6008铝合金冲击实验及其动态本构模型

为了弥补6008铝合金在冲击载荷作用下的力学性能及其动态本构模型研究的不足,采用RPL-100型材料试验机和分离式霍普金森压杆获取了该材料在不同应变率下的应力—应变曲线.结果表明:随着应变率的增加,6008铝合金的屈服强度、强度极限与流动应力增加,应变硬化率减小,屈服滞后现象明显.基于实验结果与Johnson-Cook模型,引入Cowper-Symonds本构模型来描述6008铝合金的应变率效应,同时考虑到该材料冲击过程中绝热温升的影响,构建了适用于6008铝合金的改进Johnson-Cook模型.结果表明,改进Johnson-Cook模型能够能较好地描述6008铝合金的应变率效应并能准确地预测其流动应力,可为实际工程中的数值模拟问题提供参考.     

基于Johnson-cook模型某航空16g座椅滑轨冲击动力学分析

座椅滑轨的动力学性能对座椅研制以及座椅装机认证是一个重要的参考因素。依据LY12CZ材料在三种不同应变率条件下的应力-应变试验数据,综合应用弹塑性理论和非线性动态有限元技术,识别出Johnson-Cook(J-C)材料本构模型参数,建立滑轨有限元计算模型。经计算分析,得出了滑轨及其与机体连接件的极限承载力及破坏模式,为后续结构设计和冲击试验提供参考。     

数字图像相关的不锈钢真实应力应变关系测量

工程上广泛应用的名义应力应变曲线,在材料发生大变形时,由于应力和应变不再沿着试件均匀分布,因而不能真实反映材料在塑性阶段的本构关系。在不锈钢标准板的拉伸试验中连续采集试件散斑表面的数字图像,采用数字图像相关技术对序列数字图像进行相关运算以获得其每个变形状态下的变形场,得到了整个拉伸过程中试件的变形形态。以光学虚拟引伸计的方法分别测量横向和竖向的实时应变数据,结合体积不变理论计算得到真实应力应变曲线。采用Johnson-Cook材料模型对真实应力应变曲线进行拟合,得到了塑性本构关系;最后根据以上实验结果和真实应力应变曲线获取了材料的力学特性参数。实验结果表明了基于数字图像相关方法对不锈钢真实应力应变关系测量的有效性和可靠性,对实验结果的真实应力应变曲线后处理,获得不锈钢材料的弹性模量为169 GPa,屈服强度为236.8 MPa,并获得了Johnson-Cook简化模型的所有三个参数A、B和n的数值。     

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.      

飞机风挡结构抗鸟撞数值模拟

在实验研究的基础上,建立了某型飞机风挡及其相关部件的全尺寸有限元模型,应用非线性有限元程序LS-DYNA3D对整个鸟撞击过程进行了数值模拟,得到鸟撞风挡结构动态响应计算结果.分析了鸟撞风挡结构的应力、应变动态时程曲线,讨论了引起风挡结构破坏的主要因素.数值计算结果与实验结果吻合较好,表明所建立的有限元计算模型可靠、计算数据有效.     

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。     

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。     

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.     

初始温度条件下全尾胶结膏体损伤本构模型

膏体充填料到达采场初始温度不同是矿山存在的普遍现象,不同初始温度条件下膏体力学特性及应力-应变关系直接影响到矿山采充周期及相邻采场开采时贫化指标.通过对初始温度为2、20、35和50℃的硬化膏体进行单轴抗压强度试验,获得不同初始温度下充填体应力-应变演化曲线.根据理论推导和试验结果,建立了不同初始温度下膏体损伤本构模型,通过本构模型参数回归,提出膏体温度-时间耦合损伤本构模型.最后,采用Comsol数值模拟软件,将温度-时间耦合损伤本构模型嵌入solid mechanics模块,对单轴抗压试验进行数值模拟,模拟应力-应变曲线与试验结果较为吻合,验证了所提出本构模型的可靠性.     

