5083P-O和6008-T6铝合金的应变率效应对缓冲器缓冲特性的影响

为研究材料应变率效应对薄壁金属管塑性变形缓冲器缓冲特性的影响,通过对铝制缓冲器进行材料试验,获得不同应变率下5083P-O和6008-T6铝合金的材料本构关系,结合冲击物理试验与理论模型,验证缓冲器有限元模型的可靠性。基于该本构关系与冲击模型,研究不同材料应变率效应对缓冲器及其预处理结构缓冲特性的影响。研究结果表明:在不同冲击速度下,材料应变率效应对缓冲载荷历程无明显影响,但会使缓冲力整体出现缩放。随着冲击速度的提高,5083P-O铝合金表现出特殊应变率敏感性,导致缓冲器抵抗变形的能力先减弱后增强。6008-T6铝合金的应变率强化效应增强了缓冲器的抗冲击能力。经预处理的缓冲器吸能量减少,其理想吸能效率降低,5083P-O铝合金的材料应变率效应会减少缓冲器因预处理而产生的吸能量损失,而6008-T6铝合金的材料应变率效应会增加缓冲器的吸能量损失,因此,在对缓冲器进行结构优化设计时,需要考虑材料应变率效应的影响。     

SHPB实验及其在合金材料中的应用研究

钛、铝合金材料在航空航天等工程领域中得到了广泛应用,对其动态冲击力学性能的研究需借助分离式Hopkinson压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)实验完成。比较并分析了SHPB实验装置及其在该两种合金材料研究上的应用,研究了影响SHPB实验结果的因素,如弥散效应、均匀性问题、惯性效应及端面摩擦效应等。通过对钛合金、铝合金材料冲击动态力学性能及其本构模型进行研究发现:钛合金和铝合金材料的流动应力和屈服强度往往会随着应变率的升高而升高,随温度的升高而降低。对钛合金和铝合金材料的冲击动态力学性能进行了比较,Johnson-Cook本构模型可以合理描述两种材料的冲击动态力学行为。     

3004铝的动态力学性能及本构模型

为了得到3004铝的动态力学性能及本构模型,运用静态实验机和分离式Hopkinson压杆动态加载装置,在温度为10～400℃、应变率为0.000 5～2 000s-1范围内得到了3004铝在准静态拉伸及动态压缩条件下的应力-应变曲线,并基于Johnson-Cook材料模型对其进行拟合分析.结果表明:3004铝有明显的应变率强化效应和温度软化效应,其应力随应变率的增加而增加,随温度的升高而降低;拟合得到的3004铝动态本构关系曲线可以描述出材料在大应变率和高温下的力学性能.     

基于SPH方法的LY12-CZ铝合金平板鸟撞模型

为了得到更准确的飞机鸟撞分析模型,基于显式有限元分析程序PAM-CRASH建立了LY12-CZ铝合金平板的鸟撞数值模型.采用Johnson-Cook方程表述LY12-CZ材料的本构.LY12-CZ铝合金在4种不同应变率下的应力-应变曲线通过电子万能试验机和分离式霍普金森拉杆(SHTB)拉伸试验获得,对曲线进行拟合得到Johnson-Cook方程中的4个常数.基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法建立了鸟体模型,引入Monaghan EOS方程来描述鸟体材料.针对所建立的鸟撞数值计算模型,开展相对应的鸟撞试验,获得测试点的应变,并将数值计算结果和试验结果进行对比.结果表明:计算应变与试验测得的应变吻合较好,验证了鸟体、铝合金本构模型以及鸟体高速冲击计算分析模型的合理性、可靠性.     

高速加工中无氧铜的动态力学性能

通过对高速加工中无氧铜工件材料在温度为20~900℃,应变率为1.0×103~1.5×104s-1的条件下,进行霍普金森压杆试验,获得反映材料动态力学性能的真应力-真应变曲线.结果表明:无氧铜的力学性能表现出对应变率和温度的敏感性较强,其流动应力随着应变率的提高而显著增加,而且变形温度的升高使得流动应力明显下降;采用经验型Johnson-Cook本构模型预测无氧铜的动态力学性能的误差较大;在动态力学性能分析的基础上,采用修正的Johnson-Cook本构模型能够较好地预测试验结果,可用于高速加工中无氧铜的动态力学性能模拟分析.     

