264 工程科学学报，第43卷，第2期 compression-shear deformations under three typical loading angles of 20,30,and 45 were performed on the ABAQUS/Explicit platform.The predicted stress triaxiality in the local deformation region of the three cases was less than zero,and the lowest was up to 0.485,which verifies that the fracture failure analysis of negative stress triaxiality range could be realized with the designed device.In addition,the fracture onset information and damage evolution were analyzed based on the modified Mohr-Coulomb (MMC)fracture criterion.Furthermore,the fracture strain at the fracture point decreased with the decrease in stress triaxiality when the stress triaxiality was less than-1/3. KEY WORDS TRIP800;in-plane compression-shear;stress triaxiality:stress state;damage evolution 汽车交通行业近年来对降低能耗和提高安全 带来的面内翻转和扭曲趋势，且试样夹持工装受 性能的需求日益增强，汽车轻量化成为研究热点， 力不均匀.Brunig等提出了采用双轴拉压机对 其中高强钢作为轻量化材料得到广泛关注.TRIP钢 新优化的十字形试样进行实验.在实验过程中，试 作为高强钢兼具较高的强度和韧性，可以在不影 件需要同时承受在垂直和水平方向上的加载变形 响使用性能的前提下减轻构件壁厚，适用于复杂 通过调节垂直和水平方向上载荷比值实现具有不 构件的轻量化制造-习然而，在成形复杂构件时， 同应力三轴度的各种组合剪切压缩变形状态 高强钢板料在变形过程中会承受复杂的应力状态， Gerke等在同一双轴拉压设备进行新型试样的 且它比普通用钢更易发生断裂)金属板料在承 拉压实验.然而，双轴拉压实验需要在能双向加载 受面内拉伸或者剪切变形时易发生断裂，目前已 的试验机上进行，因此对实验设备的要求较严苛 有较多的研究针对此正应力三轴度区间的断裂行 徐芹所等20提出了一种设计切槽角结构来控制试 为进行深入分析61.并且大多数的断裂准则也只 样变形区在成形过程中处于正、负应力三轴度状 限于这一区间准确的断裂预测9山.金属薄板在承 态的金属板料双向压缩剪切试验方法，但是其实 受面内压剪载荷时易出现起皱和弯曲失稳等问 验方案针对的是厚板试样，且需要加工不同切槽 题，诱发断裂失效存在一定的难度，因此对于此 角度的试样来实现不同应力状态的断裂分析 负应力三轴度区间的断裂失效分析仍研究较少. 本研究以高强钢TIRP800薄板为研究对象，基 目前对于金属压缩应力状态的断裂失效研究 于单向液压机平台，设计了一种新型的诱发金属 多数仍采用块体状试样为主.Lou等设计了不 薄板在不同面内压缩和剪切复合应力状态发生断 同长宽比的矩形块压缩试样来进行压缩实验，包 裂失效的试验装置.建立三种加载角度的压剪过 含了平面应变压缩试样和单向压缩试样，实验结 程的有限元模型，分析了局部变形区域的应力三 果表明，发生韧性断裂的应力三轴度的截止值小 轴度状态，验证了设计的实验方案的可行性.同 于-13.Kubik等4设计了具有球形凹口的圆柱形 时，基于MMC断裂准则分析了薄板在负应力三轴 试样进行压缩实验，实验结果表明在压缩过程中 度区间的损伤演变规律 裂纹萌生轨迹上可达到低于-1/3的平均应力三轴 度.板材压缩的失稳为实验探索造成了困难，对于 1金属板料的应力状态表征 金属板材来说，受到面内方向的压缩或剪切载荷 金属的韧性断裂一般是指金属材料经过剧烈 时，板材在没有任何辅助装置或特殊设计的情况 塑性变形后，损伤不断累积到达一定程度后发生 下压缩，极易发生板材的面外翘曲或起皱失稳等 的宏观断裂（裂纹尺寸约0.1mm以上）.它不仅和 缺陷，尤其是对于薄板而言，这种趋势更加明显吲 材料自身的属性相关，而且受变形过程的应力状 黄光胜等设计了一种薄板材料压缩辅助工具及 态的影响.研究表明，应力状态不同，对应的材料 使用方法，试样放置于两夹板之间，夹板间设有用 断裂失效的机理也不相同1-四本文采用应力三 于挤压测试样品的压头，通过压头挤压测试样品 轴度表征材料的应力状态 完成实验.辅助工具的设计方案避免了传统板材 应力三轴度的定义如下： 压缩试验弯曲失稳，但这种方案制作方式十分复 m (1) 杂，板材的变形过程也无法观察到.Mohr和Henn!7 炉行 设计了一种单剪切面的压剪试验装置及试样，通 式中，gm为静水压力，d为von Mises等效应力. 过设计凹凸型试样和加载方向来获得主要变形区 单向拉伸、纯剪切和单向压缩三种典型应力 的压剪应力状态，但其成形过程中存在着侧向力 状态的应力三轴度分别为1/3,0和-1/3.