材料应变率效应对2类吸能结构碰撞性能的影响

轨道车辆吸能结构变形时伴随着明显的应变率效应,为了研究材料应变率效应对碰撞仿真结果的影响,以应变率敏感材料Q235为研究对象,首先,通过实验数据对比和理论解对比2种方法,证明考虑应变率效应的Q235材料模型的可靠性;然后,研究材料应变率效应对挤压式和压溃式圆锥管吸能结构碰撞载荷与吸能、变形模式等耐撞性能的影响;在此基础上,提出2种受材料应变率效应的影响不明显、变形有序可控的诱导式吸能结构。研究结果表明:对于不同结构,材料应变率效应影响因子不同,考虑材料应变率强化效应的挤压式吸能结构碰撞力放大因子比压溃式圆锥管结构的大;对于不同结构,材料应变率效应影响因子随速度变化的幅度不同,挤压式吸能结构的应变率效应放大因子随速度变化幅度比压溃式的小;材料应变率效应对第二类吸能结构的变形模式影响显著,应变率强化效应减少了应变率较大的变形,增加或促进了应变率较小的变形;诱导式吸能结构的变形模式受材料应变率效应的影响不明显,变形有序可控,在工程设计中可考虑采用诱导结构,以减少材料应变率效应对结构变形模式的影响。     

铝型材防撞梁的碰撞断裂失效表征

作为汽车轻量化的重要材料,铝合金的脆性断裂问题不可忽视。该文以某汽车铝型材防撞梁为研究对象,开展了铝合金静态和动态拉伸、静态剪切、静态缺口、静态拉剪以及穿孔等力学性能试验,获取了铝合金材料在不同应变率下拉伸应力状态的力学特性,以及准静态拉压剪等不同应力状态下的力学属性数据,使用Swift-Hockett-Sherby本构描述铝合金材料应变硬化特性,基于LS-DYNA有限元法模拟对标拉压剪等不同应力状态试验,获得不同应力状态试验的失效单元的应力三轴度和Lode角信息,标定了铝合金材料的修正的Mohr-Coulomb(MMC)断裂准则。通过铝型材动态三点弯结构试验和模拟,验证了MMC断裂模型对于表征铝合金材料在不同应力状态下断裂失效的有效性。     

2A97铝锂合金的Johnson-Cook本构模型及失效参数

在爆炸及高速碰撞的有限元模拟中,往往涉及到材料的大变形、断裂过程.文中选取2A97铝锂合金材料,针对Johnson-Cook(J-C)失效模型,对获取相应失效参数的方法进行了研究;设计了不同缺口尺寸的试样,结合有限元模拟对缺口试样的应变分布和应力三轴度进行了研究,发现缺口试样的最大应变集中于缺口表面处,得到了缺口表面处应力三轴度在加载过程中的变化情况.基于此结果,文中还制作了细散斑,并通过二维数字图像相关(DIC)测量方法得到了常温至573 K下准静态及动态加载试样的失效应变,从而准确地将修正应力三轴度、应变率和温度与失效应变对应起来,获取了更为准确的J-C失效模型参数;通过对铝锂合金断口使用SEM扫描电镜进行微观观察,探究了应力三轴度影响铝锂合金失效应变的微观机理,发现材料在变形过程中产生的微孔洞随应力三轴度的增大而不再大量聚集形成韧窝.     

纯铜中心孔板拉伸断裂的实验研究

为了测试材料在应力三轴度接近1/3时的断裂应变,对9种不同厚度不同孔径的T2纯铜中心孔板试样,在MTS试验机上进行系列拉伸试验。结合数值模拟和显微观测,确定孔板试样的裂纹萌生位置及其应力三轴度数值及断裂应变。在此基础上,参照比较光滑试样拉伸试验,进一步探讨了对材料应力三轴状态与断裂应变的关系。研究发现:1材料断裂应变随应力三轴度减少而减少,似不服从以往基于孔洞模型研究总结出来的韧性材料断裂规律;2孔表面实际变形很不均匀,按连续介质力学方法估计的孔边断裂应变要明显低于其实际值。     

