基于反求法的7055铝合金Johnson-Cook本构模型研究

为建立满足7055铝合金高速切削有限元模拟的本构模型,基于准静态拉伸实验和分离式霍普金森压杆(SHPB)动态冲击实验,采用变量分离和非线性拟合得出7055铝合金的初始Johnson-Cook(J-C)本构方程;结合高速铣削实验,基于Oxley切削模型的反求法对初始本构方程参数进行修正,建立7055航空用高强铝合金高温、大应变、高应变率材料本构模型。利用ABAQUS软件和获得的J-C本构方程建立7055高速切削有限元模型。有限元模拟的主切削力与实验结果相差较小,表明所建立的J-C本构方程能较好地应用于高速切削模拟。     

TC4钛合金动态本构模型与高速切削有限元模拟

利用SHPB实验装置,测试TC4钛合金在20～600℃、应变率为103～104s-1下的流动应力和应变的关系,应用自适应遗传算法(GA)优化建立适合高速切削模拟的Johnson-Cook(JC)热粘塑性本构模型,该模型可在较高温度和较宽应变率范围内精确预测TC4的流动应力。以所建的Johnson-Cook模型为材料本构模型,应用大型商用有限元软件ABAQUS,并使用切屑分离准则,建立高速正交切削有限元模型。将模拟结果与高速正交车削的实验数据进行比较,证实本构模型和有限元模拟的正确性。     

基于巴格利修正的膏体推进剂本构方程

在膏体推进剂本构方程测定拟合过程中,引入巴格利(Bagley)修正方法,根据巴格利修正参数进行误差修正重新拟合本构方程,用于减小膏体推进剂粘度带来的实验误差。引入的巴格利修正方法将拟合得到的带有8%左右误差值的本构方程修正减小到误差2%,由求得的本构方程得到的函数曲线与实验测量值吻合较好。结果表明,巴格利误差修正方法效果明显,在一定程度上提高了膏体推进剂本构方程的精度。     

刀具形状及工艺参数对模具钢NAK80高速切削过程的影响

通过建立等效二维高速切削有限元模型,对影响模具钢NAK80切削过程的因素进行研究。通过Johnson-Cook材料本构方程描述材料特性,切屑的分离采用基于断裂力学的几何—物理分离准则,用修正的库伦摩擦定律表征前刀面与工件的接触状态。对不同刀具前角、切削速度、切削深度下的高速切削过程进行仿真,分析不同参数下切屑形态、切削力与切削温度的变化情况。结果表明,合理的选择刀具前角、切削速度与切削深度,可以优化切屑形态,降低切削力与切削温度,对切削过程的优化具有一定的指导意义。     

TC4合金切削有限元模拟动态本构模型的建立

用多元函数的下山单纯形法对切削实验所得Johnson-Cook模型中的5个参数进行优化,并应用大型商用有限元软件Marc,建立高速切削有限元模型,通过有限元迭代分析,得到较高精度的高速切削Johnson-Cook本构方程,经验证,该本构方程可以大大提高模拟计算的精度。     

炸药切削过程中切削力的数值模拟方法研究

PBX炸药在武器中有广泛的应用，由于其钝感性，可以通过机械加工的手段将其加工成所需形状；但是，从保证炸药车削加工安全的角度出发，研究炸药切削加工过程中力的大小与分布十分重要，本文根据PBX炸药材料的力学性能实验和切削实验的结果，采用有限元显式侵彻算法，研究适合炸药材料特点的弹塑性本构关系和等效应力的失效准则，模拟炸药切削过程；利用干切实验的结果，对数值模拟模型进行了修正和完善，切削合力的计算曲线与实验结果比较接近，随不同切削参数的变化趋势与实验基本一致，从而证明了此模拟方法是可行的。     

介观尺度切削过程的材料本构关系分析

应用应变梯度理论,建立了考虑尺度效应的介观切削材料本构关系;应用建立的本构关系对于不同切削条件时材料的应力-应变关系进行了分析研究。研究表明:随着切削厚度的增加,材料力学性能曲线逐渐向宏观Johnson-Cook(JC)模型靠近;当前角增大时,剪切角随之增大,材料内部的应力加大,材料的尺度效应越明显,因此适当增大刀具前角有利于介观尺度切削;切削刃半径对材料性能的影响比较明显,随着切削刃半径的减小,材料性能的尺度效应逐渐显著,要实现介观尺度切削,刀具切削刃半径必须极小。     

