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％.     

高强度结构钢材单调荷载作用下的本构模型研究

钢材在单调荷载作用下的本构模型是进行结构分析的基础。为了更为准确地计算高强钢结构响应和分析构件的受力性能,为工程设计人员应用高强钢提供参考,该文在总结已有试验研究、开展大量拉伸试验的基础上,更新了高强钢多折线本构模型的参数,以Ramberg-Osgood模型为基础标定了适用于高强钢的非线性本构模型。通过和试验数据的对比,证明非线性本构模型能够很好地模拟高强钢在单调荷载作用下的应力-应变关系。为了兼顾准确性和效率,该文还提出了修正的多折线本构模型,在反映高强钢非线性的材料性能的同时本构模型也相对简单。     

小变形条件下聚合物本构关系研究

通过两种工程塑料不同温度条件下的准静态和动态压缩试验,研究这两种工程塑料的应力应变特性。同时,为描述所研究聚合物在高温、高应变率下的应力-应变特性,基于Johnson-Cook本构模型,建立一种形式简洁、便于参数拟合的聚合物本构模型。分别利用聚甲醛和密胺树脂在准静态下和高应变率条件下的真应力-真应变曲线,对模型进行参数拟合和标定,结果表明:在高温、高应变率条件下,模型可以预测到5%应变以前的应力-应变关系,与聚合物力学性质符合率良好。     

780 MPa级CSP短流程双相钢动态性能本构模型

目的研究780 MPa级的短流程双相钢动态本构关系,建立能够准确描述材料的应变率敏感特性的本构模型。方法利用Zwick动态拉伸试验机和高速摄像应变测量系统,对该材料进行不同应变速率的拉伸试验,速率分别为0.001,0.01,0.1,1,10,100,500 s~(-1)。结果该材料具有明显的应变率效应,即强度随着应变率的升高而增加。基于Johnson-Cook、Zerilli-Armstrong和Khan-Huang模型对试验结果进行拟合,拟合优度分别为0.9736,0.9765,0.8926,对Khan-Huang模型进行修正后的拟合优度为0.9827。结论 JC和ZA模型可以直接准确表征材料本构关系,而KH模型需要修正后才能准确描述材料在高应变率下的本构关系。     

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。     

强动载荷下焊接钢板力学性能及本构模型研究

为研究强动载荷下船用焊接钢板的力学性能。开展了典型船用焊接钢板母材、焊缝和热影响区的准静态拉伸试验、高温拉伸试验及SHPB动态压缩试验,分析了焊接钢板材料在不同应力状态下的力学行为,基于力学性能试验结果拟合了焊接钢板母材、焊缝和热影响区材料的本构模型。结果表明:准静态条件下,与母材相比,焊缝和热影响区材料的屈服强度与抗拉强度偏大,延伸率偏小;高应变率下,热影响区材料抵抗塑性变形的能力明显强于其他两种材料,且随着应变率的增加抵抗塑性变形的能力呈增强趋势;焊接板母材、焊缝与热影响区材料均表现出应变率效应和温度效应;热影响区是焊接板抗冲击性能相对薄弱的区域。建立的Johnson-Cook模型可以描述强动载荷下焊接钢板的力学性能。     

NF709奥氏体耐热钢的热变形行为

目的获得NF709钢的热变形工艺参数。方法利用Gleeble3800热模拟试验机,在变形温度为930~1230℃、应变速率为0.01~10 s~(-1)、真应变为1.0的条件下,得到真应力-真应变曲线。依据流变应力曲线和相关热加工理论,建立材料的本构方程,分析试验钢的热变形特点。结果该试验钢在试验条件下的热变形激活能为424 kJ/mol,建立了试验钢在变形条件下的本构方程,回归出了动态再结晶临界应力和Z参数之间的关系方程。根据动态组织分析和相应的热加工条件,建立了试验钢的动态组织状态图,可以用来预测不同变形条件下的动态组织。建立了应变速率、温度和峰值应力之间的关系方程。结论在给定的变形温度或应变速率下,应变速率或变形温度对微观组织有显著影响。在1030~1230℃、应变速率为10 s~(-1)的条件下,试验钢在变形量较小时容易失稳,随着应变量增加,流变失稳消失。     

