6061-T6铝合金断裂应变与应力三轴度关系研究

研究材料断裂应变与应力三轴度的关系,从而建立其断裂失效模型,对分析6061-T6铝合金断裂失效过程具有重要理论意义和应用价值。分别借助数字图像相关(DIC)测量技术和Abaqus软件对6061-T6铝合金光滑圆棒试件与缺口圆棒试件准静态拉伸过程进行试验和数值模拟,基于所得结果对后者应力三轴度进行分析和修正,从而得到Johnson-Cook(J-C)失效模型的部分材料参数,并建立了6061-T6铝合金断裂应变与应力三轴度的关系模型。将建立的失效模型输入到Abaqus中进行断裂数值模拟,模拟结果与试验结果基本一致,验证了失效模型的正确性。研究表明:6061-T6铝合金的断裂应变随应力三轴度的增加而减小;采用J-C失效模型可以较好的描述6061-T6铝合金在不同应力三轴度下的断裂失效行为。     

6013-T4铝合金在不同温度和应变速率下的动态力学行为及数值模拟

采用分离式霍普金森压杆装置对6013-T4铝合金在不同温度(25,200,300℃)和应变速率(1 000,2 000,3 000,4 000,5 000s-1)下进行了动态压缩试验,研究了该铝合金在冲击载荷作用下的动态力学行为,并采用试验拟合得到的Johnson-Cook本构方程,对动态冲击试验进行了数值模拟。结果表明:6013-T4铝合金具有明显的应变速率和应变硬化效应,动态流变应力随变形温度的升高而减小;室温下合金的屈服强度对应变速率不敏感,但随变形温度的升高,屈服强度的应变速率敏感性增强;基于室温准静态与不同温度和应变速率下的动态真应力-真应变曲线,确定了铝合金的Johnson-Cook本构方程;不同温度和应变速率下真应力-真应变曲线的数值模拟结果与本构方程拟合和试验结果均吻合的较好。     

考虑成形方向的航空铝合金修正本构模型的构建

为了能够准确地反映材料成形方向对其动态力学性能的影响,利用电子万能试验机及分离式霍普金森压杆（SHPB）装置,对航空铝合金7050-T7451板材沿不同成形方向（法向ND,横向TD,轧向RD）取样,并进行准静态加载试验和动态冲击剪切试验。结果表明：成形方向是影响材料准静态和动态力学性能的重要因素之一,在动态冲击剪切过程中,铝合金7050-T7451表现出一定的应变率敏感性和正应变率强化效应。基于材料的成形方向影响规律,构建包含应变率敏感函数项的修正的Johnson-Cook本构模型,并对比验证修正模型与试验数据的结果,证明了修正的、包含应变率函数项的材料本构模型更适用于描述不同成形方向下的材料动态力学性能,该模型能够为建立精确可靠的各向异性材料仿真模型提供数据支持。     

考虑动态回复过程的6005A铝合金动态力学模型

客车车厢用6系铝合金构件在碰撞、冲击过程中会在短时间内产生很大变形,其变形过程中动态力学行为是结构设计中的核心问题。采用Instron系列拉伸试验机,对6005A型铝合金经T6热处理后的试样进行动态拉伸试验,获得材料应变率从0.001 s–1到87 s–1范围内,从弹塑性变形直至断裂的完整应力应变曲线。试验结果表明,6005A型铝合金具有一定的应变率效应,随着应变率提升,铝合金材料的屈服极限有所上升而抗拉强度下降。根据试验所得真实应力-应变曲线,建立6005A型铝合金的Johnson-Cook本构模型,并依据位错理论,考虑加工硬化和动态回复过程对于流动应力的影响,对Johnson-Cook模型进行修正。修正模型在试验范围内,很好地预测了中等应变率下材料动态力学行为。     

