Lode相关断裂准则在6061-T6511H铝合金Taylor杆断裂预报中的应用

为校验Lode参数相关断裂准则的有效性,在一级轻气炮上开展了直径5.9 mm的6061-T6511H铝合金圆柱杆撞击刚性靶的Taylor试验,撞击速度范围为163.4~327.7 m/s,得到了镦粗和剪切开裂两种变形和断裂模式。为表征6061-T6511H铝合金的力学行为,开展了多应力状态、多温度下的材料性能测试,结合试验结果和有限元计算标定了修正的Johnson-Cook本构模型和修正的Johnson-Cook断裂准则及一种新近提出的Lode参数相关的断裂准则。最后,在ABAQUS/Explicit中建立了三维有限元模型,采用标定的Lode参数相关和无关的断裂准则开展了数值Taylor撞击试验。结果表明,Lode参数相关的断裂准则可对6061-T6511H铝合金Taylor杆的断裂行为给出合理预报,而Lode参数无关的断裂准则过高估计了材料的延性没能预报到相关断裂行为。     

受火后6060-T6铝合金材料性能研究及本构模型标定EI北大核心CSCD

为评估铝合金结构受火后动态力学性能,应使用合理的受火后铝合金材料本构模型,采用万能试验机和分离式霍普金森压杆设备对结构用6060-T6铝合金开展系列受火后力学性能试验。首先,研究其力学性能指标随5个温度梯段的变化规律,发现材料在受火温度为450℃时弹性模量、屈服强度与抗拉强度最小;其次,选用经450℃受火冷却后6060-T6铝合金作为研究对象,当温度升高时,受火后铝合金表现出温度软化现象;然后,标定了能合理描述受火后铝合金塑性变形行为的Modified Johnson-Cook(MJC)本构模型;最后,采用一级轻气炮靶板冲击试验,得到受火后6060-T6铝合金弹道极限与失效模式,使用ABAQUS数值仿真软件建立相应靶板冲击模型,通过试验与仿真结果对比,验证了MJC本构模型参数的有效性。     

TC4钛合金力学性能测试及其本构关系研究

为合理描述TC4钛合金材料的应力流动行为,分别利用万能材料试验机、霍普金森压杆设备,进行常温和高温准静态拉伸试验、动态压缩试验。通过试验得到了材料在不同应变率、温度下的工程应力-应变曲线,发现TC4钛合金材料应变硬化效应较弱,但应变率敏感性和温度软化效应较强。其次,基于试验结果,修正Johnson-Cook (J-C)本构模型和断裂准则获得MJC模型,并结合数值模拟标定J-C与MJC模型参数。最后,为校验模型和参数的有效性,采用ABAQUS/Explicit有限元软件建立卵形头弹体撞击靶体的模型,分别将J-C和MJC模型及参数嵌入到有限元程序中,进行数值仿真计算,对比撞击试验与数值模拟计算结果。研究表明,MJC模型预测的弹体弹道极限与靶体失效模式更接近于试验。     

航空Al7050合金的静动态力学特性研究及JC本构模型构建

为了研究航空Al7050合金材料的静、动态力学特性,采用DNS100型电子万能试验机对航空Al7050合金进行了准静态压缩试验,并依据处理后的试验数据获得了室温准静态下的流动应力-应变曲线,然后采用带有同步组装系统的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对航空Al7050合金进行了不同温度、不同应变率下的动态压缩试验,并依据处理后的试验数据获得了不同温度、不同应变率下的流动应力-应变曲线,最后依据两次试验数据并采用最小二乘法构建了试验条件下的JC本构模型.结果表明:材料的流动应力随应变率的增加整体呈现增加的趋势,但温度高于400℃时,材料的流动应力随应变率的增加而减小;随应变的增加,流动应力表现出先呈线性增加,再缓慢增加,最后急剧下降的趋势;材料的流动应力和应变硬化指数随温度的升高而下降,且构建的JC本构模型能较好地预测塑性流动应力.     

铝合金7050-T7451高温高应变率本构方程及修正

通过分离式霍普金森压杆(SHPB)及准静态压缩实验研究铝合金7050-T7451高温高应变率下流变应力特征,利用准静态实验数据获得本构方程应变强化参数,利用SHPB实验数据获得室温下不同应变率(400～2500s-1)的应变率强化参数,以及应变率为2500s-1不同温度下(250～600℃)的热软化参数。利用不同幂次多项式对Johnson-Cook本构方程的热软化项拟合,最终选择五次多项式作为修正后本构方程热软化项。利用修正后本构方程对不同温度条件下应力-应变曲线进行预测,实验数据与预测曲线表现出良好一致性。     