两栖飞机铝合金的中低应变率力学性能

为研究水陆两栖飞机用航空铝合金材料在中低应变率区间内的动态力学性能,在常温下针对飞机船底壁板结构用7475-T761和7055-T76511铝合金采用电子式万能材料试验机开展准静态及低应变率拉伸实验,采用高速液压伺服试验机开展中应变率动态拉伸实验,获得了0.005~500 s-1区间内的铝合金应力-应变曲线,拟合和验证了Johnson-Cook本构模型。结果表明：在应变率0.005~500 s-1区间内,7475-T761和7055-T76511铝合金均呈现出了显著的应变率强化效应;从准静态向中应变率增加,7475-T761铝合金的失效应变随着增大,而7055-T76511铝合金先降低后增加;7475-T761铝合金表现出了显著的应变硬化效应,而7055-T76511铝合金应变硬化效应相对较弱;两种铝合金的断口形貌均未表现出明显的颈缩现象;拟合得到的Johnson-Cook本构模型能够较好表征两种铝合金材料的动态力学性能,最大均方根误差为13.7 MPa。     

航空铝合金应变空间弹塑性本构模型

从应变空间表述的塑性增量本构模型一般形式出发,根据航空铝合金等线性强化材料特性建立应变空间弹塑性本构模型。应变空间本构模型所需参数通过应力空间中对应参数转化得到,材料的屈服准则、流动法则、内变量和塑性模量等准则及参量均以应变空间的形式建立,从而构建适合铝合金等线性强化材料的弹塑性增量模型。通过算例计算,证明该模型与应力空间增量本构模型等效。该模型所需计算变量为可在线获得的应变,使应力分析计算大为简化,可以方便地求解应力空间本构模型难以求解的强化材料变形问题。因此特别适合于航空铝合金厚板预拉伸等金属变形加工工艺的应力分析。     

钢材在不同应变率下力学性能的试验研究

通过INSTRON拉伸试验机和HTM5020型高速拉伸试验机开展Q235钢材的准静态和高速拉伸试验,研究钢材的动态力学性能.结果表明:Q235钢材为应变率敏感型材料,随着应变率的提高,钢材的屈服强度和极限强度明显提高,钢材的应变硬化特征发生显著变化,其名义屈服强度和名义抗拉强度的动力放大系数与应变率之间满足CowperSymonds模型.基于钢材颈缩前的真实应力应变关系,提出了修正的Johnson-Cook模型,该模型可更合理地描述Q235钢应变率效应与应变硬化效应耦合现象.     

超高强度钢30CrMnSiNi2A动态力学性能实验研究

运用SHPB实验研究超高强度钢30CrMnSiNi2A在应变率500~5 000 s-1时的应力应变关系,并对典型试样进行了金相观察.实验得到30CrMnSiNi2A钢的屈服强度随着应变率的增加从1 655 MPa增加到1 908 MPa.基于试样金相和断口分析,30CrMnSiNi2A钢在高应变率冲击加载条件下产生了韧窝型沿晶断裂,导致材料宏观上表现为剪切破坏.结合准静态实验数据,确定了30CrMnSiNi2A钢的Johnson-Cook本构模型的材料参数.     

45#钢热粘塑性本构参数的确定及应用

基于45#钢3种不同热处理状态的材料测试系统(MTS)和Hopkinson不同加载条件(应变率10-3~103/s)下的真应力-真应变曲线,利用最小二乘法拟合了Johnson-Cook本构关系中的待定参数,修正了应变率硬化指数,拟合的本构关系参数的计算值与实验数据比较,吻合很好.数值模拟结果与霍普金森压杆(SPHB)实验曲线的对比说明,修正的Johnson-Cook本构关系可以更真实地描述冲击载荷条件下45#钢的力学行为.在此基础上获得了本构关系参数与材料组织铁素体体积分数之间的定量关系,为高应变率载荷条件下使用的45#钢热处理工艺制定提供了科学依据.     