基于修正的Arrhennius方程钛合金高温本构方程研究

为了更准确地描述钛合金的高温变形行为,对Arrhennius方程进行修正得到钛合金高温本构方程.通过对一种新型钛合金在热模拟试验机上进行恒应变速率等温压缩实验,研究其在700~1 000℃、应变速率0.01~10 s-1条件下的热变形行为,分析了材料的真实应力-真实应变曲线.采用最小二乘拟合的数据回归处理,得到该钛合金在α+β双相区和β单相区的热变形激活能,并通过引入温度变量,获得了Arrhennius方程参数A随温度变化的函数关系,建立了该材料的高温流变应力本构方程.实验结果表明,随着变形增加,流变应力开始急剧增加,随后出现软化并趋于稳态,同时峰值应力对于温度和应变速率具有很强的敏感性.通过在Arrhenius方程中引入温度变量,有利于提高本构方程的准确性.     

20 A 钢热塑性变形的应力-应变本构模型研究

目的研究20A低碳钢在高温条件下的热变形行为及本构模型。方法采用Gleeble-1500型热模拟压缩试验,研究在不同变形温度及变形速率条件下,材料的真实应力-应变之间的关系。结果 20A钢属于对温度和应变速率都敏感的材料,其流变曲线呈现出周期性动态再结晶特征。结论通过对实验数据运用最小二乘法、多元线性回归方法及Arrhenius方程处理,得到了20A材料热变形本构模型为σ=8.8650ε0.1445ε·0.1283exp(3475.23/T),为20A钢塑性加工过程的控制及模拟提供了理论基础。     

X80管线钢的动态力学性能研究

为了研究高钢级管线钢X80的动态力学行为,利用分离式霍普金森压杆(简称SHPB)测量了X80钢在多种应变率(ε=500,1500,2500s-1)下的应变波形,用快速傅里叶变换对波形进行弥散修正,得到在不同应变率下的应力应变关系。基于实验获得的数据,对在有限元商业软件中广泛采用的Johnson-Cook动态强化模型进行拟合,得到X80钢在不同应变率下的Johnson-Cook本构模型的基本参数,计算结果与实验数据基本吻合。根据动态试验获得的数据而确定X80钢的动态本构关系,为研究X80钢高压埋地输气管道在各种冲击载荷作用下的动态响应提供了重要依据。     

三种建筑钢筋材料高应变率下拉伸力学性能研究

钢筋混凝土结构除承受静载荷外,在恐怖袭击、燃气管道爆炸等特殊情况下还会承受动态载荷的作用,因此,研究其组成材料之一的钢筋材料在动态载荷作用下的力学性能,对于研究钢筋混凝土结构整体在动态载荷作用下的力学响应有重要意义。该文首先利用旋转盘冲击拉伸试验系统对3种常用建筑钢筋材料(HPB235、HRB335和HRB400)在400 s-1~2000 s-1应变率范围内的动态拉伸力学性能进行试验研究,然后根据试验数据,分析应变率对屈服强度的影响规律,并对常用的Johnson-Cook本构模型进行修正,以获得可以更好描述这3种钢筋材料动态拉伸应力-应变关系的本构模型及相关的材料参数。研究结果表明:3种钢筋材料的屈服应力均随应变率的增大而增大,而静载屈服应力越低的钢筋对应变率越敏感;修正后的Johnson-Cook本构模型能较好地描述3种钢筋材料的动态拉伸应力-应变关系。     