6061铝合金的动态拉伸性能及其本构模型

在0.08,35,110,210,550s~(-1)的应变速率下对6061铝合金进行单轴拉伸试验,对其动态拉伸性能进行研究,得到不同应变速率下的真应力-真应变曲线;基于Johnson-Cook本构模型,建立该铝合金的塑性变形本构模型,并对该模型进行了验证。结果表明:随着应变速率增加,6061铝合金的屈服强度增大,断后伸长率降低,但其断裂强度则未发生明显变化;建立的本构模型能够很好地描述6061铝合金在塑性变形过程中流变应力的变化。     

6061-T6铝合金薄板剪切试件设计及动态剪切力学特性分析

车身结构影响了整车的碰撞安全性,其中车身承载部件在碰撞过程中主要表现为剪切失效,因此需要对车身材料的动态剪切力学特性展开研究。为了描述6061-T6铝合金材料在复杂工况下的力学特性,进行了准静态和动态力学性能试验。基于不同应力状态和应变率下铝合金力学性能的测试数据,标定了材料的本构模型和断裂模型参数,并通过对比试验与仿真结果验证了材料参数的准确性。为了实现拉伸试验机开展铝合金薄板剪切试验,设计四种形状的薄板剪切试件,采用数值模拟对比所设计剪切试件的应力及应变分布,并分析不同剪切应变率对6061-T6铝合金材料剪切力学特性的影响规律。结果表明：圆形开口对称试件适用于研究塑性变形阶段的失效断裂,而圆形开口偏置试件适用于研究弹性变形阶段的应力应变关系。在低剪切应变率范围内,6061-T6铝合金无显著的应变率强化效应,然而随着应变率的增加敏感性有所提高。     

5052铝合金的动态拉伸性能及其本构模型

为了提高5052铝合金在应用中的安全性,准确的计算结构件在复杂载荷下的强度,非常有必要对材料在不同应变率下的力学性能进行研究。本文分别采用高温电子万能试验机和霍普金森拉杆装置对其进行了准静态和高应变率下的拉伸试验,得到了材料的应力-应变曲线,构建了能够准确描述其塑性变形行为的本构模型。结果表明：5052铝合金具有明显的应变率敏感性,且随着应变率的增加,其屈服强度和强度极限不断增加。基于试验结果,本文提出采用一种修正的Johnson-Cook模型来拟合材料的动态本构关系,拟合结果与试验数据吻合度较高;进一步使用ANSYS软件用此模型模拟了高应变率下试样的单向拉伸过程,提取典型节点的应力应变曲线,模拟结果与试验结果相吻合。说明本文所建立的修正Johnson-Cook模型能够较好地描述5052铝合金的动态特性,可为实际工程中的数值模拟问题提供数据支持,从而为零部件的加工工艺、结构设计和实际生产提供可靠的参考和有效的指导。     

高强石墨材料的动态本构模型

利用分离式Hopkinson压杆试验装置对SMF-800高强石墨进行了冲击压缩试验,获得了不同应变速率(618,868,1 185s-1)下的应力-应变曲线;采用损伤型朱-王-唐粘弹性本构模型和一维弹脆性损伤本构模型分别对应力-应变曲线进行拟合,并对拟合结果进行了对比。结果表明:高强石墨材料的破坏应力和应变随着应变速率的增大而不断增大;损伤型朱-王-唐粘弹性本构模型比一维弹脆性本构模型更能有效描述高强石墨材料的动态力学性能,在应变速率为618,868,1 185s-1时,前者拟合曲线的相关指数分别为0.992 15,0.999 52,0.972 15。     

高速切削加工航空铝合金7050-T7451剪切角模型研究

基于对传统的剪切角模型的分析，借助快速落刀试验及直角切削力试验，获得了航空铝合金7050T7451在切削加工中的剪切角以及前刀面的平均摩擦因数。应用高温霍普金森压杆（SHPB）动态压缩试验，构建铝合金7050-T7451的应力、应变及温度的本构方程，为有限元Deform模拟提供合理的材料模型以准确模拟切削加工过程。对模拟加工过程、传统Merchant剪切角模型以及快速落刀试验分别得到的剪切角进行了比较，基于结果误差对传统剪切角模型进行修正，建立了更适用于高速切削加工航空铝合金7050-T7451的剪切角模型。     