某型复合固体推进剂-40℃条件下准静态力学性能仿真

为了研究某型复合固体推进剂在低温（-40℃）时的准静态力学性能,采用有限元方法,对该复合固体推进剂低速单轴拉伸实验进行了简化和仿真。根据实验数据拟合朱王唐非线性黏弹性本构方程各未知参量,计算过程中采用修正Newton迭代法结合加速收敛技术来解决大变形问题。将仿真结果与实验结果进行对比后表明：二者吻合较好;通过数学方法修正朱王唐非线性黏弹性本构方程,可表征低温下复合固体推进剂的准静态力学性能,为进一步研究低温下复合固体推进剂的动态黏弹特性提供了依据。     

Gleeble3500热模拟试验构建本构方程的速率及温度修正研究

利用Gleeble3500热模拟试验机进行材料的高速(应变速率大于1 s-1)试验时,由于采用的stroke模式导致速率偏离目标速率以及塑性功转化热在短时间内散发不出去,使试样温度偏离设置温度、材料变形偏离目标变形条件。为构建材料真实变形条件下的本构方程,通过分析速率及温升与应变之间的关系,在传统本构方程的基础上构建了带有速率修正和温度弹跳的本构方程模型。结果表明,修正后的本构方程具有较高的预测精度。     

Lode参数对Taylor撞击数值仿真的影响

通过光滑试样及缺口试样单向拉伸等基本材性试验标定本构模型与断裂准则参数。断裂准则分别采用修正JC断裂准则以及洛德角相关断裂准则,将两种断裂准则嵌入到Taylor数值仿真有限元程序,将断裂准则的预测结果与试验结果进行对比,校验断裂准则的有效性。结果表明:LODE裂准则预报的杆弹延性明显过高。     

某爆炸分离装置分离过程仿真研究与设计改进

爆炸分离装置分离过程仿真需考虑材料破坏过程,将材料本构关系由弹塑性扩展至渐进式损伤断裂模型.为了模拟爆炸分离过程中各组件损伤破坏进程,首先将金属材料动态损伤本构引入Abaqus有限元分析平台,然后建立爆炸分离装置有限元分析模型,开展爆炸分离过程中各组件损伤破坏进程的精确模拟,复现地面试验情况,确定设计薄弱环节,预示结果...     

长杆弹侵彻过程中弹靶材料本构参数对侵彻计算的影响规律及其优化

利用材料动静态力学性能实验结果拟合出的Johnson-cook本构方程,在应用于侵彻问题研究时需要做进一步的校正和优化。基于现有侵彻实验结果和经验证较准确的材料本构方程,对弹靶材料均为4340钢时杆弹垂直侵彻半无限靶板进行系列数值仿真研究和初步的理论分析,得到各本构参数对侵彻计算结果特别是最大侵彻深度的影响规律。研究表明:除参数A外,其他4个参数与弹体的最大侵彻深度之间分别呈线性关系;材料的应变率硬化因子C、温度软化因子m和应变硬化指数n对弹体最大侵彻深度影响远小于参数A和B;相对于参数B与n,参数A的实验测量误差相对较小;在参数的校正和优化过程中,注意对参数A和B、n进行调节,特别是参数B的优化。给出各参数与弹体最大侵彻深度的内在联系表达式,并对实验中的4340钢进行校正和优化。计算表明,利用优化后的本构参数所得到的侵彻结果更加准确。     

推进剂高应变率力学行为与数值仿真方法研究

为了获得推进剂在不同应变率下的力学特性,利用万能材料试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术,对推进剂进行了10-3～103s-1应变率的单轴压缩试验。结果表明,推进剂存在明显的应变率效应。采用朱王唐(ZWT)本构描述推进剂的力学行为,通过最小二乘法得到本构方程的系数,然后把得到的数据应用在数值模拟中,通过数值仿真与实验对比,实验证明通过仿真能够较好的描述推进剂在小应变下的高应变率力学特性。     

一级气体炮内弹道方程修正及仿真验证

根据一级气体炮的工作原理和特点,分析了现有一级气体炮内弹道方程存在的问题及原因,指出在一级气体炮内弹道计算时,气室容积和气室形状不能忽略。根据火炮内弹道计算,引入气室扩大系数与弹丸相对行程,重新推导虚拟质量系数中气体运动功修正项,并与理想气体状态方程、热力学基本方程、弹丸运动方程等联立推导出一种一级气体炮内弹道修正方程(修正方程2),将该修正方程与气体炮内弹道经典方程以及一种基于密度修正的气体炮内弹道修正方程(修正方程1)对比,并通过流体仿真软件FLUENT进行仿真验证。结果表明:3种方程在容积较小且气体工质分子质量较小时偏差很小;修正方程2与仿真结果基本相符,适用范围不受气室结构和气体工质的影响,验证了修正方程2的正确性和适用性。     