新型耐火耐候钢材高温力学性能与本构模型研究

采用标准试验方法,对首钢集团生产的楼承板用SQ410FRW耐火耐候钢冷轧钢带进行稳态拉伸试验,以测定其典型高温力学性能指标,包括钢材高温弹性模量、规定塑性延伸强度、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率。通过非线性回归方法得出相应的高温折减系数表达式,包括弹性模量折减系数、规定塑性延伸强度折减系数和抗拉强度折减系数。根据试验应力-应变关系曲线,回归得出基于Ramberg-Osgood模型(R-O模型)的应力-应变本构模型,以用于后续有限元参数化建模过程中对结构构件的温度场分析和顺序热力耦合分析。试验结果表明：绝大多数拉伸试样均在平行段内或标距段内发生断裂,且断后伸长率随温度升高呈现总体增大趋势;高温弹性模量、高温规定塑性延伸强度和抗拉强度在600℃及以下时降低较少,均保持在常温名义值的60%以上,基本满足耐火钢的力学性能指标要求;基于R-O模型的应力-应变本构关系表达式的拟合优度均在90%以上,与试验应力-应变曲线吻合良好,故提出的本构模型可用于相关钢结构或组合结构构件的有限元抗火分析。     

Dynamic strain-rate effect on uniaxial tension deformation of Ti5Al2.5Sn α-titanium alloy at various temperatures

The uniaxial tensile experiments for Ti5Al2.5Sn alloy were performed at strain rates ranging from 10^?3–10⁺³ s^?1 and test temperatures of 153–873 K. Experimentally measured stress-strain responses indicate the yield strength exhibits positive strain-rate dependency, while the yield strength increases as the test temperature is decreased. To understand the thermomechanical coupling of dynamic plastic deformation, a specially developed single-tensile-pulse loading technique was used, and the isothermal stress-strain curves for the rates of 180 and 450 s^?1 were obtained at temperatures of 203, 298 and 573 K. The plastic strain hardening measurements obtained here are essentially athermal and largely independent of strain rate, consistent with titanium and its alloys being bcc-structure-like in mechanical behaviour. Based on the experimentally obtained plastic deformation features of the alloy, the physically based Voyiadjis-Abed constitutive relationship was modified to model the dynamic tensile deformation of the Ti5Al2.5Sn alloy at low and high temperatures.     

混杂纤维增强应变硬化水泥基复合材料的拉伸本构关系

钢纤维与聚乙烯醇纤维混杂增强应变硬化水泥基复合材料(SF-PVA/SHCC)的力学性能研究是近年来的热点问题之一,但目前依然欠缺能够完整描述SF-PVA/SHCC拉伸本构关系的理论模型。本文基于混凝土断裂力学和细观力学理论,通过考虑拉伸应力-应变曲线软化段及SF-PVA混杂纤维对SHCC拉伸性能的影响,提出一种新的可适用于SF-PVA/SHCC材料的单轴拉伸本构模型。为了验证模型的有效性,开展了SF-PVA/SHCC单轴拉伸性能试验,分析了纤维种类和掺量对SHCC拉伸强度、拉伸应变及拉伸韧性的影响。通过与试验数据对比发现,本文所提出的拉伸本构模型可以较好地预测SF-PVA/SHCC的拉伸应力-应变关系。      

制动管一体式法兰接头热镦挤成形工艺仿真分析

目的 针对铁路货车空气管路制动系统中焊接法兰接头连接质量不佳的问题,提出一种制动管一体式法兰接头热镦挤工艺。方法 分析了制动管用AISI 321不锈钢的高温变形行为并构建了本构方程,并通过DEFORM–2D软件对制动管件法兰接头热镦挤工艺进行了数值模拟。结果 应力–应变曲线在低应变速率时呈现稳态流动,但在高应变速率下会出现明显的波动。本构方程得到的应力计算值与试验真实值的相关系数为0.986,平均相对误差为6.7%。在热镦挤工艺成形法兰接头过程中,挤压阶段的最大应力位于制动管扩径的圆锥面处;镦粗阶段的最大应力位于法兰接头平面成形处,并最终转移至法兰接头的圆角处。结论 建立的本构方程能够反映AISI 321不锈钢真实应力–真实应变的关系,可用于描述该材料在热镦挤成形工艺中的塑性变形行为。在该制动管一体式法兰接头热镦挤成形过程的镦粗阶段,摩擦因数保持在0.3以下能够有效降低镦粗力。     

