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.     

硬质聚氨酯泡沫材料的常温蠕变特性

在常温和不同应力下对硬质聚氨酯泡沫材料进行压缩蠕变试验,根据蠕变曲线,采用经典的Burgers模型描述了材料的蠕变行为,计算出蠕变参数,得到了蠕变本构模型,还对由Burgers模型导出的和试验测得的稳态阶段的蠕变速率进行了比较。结果表明:常温下,硬质聚氨酯泡沫材料的压缩蠕变行为具有明显的应力相关性,随着加载应力增大,蠕变变形量和稳态蠕变速率均增大;压缩蠕变过程分为明显的两个阶段,第一阶段的蠕变速率随时间延长而逐渐降低,第二阶段的蠕变速率基本保持恒定;由Burgers模型导出的稳态蠕变速率公式可以较好地预测硬质聚氨酯泡沫材料在压缩稳态蠕变阶段的蠕变速率。     

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。     

硬质聚氨酯泡沫拉伸本构模型研究

车用硬质聚氨酯泡沫被用作汽车保险杠和内饰中的缓冲块,其缓冲吸能能力可以对碰撞事故中的人员安全起到很好的保护作用,因此其力学性能的研究对汽车安全和轻量化设计尤为重要。实验所用的硬质聚氨酯泡沫密度为50 kg/m3和110kg/m3,先后用岛津AGS-10KN万能电子拉力试验机和Zwick/Roell Amsler-HTM2512多功能试验机对其进行了0.001/s、0.01/s、0.1/s、10/s、50/s、100/s等多种应变速率下的拉伸试验,获得了相应的应力应变曲线。基于聚氨酯泡沫的拉伸应力-应变曲线,拟合了聚氨酯泡沫在拉伸的本构模型,预测结果和实验结果符合较好。     

硬质聚氨酯泡沫在多轴压缩试验下的力学特性研究

硬质聚氨酯泡沫广泛应用于吸能装置。为研究硬质聚氨酯泡沫在多轴载荷下的力学响应,应用静水压试验和围压试验对其进行多轴压缩试验,分析其力学特性和吸能特性。结果表明：在静水压试验中,泡沫材料经历了弹性区域、平台区域和密实化区域三个阶段,相应的体积弹性模量、平台应力和单位体积吸能量均比单轴压缩试验的高;而在围压试验中,泡沫仅经历弹性阶段和峰值后阶段,无明显的平台区域和密实化区域。峰值偏应力随着围压增加而减少,但当围压超过一临界值时,偏应力-轴向应变曲线表现出一定的随机性,丧失了进一步承受轴向载荷的能力。基于试验数据和微分硬化屈服面模型,获得不同塑性应变下硬质聚氨酯泡沫的屈服面。     

硬质聚氨酯泡沫塑料的应变率效应研究

利用直径37 mm口径分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)对硬质聚氨酯泡沫塑料(Rigid polyurethane foam,RPUF)开展了应变率范围为1000～2300s-1的动态压缩试验,试验结果表明RPUF材料具有明显的应变率效应。将RPUF材料视为不含应变率效应的理想弹塑性模型,并利用有限元软件ABAQUS开展RPUF材料SHPB试验的数值模拟,仿真结果表明RPUF材料的动态屈服强度随着应变率的增加而明显增大,横向惯性效应对试验结果的影响不可忽略。接着开展了RPUF材料的三轴围压(1 MPa、2 MPa、5 MPa和10 MPa)试验,试验结果表明,RPUF材料的屈服强度和静水压呈线性关系,因此研究RPUF材料应变率效应时需要考虑材料本身静水压效应对其的影响。为了获取RPUF材料的实际应变率效应,基于SHPB和三轴围压的试验数据提出一种含静水压效应和应变率效应的本构模型,并将其应用于RPUF材料的SHPB数值模拟中,该方法虽然消除了材料静水压效应对试验结果的影响,但仿真结果仍比试验值偏大,这是因为横向惯性效应对试验的影响并...     