AM60镁合金Johnson-Cook本构方程的修正及冲压有限元模拟

利用Gleeble-3500型热模拟机对AM60镁合金板进行热拉伸试验，研究了镁合金在变形温度200～350℃、应变速率0.01～0.1 s^-1下的热变形行为；对Johnson-Cook方程应变硬化部分进行修正并考虑应变速率和变形温度的耦合效应，基于热拉伸试验数据建立了修正Johnson-Cook本构方程，利用该方程进行冲压有限元模拟，并进行了试验验证。结果表明：AM60镁合金的流变应力与应变速率呈正相关，与变形温度呈负相关；采用修正Johnson-Cook本构模型预测得到AM60镁合金冲压真应力-真应变曲线与试验结果吻合较好，最大相对误差为18.28%,相比于未修正模型降低了57.61%;模拟得到200～350℃下冲压成形的筒形件成形良好，无表面缺陷，与试验结果一致。     

High-temperature dynamic deformation of aluminum alloys using SHPB

This paper investigates the dynamic deformation behavior of two aluminum alloys, 2024-T4 and 6061-T6, using a modified split Hopkinson pressure bar (SHPB) with a pulse shaper technique at both elevated and room temperatures. An experimental strategy is proposed, and the dynamic deformation behaviors of two alloys are evaluated with the modified high-temperature SHPB apparatus. The experiments were carried out under varying strain rates and temperatures. The reflected waves modulated by the pulse shaper, the flow stress-strain relationships, the strain rates, the front- and back-ends stresses during the dynamic deformation period were measured at varying high temperatures. Experimentally obtained data were used to evaluate the parameters in the material constitutive equation, such as the Johnson-Cook (JC) constitutive model.     

Predictive analytical modeling of cutting forces generated by high-speed machining of ductile and hard metals

This paper proposes an analytical cutting forces model based on an extension of the Oxley's machining theory (OMT) to high-speed machining of ductile and hard metals. In this model, the materials' behavior was modeled using the Marusich's constitutive equation (MCE). Furthermore, The OMT was modified to be able to capture the effects of the cutting tool edge radius and the burnishing phenomenon by implementing a variable rake angle equation and the Briks criterion, respectively. The predictive model was validated using experimental data obtained during the orthogonal machining of two aluminum alloys (AA6061-T6 and AA7075-T651) and induction-hardened AISI4340 steel (58-60 HRC). The results showed that the predicted and experimental cutting forces were in reasonable agreement for all tested materials. The strain rate constant in the primary shear zone (C₀) was found to be significantly sensitive to the cutting conditions and work material, and its effect on the predicted data was highlighted and discussed in depth. On one hand, it was found that AA6061-T6 is less sensitive to the strain rate compared to the AA7075-T651. On the other hand, all tested materials were found to be more sensitive to the strain rate at low cutting speeds and/or cutting feeds.     

Grey–Taguchi method to optimize the milling parameters of aluminum alloy

The grey–Taguchi method was adopted in this study to optimize the milling parameters of A6061P-T651 aluminum alloy with multiple performance characteristics. A grey relational grade obtained from the grey relational analysis is used as the performance characteristic in the Taguchi method. Then, the optimal milling parameters are determined using the parameter design proposed by the Taguchi method. Experimental results indicate that the optimal process parameters in milling A6061P-T651 aluminum alloy can be determined effectively; the flank wear is decreased from 0.177 mm to 0.067 mm and the surface roughness is decreased from 0.44 μm to 0.24 μm, leading to a multiple performance characteristics improvement in milling qualities through the grey–Taguchi method.     

