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。     

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.     

1215钢动态应力-应变行为

系统研究了1215钢的热变形行为,分析了应变、应变速度和温度对钢的流变应力的影响规律.通过热模拟实验,研究分析了不同的应变速率和应变温度条件下1215钢的应力-应变曲线.以实验数据为基础,以Johnson-Cook本构模型为依据,讨论了拟合分析Johnson-Cook方程参数的方法.通过实验数据的拟合分析,得到了表达1215钢流变应力随应变、应变速度和形变温度的数学方程,为研究1215钢的动态应力-应变行为提供了基础.研究工作表明,理论计算与实验数据得到了较好的吻合.     

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.     

675装甲钢的静动态力学行为与J-C模型参数拟合确定

为研究675高强装甲钢在受到弹丸冲击后的动态响应问题,需要确定一套适用于侵彻仿真计算的675装甲钢的材料模型. 通过开展675装甲钢的动静态力学性能试验和材料断裂实验,并且根据实验结果对675装甲钢材料的Johnson-Cook本构模型和失效模型参数进行了拟合. 同时,根据弹道试验建立了仿真侵彻模型,将数值计算结果与试验结果进行了对比。结果表明:通过材料性能实验得到的675装甲钢的Johnson-Cook本构和失效模型应用于弹靶侵彻的数值仿真时,得到的仿真结果与弹道试验结果的平均误差为6.5%,最大误差不超过10%,拟合得到的Johnson-Cook本构模型和失效模型参数的可靠性较高,对675装甲钢在冲击载荷下的仿真计算具有重要意义.      

基于光滑粒子流体动力学方法与TANH本构方程的钛合金切屑形态预测

引入TANH本构方程,建立了钛合金切削过程的光滑粒子流体动力学(SPH)方法的切削模型.新模型解决了基于有限元方法(FEM)的传统切削模型经常出现的网格畸变问题,另外利用控制变量法标定出TANH本构方程的修正系数.相较于传统的Johnson-Cook本构模型,该模型将材料的应变软化现象考虑在内,更加准确描述出钛合金在大应变和动态再结晶情况下材料的动态力学性能.同时,新模型很好解释了钛合金切削过程中锯齿形切屑的形成过程与形成机理.实验结果与模拟结果对比显示,基于SPH方法与TANH本构方程的切屑模型可以准确可靠地预测钛合金切屑形态与切削力.     

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.     

TC4热氧化钛合金内空半球壳体的动态响应

利用有限元程序对TC4(Ti-6Al-4V)热氧化钛合金内空半球壳体进行子弹冲击模拟,基于准静态压缩实验和动态Hopkinson压杆实验数据,研究了径厚比、冲击速度、应变率效应对TC4热氧化钛合金内空半球壳体动态响应的影响,得到了不同工况下的TC4热氧化钛合金内空半球壳体的接触力峰值以及顶点位移.TC4热氧化钛合金的材料模型由实验数据拟合得到的考虑应变率效应和温度效应的Johnson-Cook本构方程描述,其中,实验数据由Hopkinson压杆技术测得.结果表明:接触力峰值和顶点位移均与径厚比成反比;接触力峰值和顶点位移均与冲击速度成正比;考虑应变率效应更能反映TC4热氧化钛合金内空半球壳体的抗冲击能力和抗变形能力.     

20CrMo材料本构模型及其有限元模拟

基于Johnson-Cook材料热黏塑性本构模型,通过准静态压缩力学实验确定20CrMo材料的本构模型应变强化项系数;通过正交切削实验并运用Oxley-Welsh切削理论分析确定模型的应变速率和热软化效应系数,由此建立20CrMo材料的热-黏塑性本构模型.在此基础上,以剪切失效为切屑分离准则,仿真分析正交切削条件下的切削温度及切削力.对比仿真结果与切削实验测试结果可知:最大相对误差在20％以内,说明仿真分析较精确,也说明了建立的20CrMo本构模型有较高的准确性.     

基于试验非拟合混凝土本构方程

目的建立混凝土单轴拉伸和压缩应力-应变方程.方法基于混凝土单轴拉伸和压缩的试验数据,研究应力-应变变化规律,抛弃传统的拟合方法,直接由混凝土基本性能(初始弹性模量、峰值应力、峰值应变和应变软化性态)导出应力-应变方程.结果全程应力-应变方程由强化方程和软化方程给出,在峰值应力之前,强化方程为单调增且二阶导数为负的曲线,与试验结果曲线相符.在峰值应力之后,用不同的软化方程表示试验软化曲线.结论笔者提出的混凝土本构方程与很多实验数据相符,方程中的参数具有明显的力学意义,形式简单,便于理解,能很好的应用于混凝土本构关系的研究中.     

有限元分析法确定Johson Cook本构方程材料参数

采用反演法确定了马氏体不锈钢410的Johnson-Cook本构方程材料参数.剪切实验采用的剪切速率为1~5 000 s-1,温度为20~1 000 °C.有限元模拟在Abaqus软件平台上进行.采用Johnson-Cook模型,施加与实验相同的初始条件.通过Matlab非线性最小二乘法优化程序来调整有限元模型材料参数,找到合适值,使得模拟得到的力 位移曲线与实验得到曲线相吻合.结果表明,所得参数都能很好地代表不锈钢410在高温高变形速度下的流动特性,Johnson Cook模型不能描述材料破坏阶段的行为特征.     