花键冷敲成形本构关系研究

花键冷敲成形归结于材料的动态塑性变形过程,为了研究该过程材料动态响应特性,对三种常用冲击载荷下材料本构模型进行理论解析,并根据花键冷敲成形工艺参数对JC本构模型进行修正改进;通过三种本构模型在不同应变率和温度条件下的应力情况,使用流动应力预测值和实验值之差来评估模型误差值。最终结合成形过程物理机制、工艺参数和误差对比,结果表明:在大范围应变率和温度条件下,各本构模型均有其在一定范围内的适用性和精度,但对于花键成形应变率和温度范围内,PTW模型的误差率最小,能够较好预测金属流动应力。     

高温高应变率下建筑不锈钢动态力学性能研究

利用带有加热和同步对杆装置的分离式霍普金森压杆(SHPB)系统测定建筑不锈钢S30408材料在不同温度和应变率下的动态力学性能,并在DNS100材料试验机上进行了准静态(0.001 s~(-1))压缩试验.试验结果表明:建筑不锈钢S30408材料具有明显的应变率强化效应和温度软化效应,在一定温度条件下温度成为影响材料性能的主要因素.利用Johnson-Cook模型对不锈钢S30408材料进行了动态本构的拟合,并基于试验曲线特点进行修正.修正后的Johnson-Cook模型能够较好地反映材料性能,该本构模型参数可以为建筑不锈钢S30408材料在高温高应变下的动力分析提供依据.     

热镀锌双相钢DP590力学特性及其本构模型

通过单轴拉伸试验及液压扩胀试验,分析了热镀锌双相钢DP590准静态条件下力学特性及大应变力学行为,同时利用高速电液伺服试验机及分离式Hopkinson拉杆试验机测试了该材料中高应变率下的动态力学特性.试验数据表明,DP590呈现微弱的各向异性,同时其动态等效应力应变曲线簇具有随应变增加而渐进收敛的特性.在此基础上提出了一个基于YLD2003各向异性屈服准则的混合流动硬化收敛型黏塑性本构模型,并提供了模型参数的识别方法.利用该本构模型对一薄壁管梁结构的轴向冲击试验过程进行了数值模拟,结果表明,采用新本构的仿真模型可以准确模拟试验结果,因而该本构更适用于工程精细仿真的需要.     

压缩载荷下6005A铝合金力学性能的研究

利用电子万能实验机和Hopkinson压杆实验装置对高速动车组使用的铝合金材料分别进行了准静态和不同应变率下的动态压缩实验,得到了相应的应力.应变曲线.实验结果表明,在不同应变率下,整个应力-应变曲线无明显的屈服现象,也无明显的屈服极限;该铝合金材料的屈服极限、瞬时流动应力均随着应变率的增大而增大,但在应变率较低时,两者增大的幅度并不显著,在应变率较高时,两者才随着应变率的增大而急剧增大;在动态加载条件下,该铝合金材料的变形表现出非线性特征.     

高强钢动态力学性能本构模型研究

为了研究高强钢材料在动态加载过程中的力学响应,采用分离式霍普金森压杆对材料进行了不同应变率（3000到 12000s-1）和不同温度（20℃到800℃）单轴压缩实验.实验结果表明：高强钢的动态力学行为受应变率和温度的强烈影响.流动应力随着应变率的升高而增加,随着温度的升高而降低.提出了一个经验型本构模型来描述材料的加工硬化和温度软化行为.该本构模型预测的应力——应变曲线与实验结构较好吻合,表明该本构模型可进一步用于高强钢动态变形过程的数值模拟研究.     