TC4-DT钛合金材料动态力学性能及其本构模型

利用同步组装的高温分离式Hopkinson压杆试验装置,对TC4-DT钛合金材料分别进行了常温下不同应变率（930~9700s-1）和应变率为5000s-1时不同温度下（20~800℃）的动态力学性能测试,获得了各种冲击载荷下的应力-应变曲线。试验数据表明,TC4-DT材料具有应变率增塑效应且存在着临界应变率值,当应变率高于此值时应变率敏感性增强明显,此外随着材料加热温度的升高,软化效应减弱。利用试验所得的数据拟合了基于Power-Law和Johnson-Cook两种热-黏塑性本构方程且获得这两种动态本构模型参数,并将所得的两种拟合曲线与试验所得数据进行对比分析,结果表明两曲线吻合度都较好,此外还对这两种曲线的拟合精度进行对比,对比结果表明两种模型的拟合误差相差不大,但是Power-Law模型拟合精度要略优于Johnson-Cook模型的拟合精度。     

高速切削钛合金Ti6Al4V切屑的形成及其数值模拟

应用Hopkinson压杆实验装置,确定了航空用钛合金Ti6Al4V高应变和高温条件下的应力-应变关系,结合Ti6Al4V合金准静态试验数据,建立了适合高速切削仿真的Johnson-Cook本构模型;通过有限元数值模拟,仿真了高速切削Ti6Al4V合金的锯齿状切屑形成过程,分析了整个锯齿状切屑形成过程的切削力、切削温度、等效塑性应变的变化,深入探讨了锯齿状切屑的形成机理;将模拟计算得到的切削力和切削温度与试验结果进行了比较,两者具有较好的一致性。
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Finite elastic and plastic deformations of pulse loaded structures by an extended mode technique

A scheme for estimating maximum transient and permanent deflections of a pulse-loaded structure is outlined and applied to fully clamped beams of mild steel, titanium alloy 6Al-4V, and aluminum alloys 7075-T6 and 6061-T651. The method makes use of concepts of the mode approximation technique[1] and extends previously proposed schemes[2, 3]. Comparisons are made with deflections measured in tests[4–6] as well as with predictions from rigid-plastic mode analyses and from numerical solutions.     

平头弹撞击角度对2A12-T4铝合金板失效特性影响的数值模拟

利用有限元软件ABAQUS建立模拟模型,开展38CrSi钢弹体撞击2A12-T4铝合金板数值模拟研究,分析撞击过程中弹体撞击角度对弹道姿态及靶体失效特性的影响。基于数值仿真和实验结果,分析靶体的失效特性,确立不同撞击条件下靶体主要失效模式的转变规律,以及由此对靶体抗撞击性能的影响。研究结果表明：弹体的弹道极限速度随其撞击角度的增大先减小后增大,弹道极限速度在撞击角度约为15°时达到最小值;弹体撞击角度对靶体失效模式存在很大影响,随着弹体撞击角度的增大,靶体主要失效模式由剪切破坏逐渐过渡到撕裂破坏,靶体的撕裂程度不断加剧;弹体初始撞击角度和速度对其在撞击过程中的弹道姿态存在影响,在弹道极限速度附近表现尤为显著。     

Thermo-mechanical finite element model of friction stir welding of dissimilar alloys

A thermo-mechanical finite element model is developed based on Coupled Eulerian Lagrangian method to simulate the friction stir welding of dissimilar Al6061-T6 and Al5083-O aluminum alloys using different tool pin profiles. The model is validated using published measured temperatures and weld microstructure. The finite element results show that maximum temperatures at the weld joint were below the materials’ melting point. Placing the harder alloy (Al6061-T6) at advancing side led to a decrease in maximum process temperature and strain rate, but increased tool reaction loads. Featured tool pin produced better material mixing resulting in enhanced joint quality with reduced volumetric defects.