航空Al7050合金的静动态力学特性研究及JC本构模型构建

为了研究航空Al7050合金材料的静、动态力学特性,采用DNS100型电子万能试验机对航空Al7050合金进行了准静态压缩试验,并依据处理后的试验数据获得了室温准静态下的流动应力-应变曲线,然后采用带有同步组装系统的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对航空Al7050合金进行了不同温度、不同应变率下的动态压缩试验,并依据处理后的试验数据获得了不同温度、不同应变率下的流动应力-应变曲线,最后依据两次试验数据并采用最小二乘法构建了试验条件下的JC本构模型.结果表明:材料的流动应力随应变率的增加整体呈现增加的趋势,但温度高于400℃时,材料的流动应力随应变率的增加而减小;随应变的增加,流动应力表现出先呈线性增加,再缓慢增加,最后急剧下降的趋势;材料的流动应力和应变硬化指数随温度的升高而下降,且构建的JC本构模型能较好地预测塑性流动应力.     

Al2O3sf·SiCp/Al复合材料的压缩变形力学行为及机制

对Al2O3sf·SiCp/Al复合材料进行高温及半固态区间压缩变形,观察其微观组织和组成,研究了在高温及半固态温度下的压缩变形力学行为和变形机制.Al2O3sf·SiCp/Al复合材料的流动应力随着压缩温度的提高而下降,随着增强体的体积分数、基体材料强度和应变速率的提高而上升.高温压缩使材料屈服后,由于动态回复抵消了材料的加工硬化,其流动应力值基本上保持不变.在半固态温度区间压缩而液相体积分数较低时,其流动应力的变化规律与高温压缩时相似;液相体积分数较高时,流动应力在材料屈服以后,液相的流出使流动应力下降;液相被挤出到侧表面后,流动应力呈上升趋势.复合材料在半固态区间压缩时具有应变速率敏感性.     

数值模拟SiCp/Al复合材料的微观结构对力学性能的影响

本文运用有限元法模拟了SiC颗粒体积分数和颗粒尺寸对SiCp/Al复合材料弹性模量、屈服强度、延伸率的影响。为了建立与真实显微结构相似的复合材料模型,假定任意尺寸的SiC颗粒随机地分布在SiCp/Al复合材料中。计算结果表明:SiC颗粒体积分数对复合材料的力学性能的影响更加显著。随着体积分数的增加,SiCp/Al复合材料的弹性模量和屈服强度逐渐增加;而其延伸率会相应降低。其应力应变曲线由韧性材料的特性向脆性材料的特性逐渐过渡。相反,当平均颗粒尺寸在一定的范围内变化时,颗粒尺寸对其应力-应变曲线的影响并不显著。     

高体分SiCp /Al复合材料热变形行为及组织的研究

在应变速率为0.0005～0.01 s-1、变形温度为700～900 ℃条件下,对高体积分数SiC颗粒增强Al基复合材料进行了高温压缩实验,研究了复合材料高温压缩流变应力,观察了复合材料压缩后的组织形貌.结果表明:SiCp/Al复合材料在热压缩变形中发生了伪塑性变形,流变应力随应变速率的增加而增加,随变形温度的增加而降低;通过线性回归分析计算了复合材料的应变指数n以及变形激活能Q,获得了材料高温条件下的流变应力本构方程;高温压缩后的复合材料,颗粒尺寸、圆整度及分布均匀性明显提高.     