汽车用合金化镀锌深冲钢板动态变形行为试验研究及仿真分析

针对汽车用合金化镀锌深冲钢板(DC53D+ZF),采用准静态及动态拉伸试验,对不同应变率下钢板的动态变形行为进行研究,得到0～500 s–1应变率范围内的6种应变率下的应力应变关系,在试验结果的基础上,推导出该钢板的Johnson-Cook本构模型.为进一步验证该本构模型,基于矩形梁碰撞的仿真模型,对不考虑应变率、Johnson-Cook、Cowper-Symonds模型及试验数据进行对比分析,所推导的J-C模型与试验结果吻合较好.表明所得到的模型可以很好地描述DC53D+ZF材料高应变率下的动态变形行为.     

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。     

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。     

冲击载荷下20CrMnTi钢动态应力响应与考虑绝热温升修正J-C本构模型研究

为研究20CrMnTi钢的动态应力响应,利用拉伸试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对20CrMnTi钢进行准静态拉伸和不同应变率下的动态压缩实验。结果表明:20CrMnTi钢具有应变率效应和增塑效应。但在动态压缩实验中20CrMnTi钢对应变率变化不太敏感。考虑绝热温升的影响,对J-C本构模型进行修正。结果显示修正后的J-C本构模型可很好的描述20CrMnTi钢在动态冲击加载下的力学性能,为20CrMnTi钢在高速重载机械零件上的应用提供重要参考。     

S580B钢中低应变率动态拉伸试验方法及本构表征研究

以S580B钢为研究对象,利用高速液压伺服材料试验机开展了其在中、低应变率范围的动态拉伸试验。提出了一种借助静态标定试验来间接测量动态载荷的方法,通过数字散斑相关方法测量应变场,获得了不同应变率下的真实应力-应变曲线,试验结果显示此材料具有明显的应变硬化效应和应变率敏感性。基于试验数据,采用Johnson-Cook模型拟合得到了S580B钢的动态本构方程,以其作为试验件有限元仿真的材料参数,仿真结果验证了拟合的动态本构方程能够较为准确地表征S580B钢的动态力学特性。     

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。     

38CrMoAl高强度钢动态力学性能及其J-C本构模型

分别利用液压试验机和分离式霍普金森压杆试验装置对38CrMoAl高强度钢进行低应变速率(10-4,10-3,10-2s-1)下的准静态压缩试验和高应变速率(850～4500 s-1)下的动态压缩试验,研究了该钢的动态压缩力学性能以及动态压缩后的显微组织;考虑应变速率强化效应和绝热效应对Johnson-Cook(J-C)本构模型进行修正,并进行了试验验证.结果表明:试验钢的真实屈服强度随着压缩应变速率的增加而增大,表现出应变速率强化效应;经高应变速率压缩后,试验钢中出现了具有一定耐蚀性的强化区;修正后的J-C本构模型预测得到试验钢在不同应变速率下的真应力与试验结果的平均相对误差范围为1.76％～3.99％,这表明修正后的J-C本构模型能够准确地描述该钢的动态压缩力学特性.     

