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。     

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。     

6061-T651铝合金动态力学性能及J-C本构模型的修正

为合理描述6061-T651铝合金的应力流动行为,利用万能材料试验机和霍普金森压杆,分别进行准静态、高温和高应变率下的材料力学性能测试,获得材料在不同条件下的应力应变曲线。基于试验结果,修正Johnson-Cook本构模型得到MJC(Modified Johnson-Cook)模型,并标定MJC模型各项参数。为校验MJC模型及参数的有效性,利用一级气炮发射直径为5.95 mm的圆柱弹体冲击刚性靶的Taylor杆试验以及直径为12.68 mm的刚性弹撞击厚度为2 mm靶板的试验。最后,采用ABAQUS/Explicit有限元软件建立Taylor杆和弹靶冲击试验的三维模型,基于MJC本构模型进行Taylor杆冲击、以及结合MMC(Modified Mohr-Coulomb)断裂准则进行弹靶冲击的数值模拟计算。研究结果表明,修正的MJC本构模型能够有效地描述6061-T651铝合金材料在大应变、高应变率和高温下材料的应力流动行为和变形行为。     

7075铝合金动态试验及其本构关系研究

以7075-T651铝合金为试验对象,应用SHPB技术,结合理论分析,研究了温度和应变率对材料动态力学性能的影响;根据准静态、常温和高温等三种条件下动态试验数据拟合得出了材料的动态本构方程,为航空产品设计和制造过程材料力学性能模型的建立提供了有益参考。     

不同成形工艺对7050铝合金壁板试验件拉伸性能的影响研究

为探究采用数控成形、机加+轧压、机加+轧压+去应力退火三种不同成形工艺将7050-T7451铝合金板材呈10°弯曲成形情况下对拉伸性能的影响，通过静力拉伸试验研究了三种情况下7050铝合金板材在沿轧制方向(0°)和垂直于轧制方向(90°)的力学性能差异，并进行了金相观察。试验结果表明，数控成形下得到的型材屈服强度最高，90°方向的流体应力略低于0°方向的流体应力，其最大破坏载荷、抗拉强度和断后伸长率未表现出明显的差异性。三种不同成形工艺下的7050铝合金板材对其晶粒尺寸的影响较小。     

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。     

基于J-C本构模型的7050铝合金二维切削仿真

采用准确的材料本构模型是建立正确的有限元仿真模型的关键,为了获得面向金属切削加工过程有限元仿真中的J-C本构模型参数,以7050-T7451铝合金为例,对比分析了文献中典型的十二组J-C本构模型参数,利用通用有限元仿真软件ABAQUS进行二维直角切削仿真,并将仿真结果和实验值进行了比较分析,以切削力和切屑厚度为衡量标准推选出了一组最优的7050铝合金J-C本构模型参数,为7050铝合金切削研究中材料本构模型参数的选择提供参考。     

细晶T2纯铜动态力学性能及本构模型

晶粒大小是影响多晶金属材料力学性能的重要因素之一,研究细晶T2纯铜在高温、高应变率下的动态力学性能并建立其本构模型对切削加工有着重要意义。通过电子力能测试仪进行T2纯铜试样准静态压缩试验,并利用霍普金森压杆装置完成了不同应变率和不同温度的动态压缩试验。试验结果表明,纯铜材料具有明显的应变强化效应和温度软化效应,其动态压缩下的强度高于准静态压缩,但在高应变率区域内,并无明显的应变率强化效应。基于Johnson-Cook本构模型得到了细晶T2纯铜本构方程参数,拟合曲线与试验结果吻合较好。     

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。     

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。     

温度对橡胶隔振器刚度阻尼特性的影响

在不同温度( 20~80 ℃ )下对橡胶材料进行了单轴静态拉伸试验与动态频率扫描试验,分析了应力应变关系、储能模量及损耗模量随温度的变化规律,拟合获得了不同温度下表征橡胶力学性能的超弹性和粘弹性本构模型参数。对某倒 V 形橡胶隔振器进行了不同温度本构参数下的静态与动态仿真,结果表明,温度对橡胶隔振器力学性能有较大影响,研究结果可为橡胶隔振器的工程应用提供参考。     

汽车用金属板材的材料动态响应与断裂性能研究

随着环保意识与能源危机加速的影响，汽车轻量化技术得以发展，但仍需以保证汽车被动安全性能为前提。基于汽车碰撞过程的高应变速率和大变形特点，针对于汽车安全构件用材，详细介绍了多应变速率下的拉伸试验、断裂试验和零部件试验。结合仿真分析技术，以汽车用金属板材为对象，从力学性能及断裂性能两方面，对汽车碰撞过程中的材料动态响应及断裂行为进行表征，完整地介绍金属材料断裂模型的建立及应用过程，为汽车碰撞安全领域精准材料模型的建立提供参考。以目前广泛用于安全构建的热成形材料为例，通过上述试验获得材料在不同状态的力学性能数据，通过数据处理及仿真分析，建立动态材料断裂失效分析模型，并用于实际零件的失效仿真模拟，准确预测了零件的断裂行为，验证了本方法的适用性。     

Analytical prediction of cutting forces in orthogonal cutting using unequal division shear-zone model

This paper presents an analytical method based on the unequal division shear-zone model to study the machining predictive theory. The proposed model only requires workpiece material properties and cutting conditions to predict the cutting forces during the orthogonal cutting process. In the shear zone, the material constitutive relationship is described by Johnson?CCook model, and the material characteristics such as strain rate sensitivity, strain hardening, and thermal softening are considered. The chip formation is supposed to occur mainly by shearing within the primary shear zone. The governing equations of chip flow through the primary shear zone are established by introducing a piecewise power law distribution assumption of the shear strain rate. The cutting forces are calculated for different machining conditions and flow stress data. Prediction results were compared with the orthogonal cutting test data from the available literature and found in reasonable agreement. In addition, an analysis of the deviation from experimental data for the proposed model is performed, the effects of cutting parameters and tool geometry were investigated.     

