应力状态在球形弹丸撞击6061-T6铝薄靶弹道行为数值预报的作用

针对部分金属材料延性断裂、应力三轴度及Lode参数同时相关问题,将两个含Lode参数影响的断裂准则写入有限元程序ABAQUS,用于1.6 mm厚6061-T6铝合金靶板在7.9 mm直径球形弹丸撞击下断裂行为及弹道极限数值预报。为揭示应力状态影响,用两种不考虑Lode参数影响的断裂准则进行有限元计算,并与试验对比。结果表明,引入Lode参数可提升6061-T6铝合金靶板断裂行为及抗侵彻性能的数值预报效果。     

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。     

含屈服段本构模型和断裂准则对Q355B钢靶板侵彻预报的影响

为校验考虑屈服阶段的本构模型和Lode相关断裂准则的有效性,在一级轻气炮上开展了直径为5.95 mm的平头钢性弹侵彻4 mm厚Q355B钢靶板试验,获得了弹体贯穿靶板的断裂行为和弹道极限。并开展了平面应变和扭转试验,标定了Lode无关MJC断裂准则和Lode相关ASCE断裂准则参数。在ABAQUS软件中对打靶试验建立三维有限元模型,对靶板的断裂行为进行研究,验证了考虑屈服阶段MxJ-C-Q本构模型和ASCE断裂准则的有效性,并探讨了Lode参数对Q355B钢的变形和断裂的影响。结果表明,采用MJC断裂准则预报高估了断裂应变其弹道极限比试验值高约38.36%;而采用Lode相关ASCE断裂准则预报的弹道极限、剩余速度以及断裂行为,与试验结果吻合较好。     

7050-T7351铝合金力学性能测试及本构模型研究

为分析7050-T7351铝合金的应力流动行为和塑性变形情况，对该铝合金进行了不同应变率和温度下的力学性能测试，通过测试结果标定了Johnson-Cook(JC)、Hartley-Srinivasan(HS)和Swift本构模型。利用ABAQUS有限元软件建立有限元模型进行仿真分析，根据计算结果对JC本构模型给予修正，最终得到Modified Johnson-Cook(MJC)本构模型。将JC的应变率和温度项乘子与HS和Swift模型耦合，然后进行Taylor杆撞击测试以及相应的有限元计算，验证三种本构模型的有效性。结果表明：JC模型高估了7050-T7351铝合金的应力流动行为，而MJC本构模型预测的结果与试验有很好的一致性，HS和Swift模型均能较好地反映该材料在准静态下的应力流动行为。此外，MJC模型可以很好地预测Taylor杆的塑性变形，而将JC的应变率和温度项乘子与HS和Swift模型耦合后的修正模型对Taylor杆变形情况的预测精度相对较差。     

7A04-T6高强铝合金板对平头杆弹抗侵彻行为的试验与数值模拟研究

为了解高强铝合金对动能杆的抗侵彻性能,在一级轻气炮上开展了直径5.98 mm的平头刚性弹侵彻6mm厚7A04-T6铝合金靶板的打靶试验,撞击速度范围为73.9~446.5 m/s。获得了弹体贯穿靶板后的剩余速度以及靶板的断裂行为,通过拟合初始-剩余速度数据得到了弹道极限。同时,在ABAQUS/Explicit中建立了三维有限元模型对打靶试验进行了数值计算,7A04-T6的力学行为通过Johnson-Cook本构模型和修正的Johnson-Cook断裂准则描述。试验结果表明,7A04-T6高强铝合金靶板在平头弹撞击下发生剪切冲塞,塞块表面有明显裂纹产生,弹道极限为156.0 m/s,剪切冲塞可在撞击速度不低于约0.90倍弹道极限时形成。数值仿真发现,有限元计算可成功再现靶板的剪切冲塞及冲塞表面的断裂;预报的弹道极限为168.8 m/s,比试验结果高约9%;撞击速度不低于0.92倍弹道极限时靶板发生剪切冲塞破坏,与试验结果十分接近。     

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。     

高强38CrSi钢力学性能测试及本构关系研究

使用万能材料试验机、霍普金森拉杆(SHTB)和Taylor杆撞击试验研究了淬火加中温回火处理的高强38CrSi钢在常温～700℃的准静态、动态力学性能。基于试验数据,对Johnson-Cook(J-C)本构模型中的温度软化项做了轻微修改。结合Taylor杆撞击试验反算,得到了修改的J-C本构相关参数和Cockroft-Latham(C-L)断裂准则的模型参数。通过对高速下Taylor杆撞击试验中弹体变形和断裂的数值仿真与试验结果的比较,验证了模型及参数对预测高强38CrSi钢动态大变形和断裂的有效性。     

