高端设备制造业对材料性能要求的不断提高，使得轻量化设计和高性能成为机械与材料科学的核心发展趋势[[1], [2], [3]]。金属层压板作为一种新型复合材料，在减轻结构重量和优化性能方面具有巨大潜力[4,5]。然而，其多层异质结构导致的塑性成形机制远比单层金属片复杂得多[6,7]。起皱不稳定性是金属板材成形中常见且极具破坏性的失效模式[8,9]，这可能导致部件表面质量和尺寸精度出现问题，甚至导致部件失效[10,11]。与整体金属相比，金属层压板中各层之间的性能差异、层间应力状态和界面行为进一步复杂化了起皱机制，增加了对其预测的难度[12,13]。因此，彻底阐明起皱不稳定性背后的机制，建立可靠的抗皱性能评估框架以指导成形前的材料选择，以及开发高效准确的数值模拟方法以精确预测起皱行为，对于推进金属层压板的工程应用至关重要。为应对这一技术挑战，学术界和工业界合作建立了多维研究体系来研究金属板材中的起皱缺陷：
在理论建模层面，自Hill在1952年建立经典的分岔理论框架以来[14]，基于静态平衡[15,16]和能量守恒原理[17]的屈曲预测理论不断演变，相继发展出了初始缺陷方法[18,19]和势函数分析模型[20]等创新方法。
在抗皱性能的实验评估层面，有多种标准化方法可用于评估金属板材的抗皱性能，包括平面压缩试验[21,22]、纯剪切试验[[23], [24], [25]]以及Yoshida屈曲试验（YBT）[[26], [27], [28]]及其改进版本[[29], [30], [31], [32], [33]]。其中，YBT因其能够有效模拟非均匀拉伸载荷下的压缩应力引起的起皱以及其简单的实验设置而得到广泛应用[34]。然而，现有研究主要集中在扩展板材材料的起皱应变范围[35]，而忽视了起皱与断裂行为之间相互作用的内在机制。特别是，高屈服比的材料在YBT过程中容易发生过早断裂[36,37]，这一问题在异质复合层压板中更为明显，因为它们的断裂行为更为复杂[38,39]。这常常导致YBT实验失败。因此，明确YBT条件下金属层压板中起皱与断裂之间的竞争关系是确保试验有效性和建立抗皱性能评估协议的前提。
在金属板材起皱的数值模拟方面，ABAQUS和ANSYS等商业有限元（FE）平台被广泛用作主流工具。然而，理想的数值模型缺乏固有的平面外位移，且在单轴拉伸下不会自发屈曲。这些平台通常依赖于引入显式的初始缺陷来触发板材的不稳定性。现有研究中报道了多种引入缺陷的方法，主要包括：利用特征值屈曲分析得到的低阶模式[40]或预定义的几何偏差作为几何缺陷[[41], [42], [43], [44], [45], [46]]；通过局部元素的随机扰动或板材整体的材料异质性引入材料缺陷[47,48]；以及通过自适应网格划分和随机厚度定义或工具约束结合边界-几何缺陷[46,49,50]。这些方法已成功应用于金属板材（如SUS304、高强度钢和金属层压板）和复合系统（如基材/柔性层）的起皱行为模拟。例如，Sabri和Meguid[41]利用ANSYS通过引入线性屈曲模式来再现金属和非金属层压板在剪切变形下的起皱行为。同样，Nikravesh等人[47]通过随机选择和扰动基材中特定网格元素的材料属性，实现了对柔性基材上薄膜屈曲不稳定性的直接数值模拟。尽管上述基于缺陷的方法已被证明有效，但它们仍存在局限性。首先，初始缺陷参数（如类型、形状和幅度）的选择高度主观且不确定，缺乏统一的物理基础或定量标准，这直接影响了模拟结果的可靠性和通用性。其次，在复杂材料系统中建模缺陷通常需要大量的二次开发工作，导致计算成本较高。因此，消除对人工引入初始缺陷的依赖并开发具有精确物理机制的起皱模型已成为该领域的关键挑战。近年来，一些研究人员探索了无缺陷起皱预测方法，包括基于本构修正的隐式模型、基于探测的分岔分析和数字孪生驱动的实时预测。例如，通过改变变形梯度[51]或应变张量的谱分解[52]的本构修正方法消除了压缩刚度，使得压缩应力在非线性求解过程中通过平面外变形自然释放，从而在没有初始几何缺陷的情况下引发起皱。Shen等人[53]将外部脚本与ABAQUS求解器结合，利用探测力作为瞬态扰动来引导数值解向次级分岔路径发展，从而准确捕捉结构中的多种不稳定模式，如对称性破缺。Yi等人[54]开发了一种机器学习替代模型，将拉珠参数直接映射到起皱概率，实现了过程现场的实时预测。然而，这些新兴方法仍面临重大挑战：基于数值解的方法（如本构修正和探测技术）对关键参数（如残余压缩刚度或探测力大小）非常敏感，容易导致收敛困难或引入非物理效应；数据驱动的方法则依赖于庞大的训练数据集，导致计算成本显著增加。总之，建立一个不依赖于初始缺陷的起皱模拟框架，同时克服现有无缺陷模型的计算稳定性和成本缺陷——实现高精度和高效性——仍然是一个紧迫的共同挑战。
鉴于此，本研究聚焦于金属层压板，结合理论分析、实验研究和数值模拟，建立了评估其抗皱性能的协议以及无需初始缺陷的起皱模拟技术。本文的其余部分组织如下：第2节开发了适用于常规和穿孔金属层压板的YBT耦合起皱-断裂理论模型，揭示了起皱与断裂之间的竞争机制；第3节基于该理论模型，提出了以“临界起皱孔径”为核心指标的抗皱性能评估协议及逆向求解算法；第4节详细介绍了YBT实验设置、材料参数采集和采用三种不同策略的有限元建模方案；第5节系统比较了理论预测、实验结果和数值模拟，验证了评估协议的有效性，并进一步探讨了孔径对起皱形态的调控机制和无缺陷模拟的物理机制；最后，第6节总结了研究的主要结论和工程意义。