6013-T4铝合金不同温度下的动态流变应力及组织演变

采用分离式霍普金森(SHPB)压杆装置进行6013-T4铝合金动态压缩试验,获得温度为25℃、100℃、200℃、300℃、400℃,应变速率为1 000s~(-1)、2 000s~(-1)、3 000s~(-1)、4 000s~(-1)、5 000s~(-1)条件下材料的真应力-真应变曲线,并通过透射电子显微镜(TEM)观测了6013-T4铝合金在不同变形条件下的组织演变。结果表明:6013铝合金有明显的温度敏感性,但是对应变速率的敏感性较弱。应变速率和温度对6013铝合金微观组织的影响显著,位错密度随应变速率的升高而增大,随温度的升高而减小。基于实验数据,求得了6013铝合金Johnson-Cook模型的本构参数并建立其本构模型。与实验结果进行对比,结果表明,所建立的本构模型能够很好地预测6013铝合金的流变应力。     

AISI D2钢力学性能尺寸效应实验研究

为研究AISI D2钢力学性能尺寸效应现象,在常温下采用电子万能试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置对3种不同剪切带宽度(分别为800,400,50μm)的帽形试样进行了准静态和动态加载实验.实验结果表明,流动应力和失效应变随着剪切带宽度的减小而增大,但产生流动应力和失效应变尺寸效应现象的剪切带宽度不同.基于应变率强化项修正的Johnson-Cook本构模型,通过实验数据拟合得到材料的本构关系.研究表明,修正的Johnson-Cook本构模型与实验结果吻合较好.     

2024-T42铝合金低中应变率力学性能及本构关系

为研究2024-T42铝合金的低中应变率力学性能和本构关系,采用电子万能实验机和高速液压伺服材料实验机,进行常温下2024-T42铝合金准静态、低中应变率拉伸实验,得到材料在不同应变率下的应力-应变曲线。考虑颈缩对真实应力-真实应变的影响,采用仿真反演方法对颈缩后的真实应力-真实应变曲线进行修正,并基于Johnson-Cook本构模型进行拟合。结果表明:2024-T42铝合金在低中应变率范围的率敏感性较弱;但具有较强的应变硬化效应;基于仿真分析的反演修正方法能较好重构材料颈缩点后的真实应力-真实应变曲线;并通过铝管压溃实验和仿真分析,验证了反演修正方法的合理性和所获本构模型参数的准确性。     

2024-T3铝合金动力学实验及其平板鸟撞动态响应分析

通过电子万能试验机和分离式霍普金森拉杆（SHTB）拉伸试验分别获得2024-T3铝合金材料准静态和高应变率两种应变率下的应力-应变曲线。铝合金材料的本构关系由能够反映材料硬化效应和应变率强化效应的Johnson-Cook材料模型描述,方程中的4个参数通过不同应变率下的应力-应变曲线拟合得到。基于瞬态动力学软件PAM-CRASH,结合材料动态力学性能试验所获得的2024-T3铝合金Johnson-Cook模型方程,耦合光滑粒子流体动力学（SPH）方法和有限元（FE）方法建立2024-T3铝合金平板的鸟撞数值模型,数值计算所得动态响应与鸟撞试验结果吻合较好,表明建立的鸟撞数值计算模型是合理、可靠的,整个分析流程从材料动态力学性能试验、鸟撞数值计算到最终的鸟撞试验验证为飞机结构的抗鸟撞设计与分析提供了有力的参考。     

高强钢-铝合金材料的流动应力模型研究及应用

目的 研究常温下无铆连接中高强钢与铝合金材料的应力-应变关系以及本构模型的预测效果.方法 通过拉伸试验初步研究材料性能,主要包括屈服强度、拉伸强度和伸长率等;然后采用4种流动应力模型描述塑性段,即本构模型,分别对两种材料的应力-应变关系进行表述.随后采用相关系数R值和平均绝对相对误差EAARE值评价4种模型预测应力的效果.结果 4种本构模型均能够较好地描述两种材料的应力-应变关系,高强钢与铝合金材料拟合后的R值高于0.99,EAARE值低于2％.结论 通过对比分析,Voce模型表述高强钢材料应力-应变关系的效果更好,Swift模型表述铝合金材料应力-应变关系的效果更好,并成功应用于无铆连接工艺中,且误差均低于5％.     