基于GA和DEFORM的陶瓷材料切削力数值模拟

通过有限元仿真及材料本构模型修正、遗传算法优化、数值模拟以及车削试验,研究了车削陶瓷材料切削力变化规律.有限元仿真成屑对比结果表明,经典的Johnson-Cook模型的切屑为连续片状,与实际加工不符;模型改进后,其仿真切屑为块状崩碎屑,对陶瓷材料有限元仿真较为适用.依据简单单因素有限元仿真数据,利用最小二乘法进行了一元回归数值拟合,获得了切削力与单一参数的解析式,相关系数检验结果表明模型具有较高的精度.利用遗传优化算法,建立了切削力多元模型.通过单因素试验、正交试验进行了多元模型验证,结果表明该模型能够准确反映切削力变化规律,具有较好的可靠性.     

耐热不锈钢X8CrNi25-21介观尺度材料本构建模与仿真

针对耐热不锈钢X8CrNi25-21的材料特性,基于弹塑性力学理论和位错动力学对经典的Johnson-Cook（JC）本构模型进行修正,引入位错塞积理论,并在本构中考虑晶粒尺寸和晶体取向等微观参数,建立了基于尺度效应的耐热不锈钢X8CrNi25-21介观尺度材料响应行为本构模型.通过采用介观尺度非标准件,并利用热处理工艺改变材料的晶粒尺寸,开展准静态拉伸实验、动态霍普金森压杆实验进行介观尺度材料测试,建立了晶体尺寸与介观尺度材料塑性变形与断裂行为特征的变化规律,并最终确定了耐热不锈钢X8CrNi25-21介观尺度材料本构模型各参数值.      

TC18钛合金多次冲击损伤演化规律

为了探究TC18材料在多次冲击下的损伤演化规律,参考夏比冲击标准设计了三点弯冲击试验件,开展了多次冲击试验。通过动态拉伸试验以及两个应变水平的低周疲劳试验获得了TC18材料的Johnsonson-Cook本构模型、Lemaitre损伤模型中的材料参数,引入修正因子改进了Lemaitre损伤模型,并编写了子程序,基于Johnson-Cook本构模型和改进的Lemaitre损伤模型对试验件进行了多次冲击数值仿真。结果表明,采用改进的Lemaitre损伤模型的有限元仿真结果与试验结果符合较好,TC18材料在多次冲击下损伤变化呈现两个阶段——缓慢累积和迅速增长。     

18CrNi4A完全渗碳件在高温及高应变率下的塑性行为

为评估使用18CrNi4A钢齿轮在表面渗碳并磨削后的残余应力分布,从而达到改进工艺、延长寿命的目标,制备了完全渗碳的样件。并通过分离式霍普金森压杆（SHPB）试验,测试了样件在多种温度和应变率组合下的应力-应变数据,据之拟合出其Johnson-Cook（J-C）塑性本构模型,可用于描述18CrNi4A钢渗碳层在高应变率及高温条件下的动力学行为。采用该模型进行数值模拟的结果与试验的对比表明该塑性模型适用于磨削工艺的仿真模拟分析。      

混凝土材料SHPB主动围压实验的数值模拟

文章利用LS-DYNA软件,采用混凝土HJC动态本构模型,对Φ74mm分离式变截面霍普金森压杆主动围压实验做了数值模拟;通过在试件径向施加恒定压力的方法模拟主动围压的作用,试件单元的压力时间历程曲线显示该方法可以获得恒定、均匀的围压值,即该方法可以对SHPB主动围压实验进行合理的模拟;利用上述主动围压模拟方法对混凝土材料主动围压下的力学性能进行了研究,模拟时采用弥散较小的三角形速度波加载,并利用波形良好的入射波、透射波重构了混凝土的应力应变曲线,重构结果显示混凝土材料在围压作用下力学性能发生变化,混凝土峰值应力、峰值应力对应的应变、韧性都随围压的增大而增加,与理论结果相符。     

钨合金绝热剪切损伤数值模拟

利用ABAQUS提供的用户自定义材料本构接口,将一种含绝热剪切损伤的材料粘塑性Johnson-cook本构模型引入其中,以此对圆台形钨合金试件在冲击载荷作用下的变形行为进行数值模拟,较好地模拟出了试件绝热剪切变形所产生的损伤.     

激光冲击718镍铬合金残余应力场试验及有限元分析

为提高718镍铬合金的疲劳强度,采用Nd:Glass强脉冲激光对其表面进行冲击强化处理.经X射线应力仪测试冲击区的残余应力场,利用Abaqus有限元软件,以Johnson-Cook(JC)模型作为本构关系,对其残余应力场进行分析计算.通过试验结果与仿真分析的对比,说明激光冲击能形成残余压应力层、提高疲劳寿命,选择JC模型作为本构关系是可行的,但由于应变率的差异,必须对JC模型材料参数数值进行优化,才能取得较精确的结果,并从激光冲击次数对残余应力场的分析进一步加以验证.结果表明,所提的JC模型材料参数优化方法简单易行.     

含损伤的冻土动态本构模型研究

为研究冻土动态本构关系,基于损伤理论研究冻土的变形过程,用唯象模型将冻土看成黏性体和损伤体的并联组合体,并且利用强度理论以及复合材料等效夹杂原理获得冻土在冲击载荷作用下的动态本构模型及其参数的确定方法. 利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对冻土进行冲击加载实验,获得冻土在不同应变率冲击载荷作用下的应力-应变曲线,实验结果表明冻土具有明显的应变率相关性. 对比实验曲线和理论曲线可以看出模型计算与实验结果吻合良好,说明了建立模型的方法是可行的,且该模型能够很好地反映冻土动态加载过程的主要特征.