J-C本构模型参数对ZL109硅铝合金切削仿真的影响规律

在进行有限元仿真过程中,材料的J-C本构模型发挥着重要的作用。通过力学实验得出的J-C本构模型,往往需要修正才能更好地描述材料的物理力学性能。在对ZL109硅铝合金进行的有限元仿真的基础上,研究J-C本构模型参数的变化对于仿真结果的影响规律,从而为本构模型的研究提供参考性建议。仿真中所用ZL109硅铝合金采用随温度变化的物理力学性能参数,刀具选用目前应用广泛的PCD刀具。通过仿真数据发现:切削力、切削温度主要受J-C本构模型参数中温度软化系数m和应变强化系数B的影响;切屑形态和工件表面残余应力主要受J-C本构模型参数中屈服强度A、应变强化系数B和n的影响。     

A modified micromechanical approach to determine flow stress of work materials experiencing complex deformation histories in manufacturing processes

Work materials experience a broad range of strains, strain rates, and temperatures in many manufacturing processes such as machining, forming, etc. Strain rate has an important effect on the yield and flow stress of work materials, especially metals, since at higher strain rates there is less time for thermally activated events; consequently, it is equivalent to a lowering of the temperature of the materials. On the other hand, it is also true that, for high strain rate deformations such as metal cutting, adiabatic plastic flow may produce significant temperature changes in the materials. Flow stress is significantly affected by the strain rate history; hence, mechanical behavior may not be fully described in terms of a mechanical equation of state relating the instantaneous stress, strain, strain rate, and temperature.Based on the concept of dislocation mechanics, a micromechanical approach with the new concept of temperature coefficient has been explored to overcome the model issues such as negative or constant flow stress above the critical temperatures. The flow stresses of aluminum 6061-T6 and titanium Ti-6Al-4V have been predicted, for the first time, using the modified micromechanical model based on the available baseline high strain rates test data. The constitutive model was further modified and extended to predict flow stress below as well as above the critical temperature. The corresponding model predictions were compared with the experimental data, attaining good agreement.     

基于包辛格效应的回弹仿真分析

金属材料在一个方向上的应变硬化降低了反方向的屈服强度,材料包辛格效应的存在对车身成形仿真精度产生了重要影响,尤其现今高强钢和铝合金的大量应用,使车身成形件的回弹问题日益突出,车身模具制造对有限元回弹预测的准确性提出更高的要求。为了提高回弹的仿真精度有必要对材料的包辛格效应进行研究,利用一套夹具对DC06和DP600两种材料的薄板进行拉伸压缩试验,获得不同预应变下的位移加载曲线,通过拉伸压缩试验结果与仿真结果的对比分析,得到能反映材料包辛格效应的非线性混合硬化模型材料参数。开展U形件成形试验,并建立试验的仿真模型,计算DC06和DP600薄板的U形件成形回弹量,分析等向强化、混合强化和随动强化本构模型对回弹预测精度的影响,针对回弹仿真结果和试验结果的差别,对影响仿真精度的材料模型因素进行分析。结果表明,DC06和DP600的包辛格效应大小存在差别,考虑包辛格效应有助于回弹仿真精度的提高,但小曲率弯曲成形回弹计算对材料本构模型的敏感性,限制了回弹仿真精度的提高。     

粉煤灰漂珠/聚氨酯复合泡沫铝材料压缩性能与本构关系研究

采用压力渗透法制备出了铝基复合泡沫材料,填充材料是以粉煤灰漂珠为主要组分、硬质聚氨酯泡沫为粘结剂的复合泡沫材料.通过准静态实验和分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)动态压缩的方法研究了复合泡沫铝的压缩力学响应,然后建立了动态本构关系.研究表明,复合泡沫铝的压缩应力-应变曲线与其它泡沫材料的应力-应变曲线类似,文中的两种铝基复合泡沫具有应变率效应,复合泡沫铝较密度相近未填充前的泡沫铝基具有更高的压缩强度与能量吸收能力.但由于漂珠尺寸的不同,导致两种复合泡沫铝的动态压缩结果不尽相同,且小颗粒复合泡沫铝在动态冲击下吸能效果最好.在本研究实验的应变率和密度范围内,本文建立的本构模型曲线与实验曲线吻合较好.     

粉煤灰漂珠/聚氨酯复合泡沫铝材料压缩性能与本构关系研究

采用压力渗透法制备出了铝基复合泡沫材料,填充材料是以粉煤灰漂珠为主要组分、硬质聚氨酯泡沫为粘结剂的复合泡沫材料.通过准静态实验和分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)动态压缩的方法研究了复合泡沫铝的压缩力学响应,然后建立了动态本构关系.研究表明,复合泡沫铝的压缩应力-应变曲线与其它泡沫材料的应力-应变曲线类似,文中的两种铝基复合泡沫具有应变率效应,复合泡沫铝较密度相近未填充前的泡沫铝基具有更高的压缩强度与能量吸收能力.但由于漂珠尺寸的不同,导致两种复合泡沫铝的动态压缩结果不尽相同,且小颗粒复合泡沫铝在动态冲击下吸能效果最好.在本研究实验的应变率和密度范围内,本文建立的本构模型曲线与实验曲线吻合较好.     

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。