，通过引入材料方向矢量来刻画各向异性特征，并结合 Mandel 应力张量建立了 consistent linearization 关系。
研究中主要运用了以下关键技术方法：基于 multiplicative decomposition 将变形梯度分解为弹性与塑性部分，通过隐式欧拉法对硬化参数进行时间积分，并利用牛顿迭代法求解非线性方程组以确定塑性状态变量，同时采用线性六面体单元对几何模型进行离散化。
材料参数研究
通过对边长 4mm 的立方体模型进行模拟，分析了指数系数 j 与线性硬化模量 H 对材料响应的影响。结果表明，j 值增大可使材料更快达到渐近应力极限，且塑性变形后的初始斜率显著增加；H 值越大，塑性变形后的应力 - 应变曲线曲率越小，线性硬化主导作用增强。弹性行为在参数改变时保持不变，验证了模型对塑性参数的独立性。
材料参数识别
基于 Wijesinghe 等人（2024）的拉伸试验数据，对 Ti-6Al-4V 的材料参数进行识别。选取标距 16mm、截面 2.4×2.4mm2 的矩形试样，通过模拟垂直（VD）与水平（HD）方向的拉伸行为，确定了初始屈服应力 σ0Y、渐近应力极限 σinfY、指数系数 j（0.7）及线性硬化模量 H（0.68×10-2）。模拟结果与实验数据吻合良好，证明了模型的有效性。
验证与工程应用
利用 Rawal 等人（2013）的圆柱形试样拉伸数据对模型进行验证，水平方向的模拟结果与实验数据一致，虽存在一定硬化预测偏差，但仍表明模型具备工程适用性。在工程实例中，对比板状结构在 HD 与 VD 方向的加载响应，发现 HD 方向最大力（50.5kN）较 VD 方向（45.0kN）提高 112%，揭示了构建方向对承载能力的显著影响，且应力集中主要出现在结构中部连接区域。
研究结论表明，所提出的本构模型成功将二次 Hill 屈服函数拓展至有限应变乘性框架，通过线性与指数硬化的协同作用，有效捕捉了增材制造 Ti-6Al-4V 的各向异性塑性行为。工程实例进一步证实，材料构建方向会显著影响结构的力学性能，这为增材制造工艺优化与构件设计提供了关键的理论依据。未来研究可进一步纳入温度场分析与失效机制，以完善模型对复杂工况的适应性，推动 Ti-6Al-4V 在航空航天等高精度领域的应用。