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。     

高体积分数SiCp/Al复合材料铣削残余应力有限元模拟

高体积分数碳化硅颗粒增强铝基(SiCp/Al)复合材料具有优良的综合物理力学性能,其难加工性制约着该材料的应用与发展,切削加工产生的表面残余应力严重影响了工件的结构和尺寸精度稳定性。为了研究高体积分数SiCp/Al复合材料的铣削加工表面残余应力,采用有限元分析软件ABAQUS建立了基于正交切削的平面应变模型,并对建立的宏观等效模型进行模拟分析。在模拟结果中,分析并得出了不同切削速度和每齿进给量对工件加工表面残余应力的影响规律以及沿工件层深方向的残余应力分布情况。     

SiCp/8%TiB2混杂增强铝基复合材料高温流变

采用Gleeble-3500 热模拟试验机对SiCp/8%TiB2铝基复合材料在温度为350, 400, 450, 500 ℃,应变速率为0.001, 0.01, 0.1, 1 s-1条件下进行热压缩试验,探究其高温流变应力行为;建立SiCp/8%TiB2铝基复合材料应变速率和流动应力的本构方程,采用正弦双曲Arrhenius方程解释流动应力行为。建立基于动态材料模型（DMM）的热加工图来解释SiCp/8%TiB2铝基复合材料的热加工性,利用扫描电镜进行微观组织分析,以验证热加工图的可靠性。研究结果表明：SiCp/8%TiB2铝基复合材料的变形活化能为263.967 kJ/mol,最佳变形温度为490~500 ℃,应变速率为0.001~0.030 s-1,此时功率耗散系数达到峰值为23%。     

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。     

基于Murty准则的SiCp/Al复合材料热加工图研究

采用热模拟压缩试验对15%(体积分数)SiCp/Al复合材料在温度为623~773K、应变速率为0.001~10s~(-1)的热变形行为进行了研究,基于Murty准则建立了该材料的热加工图,并在此基础上建立了SiCp/Al复合材料临界失稳应变分布图。结果表明,随变形温度升高,SiCp/Al复合材料中的强化机制逐渐减弱,软化机制逐渐增强。基于临界失稳应变图可以确定出适合SiCp/Al复合材料加工的两个区域,分别为变形温度700~773K、应变速率0.001~0.01s~(-1)和变形温度740~773K、应变速率0.02~0.14s~(-1)。     

二维C/SiC复合材料准静态和动态拉伸力学性能

采用分离式Hopkinson拉杆装置和电子万能试验机研究了二维C/SiC复合材料在4种应变率（0.001、0.010、90.000和350.000 s-1）下的拉伸力学性能,计算并验证了动态试验中的应力平衡状态;采用SEM分析了复合材料在不同应变率下的破坏断口和失效机制;建立了复合材料包含损伤和应变率相关的本构方程。结果表明:二维C/SiC复合材料的应力-应变曲线都表现出非线性的特征。随着应变率的增加,二维C/SiC复合材料的拉伸强度从204 MPa增加到270 MPa,增加了33%,这表明复合材料的拉伸强度具有较强的应变率敏感性。复合材料在准静态和动态加载下表现出不同的破坏模式是由材料内部界面行为的应变率效应造成的。      

碳/环氧树脂复合材料应变率效应的实验研究

选择两种铺设方式( _S和 _S)的T300/Epoxy(炭纤维/环氧树脂)层合板, 利用MTS试验机以及Hopkinson拉伸杆分别对其进行了准静态拉伸试验(应变率为10-5~10-4 s-1)、 中应变率拉伸试验(应变率为100 ~101s-1)和高速冲击拉伸试验(应变率为102~104s-1)。静态、 动态实验的试件形状及尺寸均相同。获得了不同应变率加载条件下T300/Epoxy的应力-应变曲线。基于所获得的应力-应变曲线, 讨论了应变率对炭纤维增强复合材料力学性能的影响。研究结果表明: 复合材料T300/Epoxy是应变率相关的材料; 层合板的铺设方向对其应变率效应有着显著的影响; 随着应变率的增加, 材料的强度及弹性模量有较大程度的提高, 但破坏应变有所降低。通过对试验结果的数据拟合, 提出了材料应变率相关的动态本构模型。      

