鄭榮和臺灣大學：機械工程學研究所葉宏揚Yeh, Hung-YangHung-YangYeh2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61367本研究在能量空間建立彈塑性損傷模型，根據不可逆連體熱力學框架建立材料組成律，採用微觀力學均質法估算機械性質的衰退歷程，採用Gurson塑性勢描述損傷材料的塑性行為。作者提出新的分析方法研究延性材料的破壞機制，由單軸拉伸狀態出發，在能量空間建立物理意義是極限塑性耗散的破壞判準，推廣到多軸應力狀態時，在主軸應力空間建立「損傷功」與「破壞能」以描述各種應力狀態的損傷演化與破壞起始。 本研究結合損傷模型與有限元素法建立成形極限預測法，以同樣的方法論預測板金成形、塊體成形與超塑性成形的成形極限，得到良好的結果，並且成功地將此方法應用於建立成形極限圖、成形程序評估與模具設計等。為了提升超塑性製程效率，作者結合損傷模型與超塑性失穩參數建立「定失穩度吹製法」，控制超塑性變形在特定的失穩程度以縮短成形時間並成功地完成吹製目標。This research develops an elastoplastic damage model on the energy domain. The constitutive equations are derived from the continuum Thermodynamics of irreversible processes and theory of internal variables. The residual mechanical properties are evaluated by the homogenization method of micromechanics. The plastic deformation of damaged materials is described by Gurson’s plastic potential. A new analysis methodology for the fracture mechanism of ductile materials, based on the plastic energy dissipation, is proposed in this thesis. The fracture criterion starts from uniaxial tension and says that crack will initiate when plastic dissipation reaches a critical value. Generalized to a general stresses state, the new concepts of the damaging work and the fracture energy are proposed for the quantitative description of damage evolution and crack initiation. Combing the proposed damage model and finite element method, we develop a methodology for fracture prediction of metal forming processes, by which the forming limits of sheet forming, bulk forming and superplastic blow forming can be predicted by the universally applicable approach. Furthermore, the methodology is successfully applied to the development of forming limit diagram, the evaluation of forming processes, and mold design. In order to improve the efficiency of superplastic forming processes, we develop a new forming pressure design guideline, constant instability degree control method, based on the manipulation of superplastic instability. The forming time can be reduced significantly by controlling the deformation at a certain degree of instability.誌謝 i 摘要 ii Abstract iii 目錄 iv 圖目錄 viii 表目錄 x 符號說明 xi 第一章　緒論 1 1.1 前言 1 1.2 損傷與破壞 1 1.3 研究動機 3 1.4 研究目的與方法 4 1.5 論文結構 5 第二章　理論背景與文獻回顧 10 2.1 不可逆連體熱力學 10 2.1.1 熱力學狀態變量 10 2.1.2 第一定律－能量守恆定律 11 2.1.3 第二定律－Clausius-Duhem不等式 12 2.1.4 自由能、耗散與材料組成律 12 2.1.5 最小自由能定理 14 2.1.6 討論 15 2.2 損傷力學起源與發展 16 2.3 彈塑性損傷模型 17 2.3.1 連體損傷理論 17 2.3.1.1 Lemaitre彈塑性損傷理論 17 2.3.1.2 Rousselier損傷理論 19 2.3.2 介觀損傷模型 21 2.3.2.1 微孔洞成長模型 22 2.3.2.2 Gurson塑性函數 23 2.3.3 討論 24 2.4 應變能破壞判準 25 2.5 結論 29 第三章　損傷模型 31 3.1 損傷模型架構 31 3.1.1 基本假設 31 3.1.2 建構程序 32 3.2 損傷模型 33 3.2.1 材料組成律 33 3.2.1.1 自由能 34 3.2.1.2 殘餘彈性勁度 34 3.2.1.3 耗散勢 35 3.2.1.4 微孔洞演化律 36 3.2.2 損傷機制 37 3.2.2.1 單軸拉伸試驗 39 3.2.2.2 多軸應力狀態 40 3.2.2.3 破壞軌跡 41 3.3 與Lemaitre損傷模型之比較 42 3.3.1 殘餘（等效）彈性常數 42 3.3.2 塑性降伏面 43 3.3.3 損傷演化方程與破壞準則 43 3.4 結論 44 第四章　殘餘勁度預測與損傷評估 47 4.1 殘餘彈性勁度 47 4.1.1 單軸拉伸試驗 48 4.1.2 有限元素模擬 48 4.1.3 結果與討論 49 4.2 非破壞式損傷評估技術 50 4.2.1 損傷評估原理 50 4.2.2 超音波速測量 51 4.2.3 結果與討論 52 4.3 結論 52 第五章　金屬成形極限預測 57 5.1 損傷模型之驗證 57 5.1.1 圓筒深抽試驗 58 5.1.2 有限元素模擬 59 5.1.3 結果與討論 60 5.2 薄板成形破壞預測 61 5.2.1 成形極限圖 61 5.2.2 成形極限預測法 62 5.2.3 薄板成形極限預測 63 5.3 粉末鍛造破壞預測 64 5.3.1 以損傷模型觀點分析鍛造破壞機制 64 5.3.1.1 損傷變量 64 5.3.1.2 破壞起始位置預測與破壞能計算 66 5.3.2 齒輪鍛造破壞預測 67 5.3.3 討論 68 5.4 應力三軸度 69 5.5 結論 71 第六章　善用超塑性失穩抗性 83 6.1 超塑性成形極限預測 84 6.1.1 圓錐定壓吹製實驗 85 6.1.2 以損傷模型觀點分析超塑性吹製成形極限 85 6.1.2.1 損傷變量與破壞能 85 6.1.2.2 有限元素模擬 86 6.1.3 結果與討論 88 6.2 超塑性失穩之相關研究 88 6.2.1 Hart穩定判準 89 6.2.2 Duncombe穩定判準 90 6.2.3 後均勻變形分析 90 6.2.4 討論 91 6.3 吹製壓力設計準則 92 6.3.1 超塑性失穩分析 92 6.3.1.1 失穩參數 92 6.3.1.2 後均勻變形 93 6.3.2 定失穩度吹製法 94 6.3.2.1 方法論 94 6.3.2.2 最短成形時間之壓力路徑 95 6.3.2.3 與其他成形路徑比較 97 6.4 結論 99 第七章　結論與未來研究方向 107 7.1 結論 107 7.2 未來研究方向 109 參考文獻 110 附錄Ａ　ABAQUS副程式 123 A-1 損傷模型 123 A-2 定失穩度吹製法 126 附錄Ｂ　作者簡歷 131 附錄C　作者著作目錄 1321368429 bytesapplication/pdfen-US彈塑性損傷模型損傷功破壞能有限元素法金屬成形極限預測成形極限圖定失穩度吹製法elastoplastic damage modeldamaging workfracture energyfinite element methodforming limit prediction of metal forming processesforming limit diagramconstant instability degree control methodthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/61367/1/ntu-94-F87522504-1.pdf