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。     

基于GISSMO断裂准则的6016铝合金断裂行为研究

目的 研究零部件在成形与碰撞过程中,6016铝合金在不同应力状态下的断裂行为。方法 通过准静态拉伸实验,获得了6016铝合金的基本力学性能。利用Nakajima成形极限实验,获得了6016铝合金材料的断裂成形极限曲线。设计了7种涵盖成形及碰撞过程中应力状态的断裂极限测试试样,采用数字图像相关技术(DIC)记录了试样在变形过程中的全场应变。利用实验-有限元反求方法标定了6016铝合金的GISSMO断裂准则的参数,并用帽形件三点弯曲实验验证了模型的合理性。结果 相比于传统断裂成形极限图的预测结果,基于GISSMO断裂准则的仿真结果与实验具有更好的一致性。结论 所建立的GISSMO模型可以用于预测6016铝合金在复杂应力状态下的断裂行为。     

基于J-C模型的45钢本构参数识别及验证

使用万能材料试验机、霍普金森拉杆(SHTB)和Taylor撞击试验研究了调质处理的45钢在常温～1 000℃、应变率10~(-4)～10~3 s~(-1)下的力学行为。拟合试验数据,结合Taylor撞击试验反算,得到了J-C本构相关参数和C-L断裂准则的模型参数。通过对高速下Taylor撞击试验中弹体变形和断裂的数值仿真与试验结果的比较,验证了模型及参数对预测调质处理的45钢动态大变形和断裂的有效性。     

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。     

Q235B钢Johnson-Cook模型参数的确定

使用万能材料试验机、扭转试验机和霍普金森拉杆装置研究了Q235B钢在常温~950℃的准静态、动态力学性能,获得了Q235B强度与等效塑性应变,应变率和温度的关系以及延性与应力三轴度,应变率和温度的关系。基于实验结果,修改了Johnson-Cook(J-C)强度模型中的应变强化项以及Johnson-Cook失效模型中的温度软化项,并结合数值仿真标定了相关模型参数。最后通过Taylor撞击试验验证了模型参数的有效性。     

5182-O铝合金塑性成形性能表征

目的 结合复杂加载状态试验、塑性和损伤断裂本构模型及有限元应用,实现AA5182-O铝合金在复杂加载状态下塑性变形和损伤断裂行为的精确表征。方法 通过拉伸、剪切等试验,研究5182-O在剪切、单向拉伸、平面应变拉伸等复杂应力状态下的力学性能,应用pDrucker方程来表征其复杂加载状态下的塑性变形和损伤断裂特性。采用逆向工程方法实现pDrucker屈服方程和pDrucker断裂准则的精确标定。将标定后的塑性本构模型和损伤断裂准则应用到ABAQUS/Explicit中,预测不同试件的塑性变形和损伤断裂情况。结果 通过有限元模拟与试验结果的对比,发现有限元仿真准确预测了5182-O在复杂加载状态下的力-位移曲线和损伤断裂情况。结论 有限元模拟与试验结果的对比表明,pDrucker方程可以实现5182-O铝合金在复杂加载状态下塑性成形性能的精确表征。标定的pDrucker方程可应用于5182-O冲压成形过程的有限元分析、模具设计和工艺优化中。     

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。     

高强铝合金角形短柱轴压局部屈曲行为研究

为研究高强铝合金角形轴压短柱的局部屈曲行为，对9个由701-T6和703-T6两种高强铝合金材料制作的角形短柱试件开展了轴压试验，试验结果表明：试件的局部屈曲均发生在材料屈服之前，呈一阶特征值屈曲模态。对所有试件进行了有限元建模计算，将有限元模拟结果与试验结果进行了对比验证，并采用验证后的模型进行了参数分析，研究了板件宽厚比对局部稳定性能的影响，板件宽厚比越大，局部屈曲发生越早。将试验与有限元模拟结果与我国现行标准的计算结果进行了对比，发现现行标准中的局部稳定设计公式计算得到的承载力偏低，用于工程设计中尽管能保证安全性，但无法发挥高强铝合金本身的性能优势。因此，在现行标准设计公式的基础上进行了修正，修正后的设计方法能更准确地计算构件承载力，在保证可靠性的前提下更充分地利用材料强度。     