采用动态冲击汽车零件材料承载特性分析

根据C-NACP车辆正面偏置碰撞要求,获取车身前端结构碰撞过程中材料的应变速率,发现不同位置存在一定的差异;基于材料动态力学性能测试设备,获取车身结构件材料DP800在不同应变速率下的力学曲线,获取关键参数随应变速率的变化情况,获取变化规律;基于Johnson-Cook应变速率相关的本构模型,对材料的本构模型进行拟合;采用落锤冲击试验,对车身常用的帽型梁结构进行冲击测试;基于HyperWorks建立落锤冲击模型,将材料本构模型作为参数输入模型,对比是否应用应变速率相关本构模型,试验测试与仿真分析之间的差异,以验证分析的可靠性。结果可知：车辆碰撞过程中材料的应变速率差异较大,对性能影响较大;DP800呈现与应变速率的正相关,强度随应变速率增加而增大;延伸率、强塑积则呈现先下降后缓慢上升的趋势;落锤冲击表明,材料具有明显的动力力学特性;采用应变速率相关的本构模型作为参数输入,冲击过程最大载荷、平均载荷及压溃量仿真结果与试验结果误差控制在5%以内,且变化趋势基本一致;为考虑应变速率影响,误差较大,关键误差最大超过了30%;分析结果表明,汽车车身材料表现出明显的应变速率相关特性,在碰撞仿真分析...     

铜基粉末冶金多孔材料在高应变率下的力学性能及本构关系

通过实验得出铜基粉末冶金摩擦材料在高应变率下的应力应变曲线，建立该材料的本构模型。在分离式Hopkinson压杆(SHPB)上进行了该材料在10^2/s-10^3/s应变率范围内的冲击试验，弹速范围为4m／s-15m／s，在透射杆上采用半导体应变计技术；在MTS实验机上做了该材料在10^-4s/10^-3/s应变率范围内的准静态实验，分别在应变为0．005、0．01、0．02、0．035时卸载再加载，以验证该材料的粘弹塑性特征。通过分析动态和静态实验曲线，发现该材料在应变率300/s和准静态时有应变硬化效应，但在500/s以上却反映出应变软化效应，得出该材料为含损伤非线性粘弹塑性材料，故提出用适应于脆性材料的粘弹塑性模型和粘塑性项的组合本构模型来拟合该材料应变弱化段的本构方程。所得结果可推广应用于类似烧结合金的材料。     

列车车体SUS301L-HT不锈钢动态力学性能及其对结构吸能特性的影响

对SUS301L-HT不锈钢材料分别进行了准静态拉伸试验和动态冲击拉伸试验,以获得不同应变率下的材料本构关系。为准确地描述SUS301L-HT不锈钢材料的动态力学性能,采用了列表插值法,并通过对比有限元对标和试验数据来验证该方法的可靠性。以典型薄壁吸能结构为载体,采用2种材料参数,对比分析了SUS301L-HT不锈钢材料的动态力学性能对结构吸能特性的影响。研究结果表明：SUS301L-HT不锈钢具有明显的应变率强化效应,随着应变率的增大,材料的塑性硬化能力降低,表现出明显的温度软化效应;列表插值法相比动态本构模型能更好地描述SUS301L-HT不锈钢的动态力学性能,且采用列表插值法得到的结果与试验结果、有限元结果均有良好的一致性;列车碰撞的应变率属于中低应变率范围,对于SUS301L-HT不锈钢制成的车体吸能结构,考虑应变率效应的结构的实际吸能量要比不考虑应变率效应的相同结构的吸能量高,但初始峰值力相对较大。     

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。     

基于J-C模型440C不锈钢动态本构关系的修正

为了构建合理描述440C不锈钢流动应力变化关系的本构模型，借助万能试验机和霍普金森压杆装置，分别进行了准静态和动态压缩试验。依据所获得的试验数据，对原J-C本构模型参数进行了标定，并探讨了其描述所研究材料应力流动行为的适用性和预测准确性。基于分析的结果，提出了一种考虑应变、应变率和温度间相互耦合的修正J-C本构模型，并进行模型参数标定。将试验数据与模型预测值进行对比分析，并通过相关性系数R、平均相对误差AARE和平均均方根偏差RMSE三个统计参数，对所提出模型的有效性进行评价。结果表明，440C不锈钢的动态力学行为受应变、应变率和温度间耦合作用的共同支配，所提出修正J-C本构模型相关性系数R为0.995 9,平均相对误差AARE为0.073,平均均方根偏差RMSE为0.761 8,能够合理地描述其应力流动行为。     

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。