基于韧性断裂准则的AZ31B镁合金板材成形极限预测

结合损伤起始判据和损伤演化准则,建立了完整的韧性断裂准则,基于ABAQUS中韧性损伤材料模型对AZ31B镁合金板材成形极限进行了预测。通过拟合单向拉伸应力应变曲线得到材料本构模型及损伤演化参数,建立了板材的Nakazima半球形凸模胀形有限元仿真模型,再基于韧性断裂准则预测了AZ31B镁合金板材室温下的成形极限,并分析了不同板材断裂失效判据对成形极限的影响。研究结果表明,基于所建立的韧性断裂准则,并以损伤演化过程中应变路径转变作为断裂失效判据,可以较准确地预测镁合金板材成形极限,得到的成形极限图与实验结果吻合较好。     

ABAQUS有限元程序中Jonson-Cook断裂准则与原始模型的差异及对比分析

Johnson-Cook断裂准则包含了应力三轴度、应变率和温度对材料延性的影响,广泛应用于金属材料在高应变率下断裂行为的预测,如爆炸冲击和切削。但是ABAQUS中Johnson-Cook断裂准则(J-C-A)的表达式与原始Johnson-Cook断裂准则(J-C)有差别,在ABAQUS中输入按J-C准则标定的模型参数时便会得到错误的材料断裂性能。不幸的是,部分研究者没注意到这个差别。将J-C断裂准则与J-C-A断裂准则进行了对比,并以Weldox 460 E钢的失效应变为例,展示了J-C的预报效果以及采用J-C模型参数的J-C-A准则的预报效果。最后,以公开文献中的一篇错误应用报道为例,详细说明了错误输入模型参数的预报效果。     

应力状态在2024-T351 Taylor杆断裂行为数值预报中的作用

近期研究表明,部分金属材料的延性断裂与应力三轴度及Lode参数同时相关.将近期文献中提出的包含Lode参数影响的断裂准则（MMC）写入有限元程序ABAQUS,用于2024-T351 Taylor杆断裂行为的数值预报.为揭示应力状态的影响,同时还采用仅考虑应力三轴度影响的两个断裂准则（JC和BW）进行有限元计算.将计算结果与试验进行了对比.对比表明,仅用轴对称圆棒试样单向拉伸试验数据标定的JC准则过高估计了材料在其他应力状态下的延性,低估了Taylor杆的断裂行为;BW准则预报了弹体头部中心断裂而与试验不符;MMC断裂准则可预报出合理的裂纹形式.     

材料线弹性断裂力学的断裂准则研究进展

 断裂准则在预测含裂纹材料发生破坏的时间、位置和裂纹扩展路径等方面具有重要意义。重点总结了线弹性材料中裂纹的断裂准则，阐述了应力强度因子准则、最大能量释放率准则、最大拉应力准则、最大拉应变准则、最小应变能密度准则等常用的断裂准则理论及其现状，以及这些准则的优点和局限性；基于常用断裂准则对应力分量和临界半径考虑不足，归纳了国内外学者提出的修正断裂准则，包括考虑T应力（非奇异项）和可变临界半径rc的影响。分析了断裂准则在岩石和混凝土脆性材料中的应用，针对基于断裂准则预测其破坏行为时存在的难题，建议将裂纹尖端应力场的高阶项T应力引入断裂准则，能更准确地预测裂纹的扩展路径与偏转角。     

一个基于孔洞演化机制的韧性断裂预测模型

在韧性断裂中微观孔洞演化机制的基础上,提出了一个基于孔洞演化机制的非耦合型韧性断裂预测模型.模型充分考虑了两种典型的孔洞演化机制:孔洞的长大机制和孔洞的拉长扭转机制.该模型引入了三个具有不同物理意义的材料参数:材料对不同孔洞演化机制的敏感度、应力状态敏感度系数和材料的损伤阈值,并使用等效塑性应变增量表征其对韧性损伤累积过程的驱动作用.为了使模型可以更好地反映三维应力状态对材料韧性断裂性能的影响,将该模型从主应力空间转换到由应力三轴度、罗德参数和临界断裂应变构成的三维空间,得到了由模型确定的三维韧性断裂曲面,并研究了相关参数对三维韧性断裂曲面及平面应力二维韧性断裂曲线的影响.利用5083-O铝合金、TRIP690钢和Docol 600DL双相钢三个典型的轻质高强板材的韧性断裂数据验证了该模型对不同材料和不同应力状态的适用性和准确性.     