电流辅助高强钢板热成形工艺数值模拟研究

目的探究电流辅助高强钢板热成形工艺中坯料自阻加热的加热机理,揭示电一热一力三场耦合条件下金属板材的塑形变形规律,为工艺方案及工艺参数的制定提供理论依据。方法利用FEM软件对电流辅助高强钢板的热成形过程进行了数值模拟研究。结果获得了通电加热时坯料的温度场,并通过热一力耦合分析,得到了板材热成形时的应力及应变的分布规律。结论采用该加热方式可极大地提高加热速率,经过几十秒的加热即在变形坯料上获得了较均匀的温度场,满足板材热成形要求。应力、应变分析表明,加热时产生的压应力缓解了坯料变形时的应力集中,有助于板料塑性成形。     

高强不锈钢绞线网增强工程水泥基复合材料受拉应力-应变关系

为了研究高强不锈钢绞线网增强工程水泥基复合材料(Engineered cementitious composites,EEC)的受拉性能,考虑高强不锈钢绞线配筋率、ECC抗拉强度、高强不锈钢绞线网增强ECC试件宽度3个影响因素,对设计的27个高强不锈钢绞线网增强ECC试件进行了单轴拉伸试验。试验结果表明,高强不锈钢绞线网增强ECC受拉试件的开裂应力和极限应力随着钢绞线配筋率、ECC抗拉强度的增大而增大;增大试件宽度对试件的开裂应力和极限应力几乎无影响。基于试验结果,提出并建立了高强不锈钢绞线网增强ECC受拉本构模型,推导了开裂应力和极限应力计算公式。经验证,计算结果与试验结果吻合良好,说明所建立的受拉本构模型可准确描述高强不锈钢绞线网增强ECC的受拉应力-应变关系。      

ECC单轴受拉损伤本构模型研究EI北大核心CSCD

通过单轴拉伸试验,讨论了PVA纤维体积掺入量和水胶比对工程用水泥基复合材料(ECC)受拉力学性能参数(开裂应变、开裂应力、峰值应变、峰值应力、极限应变以及应力-应变关系曲线)的影响规律。基于此,从损伤力学的角度讨论了ECC在单轴受拉过程的开裂前阶段、应变硬化阶段以及应变软化阶段的损伤演化机制。进而,基于ECC受拉损伤演化机制提出ECC受拉损伤本构模型,并给出模型相关参数的计算方法,分析表明:该文提出损伤模型得到的ECC受拉损伤演化曲线能更为合理的描述ECC的损伤演化全过程。最后,该文损伤模型计算的ECC受拉应力-应变关系曲线和试验曲线对比结果表明,所提出的模型能够合理的描述ECC受拉非线性应力-应变关系特征,且具有良好的精度。     

低合金汽车结构钢动态响应模型研究

目的 研究低合金汽车结构钢不同应变速率下的动态响应行为,并提供一种简单准确的动态增长因子的预测方法,为内高压成形工艺提供参考.方法 进行高应变速率拉伸(动态拉伸)实验,并用高速摄像机和扫描电子显微镜对材料的拉伸行为和断口形貌进行表征,利用实验数据建立一系列结构钢的动态响应模型,研究不同应变速率下的响应特性.结果 随着应变速率的不断增大,应力-应变曲线出现周期性波动衰减,通过模型分析,发现在高应变速率下材料变形具有两阶段特征,与应力波传播的往返次数特征相似.结论 与Cowper-Symonds(C-S)模型拟合结果对比发现,所提出的两段式模型得到的实际结构钢屈服强度动态增长因子拟合度更高,可更好地对材料屈服强度进行预测.在实际内高压成形过程中应保证应变速率不宜过高,避免因应变速率过高导致的不均匀变形,影响材料成形质量.