基于改进J-C模型的42CrMo钢动态本构关系研究

42CrMo钢作为高速列车车轴的主要原材料,在高速列车运营中承受复杂的载荷条件。其中除了正常的设计载荷之外,还将承受不同程度的冲击载荷作用。为研究车轴钢的动态力学性能及其应力-应变关系,对42CrMo钢进行准静态及动态压缩力学性能实验,得到42CrMo钢在10-3~5000区间内七个应变率下的应力-应变曲线,结果显示42CrMo钢在高应变率下无明显应变率相关性,存在热软化效应。热软化效应被认为是在高速冲击下,材料塑性变形产生的热量无法向外界快速扩散从而积累导致温度上升而造成。采用改进J-C模型,考虑绝热温升影响,对材料进行本构描述,结果显示改进J-C模型在描述及预测不同应变率下42CrMo钢的流动应力时表现很好。     

高强钢动态力学性能本构模型研究（英文）

为了研究高强钢材料在动态加载过程中的力学响应,采用分离式霍普金森压杆对材料进行了不同应变率(3000到12000s-1)和不同温度(20℃到800℃)单轴压缩实验.实验结果表明:高强钢的动态力学行为受应变率和温度的强烈影响.流动应力随着应变率的升高而增加,随着温度的升高而降低.提出了一个经验型本构模型来描述材料的加工硬化和温度软化行为.该本构模型预测的应力——应变曲线与实验结构较好吻合,表明该本构模型可进一步用于高强钢动态变形过程的数值模拟研究.     

多晶纯钛中应变率拉伸力学行为实验研究

利用MTS809和自行研制的中应变率材料试验机,在室温下对多晶纯钛进行了0.004~14 s-1的准静态至中应变率范围内的拉伸试验,得到了多晶纯钛的拉伸应力应变关系.试验结果表明,多晶纯钛的拉伸力学行为在准静态至中应变率范围内具有明显的应变率强化效应和应变硬化效应,且有随应变率增大而逐渐明显的绝热温升软化效应.金相观察显示,拉伸变形过程中伴随孪生机制且孪晶密度随加载应变率的升高而增大.基于Johnson-Cook模型,提出了通过引入综合绝热温升软化系数Ψ来计及与应变率相关的绝热温升软化效应的修正的热粘塑性本构模型.结果表明,该模型能较好地表征多晶纯钛在本试验应变率范围内的拉伸力学行为.     

Ti-6Al-4V合金的修正本构模型及其有限元仿真

为解决高温高压环境下Johnson-Cook(J-C)本构模型不再适用于Ti-6Al-4V合金切削有限元仿真的问题,建立了基于重结晶的修正J-C本构模型,它可以体现出高速切削Ti-6A1-4V合金时的应力回落现象.首先,利用霍普金森压杆试验测得了Ti-6A1-4V的应力-应变数据,利用变量分离法拟合出修正J-C本构模型,该模型可以反映材料发生相变时应力-应变曲线的变化趋势,并能很好地逼近压杆试验数据曲线.然后,以AdvantEdge FEM有限元软件为平台,采用回退映射应力积分算法编写子程序,将该修正本构模型和J-C本构模型导入有限元系统,并对这2种本构模型进行有限元仿真.仿真结果对比表明:在相同的切削条件下,当温度超过850℃时,修正本构模型体现出流动应力急剧下降的现象,下降幅度为46.7％,而J-C本构模型的流动应力下降平缓,仅下降了11％,说明修正本构模型更贴近高速切削Ti-6A1-4V合金时的高温与高冲击环境.     

考虑应变率效应的混凝土动力弹塑性损伤本构模型

通过对损伤能释放率阀值的Perzyna粘性规则化,将作者提出的混凝土静力弹塑性损伤本构模型进行了动力推广,并将二者统一为一类基于能量的弹塑性损伤本构模型.给出了建议模型的基本公式以及在不同应变率作用下混凝土材料的数值模拟结果.分析结果表明:建议模型能够很好地描述混凝土在不同应力状态下的各种典型非线性行为,包括动力作用下的应变率效应.