基于嵌套思路的饱和孔隙-裂隙介质本构理论

为了指导本构建模工作,需要建立饱和孔隙-裂隙介质的一般本构理论框架.首先,从混合物理论和嵌套思路出发,获得饱和孔隙-裂隙介质的能量平衡方程.其次,根据热力学功共轭特性确定了饱和孔隙-裂隙介质本构方程的应变状态变量和应力状态变量.再次,根据热力学局部平衡假定,获得饱和孔隙-裂隙介质的自由能势函数一般本构方程.最后,从一般自由能势函数本构方程出发,获得孔隙骨架和裂隙骨架变形相互耦合的各向同性线弹性方程.当孔隙骨架和裂隙骨架变形解耦时,该方程能够退化到Khalili线弹性方程.研究表明,在小应变情况下固相应变可分解为裂隙骨架应变、孔隙骨架应变与固相材料体应变之和;当混合物均匀化响应原理成立和流相材料本构模型与单相一致时,裂隙骨架应变、孔隙骨架应变、固相材料体应变、裂隙流相材料体应变和孔隙流相材料体应变分别唯一决定裂隙介质有效应力、孔隙介质有效应力、固相材料真实压力、裂隙孔压和孔隙孔压;当自由能函数是状态变量的二次函数时,可获得线弹性本构模型.     

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.     

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.     

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.     

聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯材料中低应变率动态拉伸力学性能

为研究(PC/ABS)的动态力学性能,利用静力材料试验机和高速液压伺服材料试验机,于常温环境中开展了PC与ABS混合比为5∶5的PC/ABS材料在准静态和中低应变率下的拉伸试验,得到了材料在应变率为0.002、0.017、0.12、1.2、12.8 s~(-1)和130 s~(-1)时的真实应力-应变曲线,结果显示该材料具有应变软、硬化效应,并表现出明显的应变率敏感特性。基于试验数据拟合Johnson-Cook本构模型参数,建立了PC/ABS材料的动态本构方程,拟合结果与试验结果较为符合,能较好地表征PC/ABS在塑性段的动态拉伸力学行为。     

铅的压缩有限变形本构关系研究

有限变形理论应用于金属塑性成形过程模拟的基础之一是确定材料的本构模型.该文以铅作为试验材料,测定单向压缩有限变形和双向受约束两种情形下的载荷位移曲线,建立了基于欧拉描述的铅有限变形本构方程.由有限变形理论推导出单向压缩和平面应变有限元模型.数值算例给出了载荷位移变化规律.结果表明,欧拉描述有限变形本构方程适合于铅的有限变形压缩规律的描述.     

国产铝合金材料滞回本构模型研究

材料的滞回本构模型是准确预测结构弹塑性地震响应的基础.为此,在国产6082-T6和7020-T6铝合金材料的循环加载试验的基础上,得到了铝合金在单调荷载和循环荷载作用下的应力-应变曲线;随后采用分段Ramberg-Osgood模型对单调拉伸曲线、循环加载曲线以及骨架曲线进行拟合,并提出了国产铝合金材料的单轴滞回本构模型.将所提出的滞回本构模型与试验结果进行对比,结果表明本文提出的滞回本构模型能够准确地描述铝合金材料在循环荷载作用下的受力性能.     

6111铝合金热变形流变行为及本构模型

试验材料为厚2 mm的6111铝合金,利用ZWIKE100KN高温材料试验机对该材料在350~550℃,0.1~10 s^-1应变速率下进行热拉伸试验.结果表明：受位错密度的影响,6111铝合金的流变应力随温度的升高而降低,随应变速率的增大而增大;可以分为应变硬化和饱和稳态流变两个阶段.基于Voce饱和外推模型（H-S模型）构建以温度、应变、应变速率为变量因素的6111铝合金流变应力本构模型,通过回归拟合试验数据求解模型中的参数.试验数据与计算该模型得到的预测曲线吻合较好,验证了该模型的可行性.     

夹层玻璃结构的抗鸟撞分析

抗鸟撞设计是飞机设计过程中一个复杂、关键的步骤.通过建立SPH-FEM耦合的鸟撞夹层结构数值计算模型,分析由常用的航空透明材料,如无机玻璃、聚氨酯（PU）、聚碳酸酯（PC）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）组合构成的夹层玻璃（板）风挡的鸟撞响应.PU、PC和PMMA的材料参数通过材料各自的准静态、动态试验结果得到.在有限元软件LS-DYNA中计算夹层结构的鸟撞过程,得到夹层结构的破坏失效过程,并分析不同材料组成的夹层结构的抗鸟撞性能.发现由无机玻璃和高分子聚合物组成的夹层结构的抗鸟撞性能最佳.     

延性材料一维动态断裂研究

对LY12铝合金进行了一维层裂的研究,利用锰铜压阻传感器测得了层裂信号,通过定量金相观察得到了靶板中损伤度的分布.提出了一个延性材料动态断裂模型,模型中考虑了材料的硬化和应变率效应,同时也考虑了惯性效应.作为本模型的一个应用,对两个层裂实验进行了数值模拟,计算结果与实验吻合。     

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.