当应力三compression –shear  deformations  under  three  typical  loading  angles  of  20°,  30°,  and  45°  were  performed  on  the  ABAQUS/Explicit platform. The predicted stress triaxiality in the local deformation region of the three cases was less than zero, and the lowest was up to −0.485, which verifies that the fracture failure analysis of negative stress triaxiality range could be realized with the designed device. In addition, the fracture onset information and damage evolution were analyzed based on the modified Mohr –Coulomb (MMC) fracture criterion. Furthermore, the fracture strain at the fracture point decreased with the decrease in stress triaxiality when the stress triaxiality was less than −1/3. KEY WORDS    TRIP800；in-plane compression–shear；stress triaxiality；stress state；damage evolution 汽车交通行业近年来对降低能耗和提高安全 性能的需求日益增强，汽车轻量化成为研究热点， 其中高强钢作为轻量化材料得到广泛关注. TRIP 钢 作为高强钢兼具较高的强度和韧性，可以在不影 响使用性能的前提下减轻构件壁厚，适用于复杂 构件的轻量化制造[1−2] . 然而，在成形复杂构件时， 高强钢板料在变形过程中会承受复杂的应力状态， 且它比普通用钢更易发生断裂[3−5] . 金属板料在承 受面内拉伸或者剪切变形时易发生断裂，目前已 有较多的研究针对此正应力三轴度区间的断裂行 为进行深入分析[6−8] ，并且大多数的断裂准则也只 限于这一区间准确的断裂预测[9−11] . 金属薄板在承 受面内压剪载荷时易出现起皱和弯曲失稳等问 题，诱发断裂失效存在一定的难度[12] ，因此对于此 负应力三轴度区间的断裂失效分析仍研究较少. 目前对于金属压缩应力状态的断裂失效研究 多数仍采用块体状试样为主. Lou 等[13] 设计了不 同长宽比的矩形块压缩试样来进行压缩实验，包 含了平面应变压缩试样和单向压缩试样，实验结 果表明，发生韧性断裂的应力三轴度的截止值小 于−1/3. Kubík 等[14] 设计了具有球形凹口的圆柱形 试样进行压缩实验，实验结果表明在压缩过程中 裂纹萌生轨迹上可达到低于−1/3 的平均应力三轴 度. 板材压缩的失稳为实验探索造成了困难，对于 金属板材来说，受到面内方向的压缩或剪切载荷 时，板材在没有任何辅助装置或特殊设计的情况 下压缩，极易发生板材的面外翘曲或起皱失稳等 缺陷，尤其是对于薄板而言，这种趋势更加明显[15] . 黄光胜等[16] 设计了一种薄板材料压缩辅助工具及 使用方法，试样放置于两夹板之间，夹板间设有用 于挤压测试样品的压头，通过压头挤压测试样品 完成实验. 辅助工具的设计方案避免了传统板材 压缩试验弯曲失稳，但这种方案制作方式十分复 杂，板材的变形过程也无法观察到. Mohr 和 Henn[17] 设计了一种单剪切面的压剪试验装置及试样，通 过设计凹凸型试样和加载方向来获得主要变形区 的压剪应力状态，但其成形过程中存在着侧向力 带来的面内翻转和扭曲趋势，且试样夹持工装受 力不均匀. Brünig 等[18] 提出了采用双轴拉压机对 新优化的十字形试样进行实验. 在实验过程中，试 件需要同时承受在垂直和水平方向上的加载变形. 通过调节垂直和水平方向上载荷比值实现具有不 同应力三轴度的各种组合剪切压缩变形状态. Gerke 等[19] 在同一双轴拉压设备进行新型试样的 拉压实验. 然而，双轴拉压实验需要在能双向加载 的试验机上进行，因此对实验设备的要求较严苛. 徐芹所等[20] 提出了一种设计切槽角结构来控制试 样变形区在成形过程中处于正、负应力三轴度状 态的金属板料双向压缩剪切试验方法，但是其实 验方案针对的是厚板试样，且需要加工不同切槽 角度的试样来实现不同应力状态的断裂分析. 本研究以高强钢 TIRP800 薄板为研究对象，基 于单向液压机平台，设计了一种新型的诱发金属 薄板在不同面内压缩和剪切复合应力状态发生断 裂失效的试验装置. 建立三种加载角度的压剪过 程的有限元模型，分析了局部变形区域的应力三 轴度状态，验证了设计的实验方案的可行性. 同 时，基于 MMC 断裂准则分析了薄板在负应力三轴 度区间的损伤演变规律. 1    金属板料的应力状态表征 金属的韧性断裂一般是指金属材料经过剧烈 塑性变形后，损伤不断累积到达一定程度后发生 的宏观断裂（裂纹尺寸约 0.1 mm 以上）. 它不仅和 材料自身的属性相关，而且受变形过程的应力状 态的影响. 研究表明，应力状态不同，对应的材料 断裂失效的机理也不相同[21−22] . 本文采用应力三 轴度表征材料的应力状态. 应力三轴度的定义如下： η= σm σ¯ （1） 式中，σm为静水压力，σ¯ 为 von Mises 等效应力. 单向拉伸、纯剪切和单向压缩三种典型应力 状态的应力三轴度分别为 1/3，0 和−1/3. 当应力三 · 264 · 工程科学学报，第 43 卷，第 2 期