应变率对Cf/Al金属基复合材料力学性能的影响

利用自行研制的冲击拉伸试验装置对单向碳纤维增强铝基复合材料实施了不同应变率下的拉伸试验,获得了材料从0．001s^-1到1000s^-1应变率范围内完整的应力应变曲线。试验结果表明Cf/Al是一种应变率敏感材料,随着应变率的提高,材料的拉伸强度、失稳应变均相应提高,具有明显的应变率强化效应和动态韧性现象。根据材料在不同应变率下的试验结果,提出了应变率强化效应的复合丝束统计本构模型,模型分析表明由于复合材料的破坏受多种因素的影响,Cf/Al复合丝的强度不再服从单Weibull模型,用双Weibull模型更能反映Cf/Al复合丝强度的统计分布规律,且模型拟合的结果与试验结果吻合得很好。     

7075Al/SiCp复合材料的热压缩变形流变应力和组织行为

采用圆柱试样在Gleeble-1500热模拟机上对喷射沉积7075Al/SiCp复合材料进行高温压缩变形实验,实验条件为:变形温度300～450℃,应变速率0.001～1s-1.结果表明:7075Al/SiCp复合材料的流变应力大小受到变形温度和应变速率的强烈影响,流变应力随应变的增加而逐渐增加,出现一峰值后逐渐下降;流变应力随变形温度的升高、应变速率的降低而降低.可用Zener-Hollomon参数的双曲正弦形式来描述7075Al/SiCp复合材料高温压缩变形流变应力.随着变形温度的升高和应变速率的降低,7075Al/SiCp复合材料热变形过程中SiCp的分布逐渐均匀化,有利其热加工性能的改善.     

温度、应变率对航空PMMA压缩力学性能的影响研究

本文利用INSTRON试验机和分离式Hopkinson压杆测试了航空有机玻璃在试验温度为299K～373K之间,两种准静态应变率(10-3,10-1 1/s)和一种动态应变率(550 1/s)下的压缩力学行为.试验结果表明:在准静态载荷下,随着温度的升高,材料的弹性模量和流动应力减小,在应变率为10-1 1/s时表现出明显的应变软化行为;在高应变率(550 1/s)下,随着温度的升高,材料的流动应力逐渐减小而破坏应变增大,当温度超过333K时也有应变软化现象发生;在相同温度下,随着应变率的升高,材料的流动应力增大,但破坏应变减小.通过观察变形后试样的形貌,可以认为试样内部的微裂纹是应变软化的主要原因.最后,ZWT粘弹性本构模型被用来对试验数据进行拟合,结果表明该模型能够较好地预测这种材料在应变8%以内的力学行为.     

锻造/层合碳纤维-环氧树脂复合材料压缩性能实验与仿真

压缩性能是材料的基础力学性能之一,决定着材料在工程中的应用价值和应用范围.为了获得锻造碳纤维增强环氧树脂复合材料(FC-FREP)和层合碳纤维增强环氧树脂复合材料(LCFREP)的压缩力学性能,进行了准静态实验和霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bars,SHPB)实验,得出了FCFREP和LCFREP在不同应变率下的真实应力-应变关系.通过扫描电子显微镜(SEM)观察了两种材料的破坏模式,进一步采用有限元软件进行了动态压缩仿真.实验结果表明,FCFREP的应变率效应仅体现在塑性段,且为负应变率效应;LCFREP的应变率效应明显,随着应变率增大,其弹性模量增大、屈服点滞后、流动应力增大.SEM结果表明,动态压缩情况下FCFREP的破坏模式为纤维撕裂拉断和剪切断裂,基体产生裂纹碎裂,LCFREP的动态压缩破坏模式为剪切断裂.仿真结果表明,FCFREP材料的动态压缩可采用双线性本构模型描述,LCFREP材料动态压缩的实际应力路径与仿真结果不同,但屈服极限相同.实验得出的真实应力-应变曲线可以作为研究新本构模型的依据,同时为开发新数值模型提供了参考.     