Q235软钢在修正应力下断裂应变新模型

为准确确定Q235-B级钢在三轴应力下的断裂应变,进行五组共计10个具有不同凹陷半径试件的拉伸试验.在试验的基础上,对试件建立有限元分析模型,并进行详细的弹塑性大变形分析,给出试件中三轴应力的变化,并导出与三轴应力相关的真实塑性应变.得到Q235-B级钢的两个与真实断裂应变相关的塑性失效准则.     

薄面板复合材料蜂窝夹层结构冲击穿透试验与失效机理

为研究薄面板复合材料蜂窝夹层结构冲击穿透损伤的失效机理,对具有3层平面编织复合材料面板的蜂窝夹层板试验件进行了多种能量的冲击试验.并在考虑了面板材料的渐进失效以及面内剪切非线性应力应变关系基础上,运用LS-DYNA有限元分析软件建立了夹层板的数值模型,用以分析失效过程.结果 表明,数值模拟结果与试验结果一致.上面板穿透或整体贯穿时面板均呈花瓣状裂开,前者蜂窝以压溃损伤为主,后者则额外产生蜂窝芯体与下面板间的界面脱粘以及蜂窝壁的断裂损伤.无面板穿透时,冲击接触力将保持纤维断裂损伤阈值力大小直至冲头回弹;面板穿透则使冲击区域刚度下降,接触力随之下降,其中板整体贯穿时接触力会出现两个峰值.薄面板复合材料蜂窝夹层结构冲击穿透过程中的主要能量耗散在复合材料面板的纤维拉伸断裂,蜂窝的压溃和断裂过程也消耗部分能量.     

稀加筋圆柱壳受轴压的弹塑性稳定性分析

受轴压的圆柱壳是航空部门广泛应用的一个重要的工程结构。国内外许多研究工作表明,轴压下的壳体只在h/R很小时才在弹性范围内失稳。随着h/R的增加,壳体可能进入塑性失稳,应力应变关系不再符合弹性的虎克定律。本文根据湘利的全面加载的失稳准则,用塑性形变理论的汉盖-那达依理论,对各向同性硬化的可压缩性材料,导出了轴压下圆柱壳在初始屈曲时,应力增量dσij和应变增量dεij,之间的关系;i,j-1,2,3.其中,[aij]是增量柔度阵,各柔度系数为: 应用能量法求解了稀加筋的轴压柱壳失稳的临界载荷。在计算壳体和纵筋的膜应变能和弯曲应变能时,引入…     

TC6钛合金力学行为及其失效研究

采用高温、高应变率耦合分离式Hopkinson Bar系统和100 KN微机控制电子万能试验机系统,对等轴晶粒组织的TC6钛合金圆柱形及帽形试样进行了力学试验,研究了其力学行为及其失效机理.结果表明:等轴晶粒组织TC6钛合金在准静态下变形时呈现应变强化效应,而在高应变速率下变形时,热软化与应变强化共存,流变应力呈现振荡,且表现出较强的应变率效应;TC6钛合金的动态变形表现为局域化变形,且在局域化变形区域出现裂纹,裂纹在此区域扩展贯穿整个试样,最终导致失效,而准静态下材料的变形表现为均匀化变形,当应变达到0.4时,材料沿最大剪切应力方向断裂失效.     

603钢动态剪切性能及失效分析研究

采用基于霍普金森杆的新型加载技术对603钢的动态剪切性能进行了测试研究,并分析了其失效的微观机理.在超过10⁴ s^-1的应变率下获得了材料的剪应力-剪应变曲线,并结合实验观测确定了材料的失效参数.结果显示,材料的流动应力存在明显的应变率强化效应;而且随着应变率的升高,失效应力略有上升,而失效应变逐渐降低.ABAQUS/Explicit有限元分析软件所得剪应力-剪应变曲线与实验结果吻合较好.通过断口分析可知,材料的失效总体表现为韧性断裂,同时受到绝热剪切作用的影响;在高应变率下,材料的绝热剪切现象更加明显.     