2219铝合金动态力学性能及其本构关系

针对2219铝合金在高温、高应变率加工条件下的变形特征以及流动应力变化规律,利用分离式Hopkinson压杆设备对该合金进行了室温以及高温动态压缩力学性能研究,并利用电子万能试验机对其进行准静态压缩力学性能测试,得到了2219铝合金在不同应变率和温度下的真实应力-应变曲线。结果表明:2219铝合金对温度有较高的敏感性,其流动应力随着温度的升高而降低;当应变率在1000~3000s-1范围内时,材料的流动应力变化并不明显;基于Johnson-Cook模型拟合出的模型参数,能较好地预测实验中材料的流动应力。     

基于材料静动态力学性能分析的SiCp/Al本构模型构建

基于SiCp/Al复合材料的静态和动态力学性能分析,构建SiCp/Al复合材料的本构模型。针对体积分数为20%的SiCp/2a14Al复合材料采用电子万能试验机进行准静态拉伸试验,研究材料的静态力学性能;采用霍普金森压杆试验进行不同温度(20～400℃)、不同应变率(500～3 000 s^-1)动态压缩试验,分析材料的动态力学性能。基于材料静态及动态下应力-应变试验数据构建SiCp/Al复合材料的Johnson-Cook(JC)本构模型,并通过遗传算法对模型进行优化。结果表明,SiCp/Al复合材料在准静态条件下表现出应变强化效应;在动态载荷条件下,材料流动应力随着应变速率的增加而增加,表现出应变率强化效应,这与碳化硅颗粒的体积分数有关;随着温度的增加,流动应力减小,表现为温度软化效应。最小二乘法拟合的JC模型与试验值的平均误差较大,经过遗传算法优化后模型误差减小,能够准确预测SiCp/2a14Al复合材料的流变行为。     

2A16铝合金中应变率力学性能研究

为研究2A16铝合金的中应变率力学性能及热处理状态对其应变率敏感性的影响,利用电子万能试验机和高速液压伺服试验机对其(O状态和T4状态)进行常温下准静态和中应变率力学性能试验,得到不同应变率下的应力应变曲线,并基于修正的Johnson-Cook本构模型对其进行拟合。结果表明:在应变率10~(-4)~10~2s~(-1)内,热处理状态对2A16铝合金的应变率敏感性有较大影响,其中2A16-O状态铝合金的应变率敏感性较强,而2A16-T4状态铝合金的应变率敏感性较弱,但两种材料均具有较强的应变硬化效应;此外,修正Johnson-Cook本构模型的拟合结果与试验结果吻合很好,能够很好表征材料的动态力学行为。     

7075铝合金冷搓成形本构关系及有限元分析应用研究

目的 研究7075铝合金在高应变速率下的本构关系,并将其应用于有限元仿真分析中,以实现对7075铝合金环槽铆钉冷搓成形过程的精确预测。方法 利用霍普金森压杆(SHPB)实验获得7075铝合金在1 000~4 500 s⁻¹应变速率下的真实应力-应变曲线。结合静态压缩实验在0.001 s⁻¹应变速率下的结果构建了优化的Johnson-Cook(J-C)本构模型,并应用有限元仿真对7075铝合金环槽铆钉冷搓成形过程进行模拟预测。结果 当应变速率由0.001 s⁻¹上升至3 000 s⁻¹时,7075铝合金的屈服强度增长较少,但当应变速率由3 000 s⁻¹上升至4 500 s⁻¹时,屈服强度提高了45 MPa。利用优化的J-C本构模型对真实应力进行预测,其平均相对误差与相关系数分别为0.35%和0.999 2。有限元分析结果显示,在成形过程中,铆钉零件任意部位的最大应变速率基本低于4 500 s⁻¹。外形预测结果与实际测量值的最大绝对误差为0.08 mm,最大相对误差为3.45%。结论 当应变速率由3 000 s⁻¹上升至4 500 s⁻¹时,7075铝合金展现出了明显的应变率强化效应,优化的J-C本构模型能够准确预测7075铝合金在0.001 ~4 500 s⁻¹应变速率范围内的真实应力。将其应用于有限元分析能够准确预测7075铝合金环槽铆钉冷搓成形过程。     

7075-T651铝合金靶板剪切冲塞的试验和数值模拟研究

为揭示在断裂准则中引入Lode角的必要性,在一级轻气炮上开展了刚性平头弹侵彻7075-T651铝合金靶板试验,获得了靶板的断裂行为和弹道极限;通过圆棒试样拉伸试验和平板试样剪切试验,标定了Johnson-Cook(JC)本构模型和断裂准则参数和一种Lode角相关的断裂准则;运用ABAQUS软件,分别采用Lode角相关和无关断裂准则对试验进行了三维数值模拟,并对Lode角的影响进行了分析。结果表明:在刚性平头弹撞击下,7075-T651铝合金靶板发生剪切冲塞破坏;7075-T651铝合金的断裂与Lode参数相关,剪切带中初始失效材料的应力三轴度低于0且Lode角接近0,用圆棒拉伸试验标定的JC断裂准则高估了断裂应变;采用JC断裂准则预报的断裂行为与试验有较大差别,得到的弹道极限比试验值高大约42%;采用Lode角相关断裂准则得到的弹道极限与试验结果吻合较好。     

