《Journal of Manufacturing and Materials Processing》：Reevaluating Fracture Forming Limits in Bulk Forming Under Non-Monotonic Strain Loading Paths
Rui F. V. Sampaio,
Jo?o P. M. Pragana,
Guilherme P. Joaquim,
Ivo M. F. Bragan?a,
Carlos M. A. Silva and
Paulo A. F. Martins
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本研究旨在探讨非单调加载条件下铝6061合金法兰试样的断裂行为。研究人员采用数字图像相关技术（DIC）获取实验应变路径，并结合内部开发的有限元软件i-form 2026进行模拟。通过对比实验与模拟结果，评估了恒定摩擦定律在接触界面中的应用，并验证了所提出的非耦
本研究旨在探讨非单调加载条件下铝6061合金法兰试样的断裂行为。研究人员采用数字图像相关技术（DIC）获取实验应变路径，并结合内部开发的有限元软件i-form 2026进行模拟。通过对比实验与模拟结果，评估了恒定摩擦定律在接触界面中的应用，并验证了所提出的非耦合韧性断裂准则。研究结果表明，该准则能有效预测材料在复杂应力状态下的断裂起始点，为金属塑性加工中的成形极限评估提供了可靠依据。
研究背景：金属塑性加工中，材料的成形极限受加载路径显著影响。传统单调加载下的断裂预测模型难以适用于非单调加载条件，导致成形工艺设计存在局限性。铝6061合金作为广泛应用于汽车、航空航天等领域的轻质材料，其在非单调加载下的断裂行为亟需深入研究。现有研究多集中于单调加载，对非单调加载下应变路径变化与断裂机理的关联缺乏系统性分析。开展本研究旨在通过结合实验表征与数值模拟，建立适用于非单调加载条件的断裂预测方法，提升复杂成形工艺的可靠性。
主要关键技术方法：研究人员设计三类试样（圆柱形、锥形、法兰形）进行常规单调体积成形性测试，采用数字图像相关技术（DIC）记录全场应变演化。针对非单调加载法兰试样，构建二维轴对称有限元模型，使用i-form 2026软件模拟两阶段加载过程。材料本构关系采用Hollomon方程描述，接触摩擦采用恒定摩擦定律建模。断裂预测采用Sampaio等提出的非耦合韧性断裂准则，通过积分计算临界损伤阈值Dcrit，结合实验断裂点标定模型参数。
研究结果：
2.3 数值模拟
研究人员采用基于控制体积V的更新欧拉法有限元流公式，通过迭代程序最小化残余力至指定公差，利用显式时间积分方案更新几何。弱形式平衡方程包含四项：偏应力张量与应变率张量的内积、静水应力与体积变形率的乘积、牵引力虚功及接触摩擦虚功。其中，静水应力通过惩罚法处理不可压缩条件，摩擦项采用恒定摩擦定律τf=mk建模，摩擦因子m设为0.25以匹配实验与模拟力。
3.1 常规体积成形性测试
实验加载路径显示，圆柱形、锥形和法兰试样在主应变空间ε1=f(ε2)和有效应变-应力三轴度空间ε?=f(η)的路径差异显著。断裂起始点对应固体标记位置，表明不同试样几何导致应力状态从拉伸到剪切的连续变化。通过DIC转换的应变路径验证了数值模拟的准确性，为非单调加载研究提供基准。
3.2 非耦合韧性断裂准则
研究人员采用Sampaio等提出的双线性断裂准则，临界损伤Dcrit由两部分组成：第一部分为Cockcroft-Latham准则的标准化形式，积分核为σ1/σ?，反映Lode角参数ξ对Ⅲ型裂纹扩展的影响；第二部分为McClintock准则形式，积分核为?η-1/3?2，体现应力三轴度η对Ⅰ型空洞聚合的控制。积分下限ε?0取0，上限ε?f为断裂有效应变。参数C调节张力贡献，参数i定义不确定区域边界（i=-1和1分别对应上下限）。
讨论与结论：
本研究通过整合DIC实验与有限元模拟，成功建立了非单调加载下铝6061合金法兰试样的断裂预测框架。研究证实，恒定摩擦定律可有效描述模具-试样界面行为，而双线性断裂准则能准确捕捉不同应力状态下的断裂机理。该成果发表于《Journal of Manufacturing and Materials Processing》，为复杂加载路径下的金属成形工艺优化提供了理论支撑，对减少试模成本、提升构件可靠性具有重要工程价值。