粉煤灰空心球/Al复合泡沫材料准静态力学性能及本构模型

为研究粉煤灰空心球/Al(Fly ash cenosphere/aluminum syntactic foam,FAC/Al)复合泡沫材料静力性能,采用万能试验机对铝基复合泡沫材料进行了准静态轴向压缩性能试验,考察了不同空心球平均粒径(分别为150、200和300 μm)对铝基复合泡沫材料变形失效模式及力学性能的影响,并获取了具有不同空心球粒径的复合材料在准静态下的应力-应变曲线,在此基础上分析了空心球粒径大小对复合材料能量吸收性能的影响。试验结果表明,在准静态荷载作用下,随着空心球粒径的增大,复合材料的压缩屈服强度、吸能能力及理想吸能效率有着明显的降低。此外,在获得的应力-应变曲线基础上,采用最小二乘法拟合得到了铝基复合泡沫在准静态荷载作用下的本构方程,并对其进行了验证,结果表明该方程具有较好的拟合度。      

基于损伤模型的2024-O-T42搭接件动态拉伸失效分析

针对高锁螺栓单搭接件所采用的2024-O-T42铝合金,设计狗骨试验件进行准静态与动态拉伸试验,设计六种不同的缺口试验件进行准静态拉伸试验。通过开展拉伸失效仿真,对比Hartley-Srinivasan与Johnson-Cook两种本构模型,以及最大塑性应变失效准则、Johnson-Cook失效模型与GISSMO损伤模型三种失效模型。结果表明,在试验的100 s^-1应变率范围内,2024-O-T42铝合金材料流动应力应变率效应不明显,其最大相差约为5%;在不考虑应变率及温度的情况下,Hartley-Srinivasan本构模型比Johnson-Cook本构模型更能准确表征材料塑性段的力学行为;采用Hartley-Srinivasan本构模型和GISSMO损伤模型,高锁螺栓单搭接件在1 m/s、3 m/s、5 m/s拉伸速度下的仿真结果与试验结果吻合更好,且仿真获得的失效位移相对试验失效位移平均值分别偏大4.7%、偏大4.3%和偏小7.4%。     

AISI D2钢力学性能尺寸效应实验研究

为研究AISI D2钢力学性能尺寸效应现象,在常温下采用电子万能试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置对3种不同剪切带宽度(分别为800,400,50μm)的帽形试样进行了准静态和动态加载实验.实验结果表明,流动应力和失效应变随着剪切带宽度的减小而增大,但产生流动应力和失效应变尺寸效应现象的剪切带宽度不同.基于应变率强化项修正的Johnson-Cook本构模型,通过实验数据拟合得到材料的本构关系.研究表明,修正的Johnson-Cook本构模型与实验结果吻合较好.     

B250P1低合金钢的动态力学行为及其本构模型

对B250P1低合金钢板在室温条件下进行了准静态和动态拉伸试验,应变率范围为0.003~600s-1,研究了应变率对该低合金钢动态力学行为的影响,并建立了其本构模型。结果表明:B250P1低合金钢的屈服强度、抗拉强度和流变应力均随着应变率的增加而增大,具有明显的应变率效应;基于JC本构方程给出了B250P1低合金钢本构模型参数的确定方法,经过两次修正,使误差精度提高接近40%,最大误差不超过8%,并且扩大了应变率的适用范围;修正后的JC本构方程可以很好地预测不同应变率下B250P1低合金钢的流变应力,更好地满足工程开发应用的需要。     

TC4钛合金动态力学性能及本构模型研究

为研究TC4钛合金的动态力学性能及本构模型,利用电子万能试验机、高速液压伺服试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB)装置,对其进行常温下准静态、中应变率和高应变率动态力学性能试验,得到不同应变率下的应力应变曲线,拟合得到Johnson-Cook本构模型,并分析材料中应变率力学特性对本构模型参量的影响。结果表明:TC4钛合金在应变率10~(-4)~10~3s~(-1)范围内具有明显的应变率强化效应和一定的应变硬化效应,且应变率强化效应随应变的增大而减小,应变硬化效应随应变率的增大而减小;考虑材料中应变率力学特性可提高本构模型参量的准确性;通过数值方法和试验方法研究TC4钛合金平板撞击和高速拉伸过程的动态响应,两者结果具有很好的一致性,证明所得本构模型的准确性。