7050-T7451铝合金低周疲劳平均应力松弛规律

为了研究平均应变对7050-T7451铝合金低周疲劳力学行为的影响,开展了不同应变比(R=-1、-0.06、0.06和0.5)下的室温恒幅低周疲劳试验。结果表明:在对称循环应变下,材料总体表现为循环软化特征;而在非对称循环应变下,材料表现为初始硬化后的循环稳定行为。非对称循环应变导致了材料出现与应变幅相关的平均应力松弛现象。采用Landgraf模型和非线性Maxwell模型分别研究了7050-T7451铝合金的平均应力松弛规律。结果表明:Maxwell模型能够较准确地描述材料的平均应力循环松弛特征,而Landgraf模型更适用于低应变幅下的平均应力松弛描述。     

基于损伤模型的2024-O-T42搭接件动态拉伸失效分析

针对高锁螺栓单搭接件所采用的2024-O-T42铝合金,设计狗骨试验件进行准静态与动态拉伸试验,设计六种不同的缺口试验件进行准静态拉伸试验。通过开展拉伸失效仿真,对比Hartley-Srinivasan与Johnson-Cook两种本构模型,以及最大塑性应变失效准则、Johnson-Cook失效模型与GISSMO损伤模型三种失效模型。结果表明,在试验的100 s^-1应变率范围内,2024-O-T42铝合金材料流动应力应变率效应不明显,其最大相差约为5%;在不考虑应变率及温度的情况下,Hartley-Srinivasan本构模型比Johnson-Cook本构模型更能准确表征材料塑性段的力学行为;采用Hartley-Srinivasan本构模型和GISSMO损伤模型,高锁螺栓单搭接件在1 m/s、3 m/s、5 m/s拉伸速度下的仿真结果与试验结果吻合更好,且仿真获得的失效位移相对试验失效位移平均值分别偏大4.7%、偏大4.3%和偏小7.4%。     

Q355B钢动态材料性能研究

作为Q345钢的替代钢种,Q355钢将于2019年2月起大量应用于建筑工程中。基于结构抗冲击爆炸性能研究的需要,其动态材料性能的研究具有迫切性和必要性。应用万能材料试验机与分离式霍普金森压杆系统对Q355B钢在不同温度、应变率及应力状态下的力学性能进行了研究。发现塑性流动应力与断裂应变随温度的上升分别呈现非线性下降与上升趋势,采用试验为主数值模拟为辅的方法分别标定了修正Johnson-Cook本构关系与修正Johnson-Cook断裂准则。最后,开展了Q355B钢Taylor撞击试验,验证了修正Johnson-Cook模型及其参数标定的有效性。     

7050铝合金热压缩变形的流变应力本构方程

对7050铝合金在应变速率为0.01～10s-1、变形温度为250～450℃条件下的流变应力行为进行了实验研究.结果表明:7050铝合金热压缩变形中发生了明显的动态回复与动态再结晶,流变应力随应变速率的增加而增加,随温度的增加而降低;通过线性回归分析计算出7050材料的应变硬化指数n以及变形激活能Q,获得了7050铝合金高温条件下的流变应力本构方程.     

基于GA优化的7055铝合金Johnson–Cook流变本构建模及其FEA应用

目的 研究7055铝合金高温流变行为,建立高精度流变本构模型和有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)仿真模型。方法 基于Gholamzadeh温度修正模型和Evans摩擦修正模型,计算修正7055铝合金热压缩流动应力,以排除试验过程中变形温升和摩擦对流动应力的影响;针对修正后的流动应力构建Johnson–Cook本构模型,依托MATLAB编程采用遍历法优化模型参考条件,并引入遗传算法(Genetic Algorithm,GA)对模型参数进行优化,通过流动应力子程序二次开发实现优化后的模型在商用软件DEFORM中的应用,以预测变形工件的应力应变分布与成形载荷。结果 经温度和摩擦修正的流动应力与试验值相近;采用遍历法优选参考条件后的Johnson–Cook本构模型流动应力预测值与试验值之间的平均相对误差绝对值(Average Absolute Relative Error,AARE)为4.57%,经GA优化后降至3.50%,实现了精度的提升。基于该模型二次开发的DEFORM模拟平台能准确预测成形载荷,预测值与试验值之间的AARE为2.42%。结论 构建了具有较高精度的流动应力本构模型,并基于其开发了有限元仿真模型,仿真结果与试验结果吻合良好,该仿真模型能够为7055铝合金热加工工艺的精确设计和优化提供有效指导。