单晶SiC微切削机理分子动力学建模与仿真研究

单晶SiC硬度高、脆性大,加工困难,在塑性域加工时处于纳米尺度才可明显改善表面质量、获得高的精度。而单晶SiC的切削机理研究使用有限元和实验方法,无法获得时间尺度在飞秒或皮秒下材料发生的变化。为此,采用分子动力学模拟方法,对单晶3C-SiC切削过程进行了建模和仿真,分析了在不同切削速度、切削深度下切削力的变化。研究结果表明：切削速度为50 m/s、100 m/s和200 m/s时对应的平均切向切削力为737.34 nN、635.29 nN和587.09 nN,单晶SiC表面采用合适的切削速度能减小切削过程的切削力。     

浇注PBX替代材料的准静态压缩力学行为及本构模型标定

为研究高聚物粘结炸药（PBX）的准静态压缩行为,对两种典型配方（含铝粉与否）的浇注PBX替代材料在不同应变率下进行单轴准静态压缩试验,并对其力学性能进行了对比分析。同时基于朱-王-唐（ZWT）模型提出一种新模型来描述材料的准静态压缩行为,通过遗传算法获取本构模型参数,并使用Fortran语言在Abaqus有限元软件的用户材料子程序（UMAT）接口中进行本构模型的建立。结果表明：浇注PBX替代材料的准静态压缩过程可分为弹性压缩、应力衰减以及失稳破坏3个阶段;准静态压缩力学行为与应变率有明显的相关性,随着应变率的提高,材料的有效压缩应变基本不变,而压缩模量、屈服强度和压缩强度的对数与应变率对数近似呈现出线性关系;铝粉的加入使浇注PBX替代材料压缩模量、屈服强度和压缩强度均有所提升。新构建的本构模型能较好描述浇注PBX替代材料的准静态压缩行为,使用有限元软件对本构模型普适性进行验证,得到仿真计算结果与试验结果间可决系数R2均大于0.98,吻合程度较高。     

7055铝合金薄板件时效应力松弛成形有限元模拟

分析等厚薄板件的弯曲时效应力松弛成形过程,通过应力松弛拉伸试验确定7055T7751铝合金在182℃下的应力松弛本构方程,应用有限元方法对该铝合金等厚薄板件的单曲率弯曲时效应力松弛成形过程进行模拟计算,分析薄板件在成形过程中应力和应变的变化情况,最后通过对比薄板件弯曲回弹的试验结果和模拟结果,说明利用该本构方程建立的有限元模型对回弹的预测有效。     

7055铝合金薄板件时效应力松弛成形有限元模拟

分析等厚薄板件的弯曲时效应力松弛成形过程,通过应力松弛拉伸试验确定7055T7751铝合金在182 ℃下的应力松弛本构方程,应用有限元方法对该铝合金等厚薄板件的单曲率弯曲时效应力松弛成形过程进行模拟计算,分析薄板件在成形过程中应力和应变的变化情况,最后通过对比薄板件弯曲回弹的试验结果和模拟结果,说明利用该本构方程建立的有限元模型对回弹的预测有效。     

爆炸载荷冲击下假人下肢的材料参数识别和修正方法

为提高假人在爆炸载荷冲击下的模拟精度,以高速垂向冲击下假人下肢材料本构参数校验寻优为目标,基于爆炸载荷冲击波作用于车身结构产生的结构响应特性,确定模拟爆炸载荷冲击台架的冲击速度。设置不同的冲击速度进行假人下肢冲击实验,获取下肢的冲击力-时间曲线。对下肢的重要材料参数进行实验设计并获取仿真下肢胫骨力峰值,以仿真数据与实验数据误差最小化为目标进行下肢材料参数寻优。通过台架实验与有限元数值仿真校验对材料参数进行优化,得到下肢各组件之间材料本构模型参数的最佳匹配。结果表明：假人下肢模型材料参数优化后的仿真结果与实验结果一致性较好,可为高速垂向冲击下假人下肢材料模型修正提供技术支持。     

基于Johnson-Cook本构模型的高强度装甲钢动态力学性能参数标定及验证

具有高屈服强度的某装甲钢广泛应用于我国装甲车辆。为准确模拟该装甲钢的动态力学行为,开展基于Johnson-Cook（J-C）本构模型的动态本构参数标定及验证。采用万能材料试验机对该装甲钢进行不同温度下的准静态拉伸试验,同时采用分离式霍普金森压杆开展不同应变率下的压缩性能测试。基于实验数据和J-C本构模型,拟合得到该装甲钢的本构参数。基于轻气炮开展泡沫铝弹丸冲击均质梁的实验研究,分别采用J-C本构模型和理想弹塑性模型进行有限元仿真计算,并将冲击实验与数值结果进行对比分析。结果表明：该装甲钢具有应变率强化效应,且温度软化效应显著;采用J-C本构模型仿真的均质梁峰值挠度与试验结果的相对误差为1.7%~6.1%,残余挠度相对误差为0.6%~7.6%。