基于微观机理的梁柱节点焊接细节断裂分析

为预测钢结构焊接节点在地震作用下的延性断裂,开展了微观机理断裂模型的标定和验证工作。空穴扩张模型VGM和应力修正临界应变模型SMCS,将延性断裂的微观机理(空穴形核、扩张和聚合)与宏观的应力-应变场结合了起来。利用已有的缺口圆棒拉伸试验,辅以有限元分析,标定了Q345钢材母材、焊缝和热影响区3种材料的VGM和SMCS模型参数。进行了7个梁柱节点局部焊接试件的拉伸试验,测得了试件的断裂伸长量。建立了试件的精细实体有限元模型,分别采用断裂力学J积分方法和VGM、SMCS模型预测试件的断裂伸长量,并与试验结果进行比较。结果表明,VGM和SMCS模型预测焊接节点延性启裂的准确性较好,而J积分方法过于保守。该文为钢结构焊接节点的延性断裂预测提供了一种仅依赖于材料属性的普适性方法。     

时效工艺对6061铝合金力学性能各向异性的影响及微观组织研究

采用单向拉伸试验研究了经不同时效工艺处理的6061铝合金轧制板材在轧制方向(0°)、倾斜方向(45°)和横向(90°)的力学性能各向异性.实验结果表明,轧制态6061铝合金的力学性能与热处理工艺密切相关,且表现出明显的各向异性.其中T6态6061铝合金力学性能各向异性最不明显.轧制态6061-T6铝合金有较强的立方织构{001}〈100〉和较弱的织构成分{001}〈100〉,目前采用的人工时效方法对其晶粒的显微组织和织构演化的影响不大.相对于经其他工艺处理的轧制态6061铝合金,经240℃高温时效处理的轧制态6061-T6铝合金位错密度大,且分布更均匀.轧制态6061-T6铝合金中明显的高密度β″析出物是其具备最高强度和最低各向异性的主要原因.     

考虑罗德角参数的钢材薄板延性断裂标定方法

在钢结构中钢梁腹板的断裂表现出很强的剪切断裂特征,因此在预测其断裂行为时除了考虑应力三轴度以外,还应考虑与剪切状态有关的罗德角参数的影响。该文提出了一种适用于钢材薄板延性断裂预测的标定方法。共设计了5组试件,分别为平板试件、开孔平板、开槽平板、90°剪切平板和45°剪切平板。利用平板试件和停机平板试件单向拉伸试验,结合有限元反演得到钢材的全过程真实应力-应变曲线。然后将其代入各试件有限元模型进行计算,标定出各试件对应的等效断裂应变、平均应力三轴度和平均罗德角参数。最后利用Matlab优化工具箱对断裂模型进行优化拟合,确定模型中的各项待定参数。     

三维自由弯曲技术及变形区长度优化数值模拟研究

目的 开展自由弯曲变形区长度优化研究,获得外径为15 mm、壁厚为2 mm的6061-T6铝合金管材的最优A值。方法 从三维自由弯曲成形技术的基本原理及控制程序入手,基于有限元分析方法,利用ABAQUS仿真软件对管材三维自由弯曲成形过程进行数值模拟,研究成形过程中管材弯曲变形区的受力过程变化,分析变形区长度(A)对弯曲成形结果的影响规律。基于最优的变形区长度,对制冷系统管路中的6061-T6铝合金复杂空间弯曲构件进行仿真模拟及实际成形试验。结果 试验成形构件尺寸与模拟成形构件尺寸相近且均接近设计尺寸,试验成形构件最大壁厚减薄率不超过9%,最大截面畸变率不超过5%,具有较好的成形质量。结论 目标构件的有限元模拟及成形试验验证了变形区长度优化结果的准确性。     

基于韧性准则的金属板料冲压成形断裂模拟

该文基于Rice-Tracey韧性失效准则,探索金属板料冲压成形的断裂数值模拟方法。首先设计两种试验,并结合有限元分析结果确定双相钢板料的材料失效参数;然后,基于Abaqus软件的显式模块Explicit,编写采用Rice-Tracey韧性失效准则的用户自定义材料子程序VUMAT;最后对双相钢薄板深拉成形过程中的断裂行为进行数值模拟,并进行了试验验证。结果表明,数值模拟结果与试验结果吻合较好。可见,Rice-Tracey韧性准则可用于金属板料冲压成形的断裂预测。