基于应变路径和分布效应的应力三轴度确定方法

对于延性损伤破坏材料,为了确定缺口试件在拉伸试验中的应力三轴度,建立应力三轴度相关的材料失效破坏函数关系,基于缺口试件在整个拉伸过程中的应变路径和应力三轴度在最小横截面上的分布效应,结合数值模拟,对现有的缺口试件应力三轴度确定方法进行了比较研究,给出了缺口试件更为合理的应力三轴度确定方法。     

基于细观损伤模型预测金属成形过程中的韧性断裂形式

在优选模型参数和简化孔洞形核规律的基础上,采用Gurson-Tvergaard(GT)多孔材料本构模型分析金属韧性断裂过程中的宏观应力与应变响应行为;根据金属成形工艺特点,充分考虑拉伸型和剪切型2种不同韧性断裂机制,提出一个统一的韧性断裂准则形式,并通过实验结果验证其有效性和普适性,进而采用单向拉伸实验确定的材料常数合理地预测了正挤压过程中的韧性断裂现象.     

开孔碳纤维复合材料层合板的拉伸失效有限元分析

基于ABAQUS有限元软件中的二维壳单元和三维实体单元,对铺层角度为［0°/(±45°)₃/(90°)₃］_s的开孔T300/1034-C碳纤维复合材料层合板在拉伸载荷作用下的失效过程进行研究.首先,在ABAQUS有限元软件中建立壳单元和连续壳单元碳纤维复合材料模型,利用自带的2D Hashin准则与退化模型模拟了层内失效.但二维模型没有考虑各层失效间的相互影响,进而通过编写材料子程序VUMAT,引入3D Hashin准则和基于断裂能的等效应力-应变双线性退化方式,采用实体单元模拟碳纤维复合材料的失效行为.通过对三种单元模型进行模拟,结果表明:开孔造成的应力集中会使层合板在拉伸过程中纤维与基体更易失效,成为裂纹源;在层合板失效过程中,都呈现“X形”向“沙漏形”失效发展趋势,最终沿宽度方向断裂;实体模型模拟精度相比于传统壳单元、连续壳单元的偏高更接近实验数值,三种单元模拟极限失效载荷与实验数据相差分别为26.1%,31.1%,8.64%.     

三轴拉压应力状态下沥青混合料的破坏准则

为了解拉压组合复杂应力状态下沥青混合料的强度特性,在自主研发的三轴试验设备上,通过单轴拉、单轴压、平面拉压/轴向压缩和平面拉压/轴向拉伸应力状态下共74个试件的试验,系统研究拉应力和压应力共同作用下AC-13C沥青混合料的三轴强度特性和破坏特征。基于八面体强度理论,建立多轴拉压条件下AC-13C沥青混合料的线性破坏准则。研究结果表明:试件分别表现为拉应变和拉应力破坏特征;三轴拉强度和压强度均低于单轴拉伸强度和单轴压缩强度,按现行的最大拉应力理论进行沥青路面结构设计偏于危险;线性破坏准则考虑3个主应力对路面的协同破坏作用,可较好地描述沥青路面材料的三轴强度规律,并且形式简单,便于工程应用。     

X80管道凹痕缺陷失效准则对比分析

为了提高油气管道凹痕缺陷安全评价的准确性,将金属材料的韧性失效准则应用到管道凹痕的损伤评价中。以X80管道凹痕为例,采用有限元法计算不同工况下3种失效准则的管道损伤量并作对比分析。研究发现,管道损伤量随凹痕深度的增加而增加;当凹痕深度大于6%管道外径时,管道损伤量的增长速率减小。其中,Oyane韧性断裂准则计算出的损伤量最大,临界空穴扩张比判据理论次之,而X-W损伤失效准则计算的损伤量最小。此外,通过研究凹痕缺陷的类型对损伤量的影响发现,Oyane韧性断裂准则能更好地反映管道凹痕区域的应力集中。研究结果表明,Oyane韧性断裂准则更适合用于深度较大以及不同种类的管道凹痕缺陷的评估。为进一步研究韧性失效准则在管道凹痕评价中的应用提供参考。     

应力比对脆性材料断裂影响及应变断裂准则验证

应用材料破坏分析软件MFPA2D(material failure process analysis),模拟了平面应力下双向应力比不断变化条件下脆性材料的不同破坏失稳过程,并以玻璃为例,重点研究了其在复杂应力状态下不同双向应力比对脆性材料裂纹扩展和断裂的影响. 研究结果表明,裂纹失稳扩展时的应力强度因子值随着双向应力比的升高而升高. 该结果证明双向应力确实对脆性材料的断裂韧性有影响. 理论分析得出的应变失效准则与数值模拟研究结果及试验结果的比较研究表明,应变失效准则作为脆性材料在双向应力下的断裂准则是可行的.