纯铁材料动态力学性能测试及本构模型

研究纯铁材料的动态力学性能并建立其本构模型是开展纯铁材料工程应用和数值模拟研究的基础,利用Instron材料试验机和分离式Hopkinson压杆试验装置,对纯铁材料进行了常温下不同应变率（10^-3~5×10⁴s^-1）和应变率为10⁴s^-1时不同温度下（200~800℃）的动态力学性能测试,获得了各种载荷下的应力-应变曲线。试验结果表明,纯铁材料的塑性流动应力对应变率和温度非常敏感,具有明显的应变强化效应、应变率强化和增塑效应以及热软化效应。基于Power-Law本构方程,通过试验数据拟合得到了纯铁材料的动态本构模型参数,拟合曲线与试验数据吻合较好,表明该模型能较好描述纯铁材料在动态载荷下的力学行为。     

高应变率条件下38CrMoAl钢的动态力学行为及失效模型

38CrMoAl钢是飞机某频繁经受冲击载荷结构的主要材料，为了获得该钢在冲击载荷下的力学行为和失效参数，本文对38CrMoAl钢开展了准静态试验、应变率从650 s^-1至5 500 s^-1的动态力学试验以及应力三轴度试验，对材料的金相组织和断口形貌进行了微观观察分析，最后基于试验结果确定了材料的修正强度模型和失效模型参数。试验结果表明，38CrMoAl钢具有较强的应变率敏感性，材料屈服强度随着应变率的增加具有正应变率强化效应，应变率在10^-3~5 500 s^-1的范围变化时，屈服应力从450 MPa上升到了1 085 MPa，应变率为5 500 s^-1时材料的屈服应力达到了准静态条件下的2.41倍。对材料组织的微观观察分析发现材料主要由呈现颗粒状的回火索氏体组成，材料在高应变速率加载下其塑性发生了下降，断口由韧窝型塑性断口向局部解理断面发生转变，韧窝尺寸也随着应变率的升高而变小。对Johnson-Cook（J-C）强度模型中的应变率强化项进行了修正，使修正后的本构模型可以更有效地描述38CrMoAl钢的动态力学行为，最后结合数值模拟方法确定了材料的J-C失效准则参数。     

关于应变率敏感系数的定义

应变率敏感系数是宏观塑性动力学和位错动力学的一个基本概念,本文试图对其进行了重新解释。由于强动载荷作用下一般固体要发生有限变形的动力响应,还将应变率敏感系数推广到塑性动力大变形情形。本文也指出了由于应变率敏感性所引起的内耗增量和过应力的类比性。     

搅拌摩擦加工对Mg-2.67%Nd-0.5%Zn-0.5%Zr合金动态变形行为的影响

采用不同工艺对Mg-2.67%Nd-0.5%Zn-0.5%Zr合金进行了搅拌摩擦加工(FSP)处理,利用Hopkinson压杆对FSP处理前后的合金进行了冲击试验,探讨搅拌摩擦加工对该合金动态应力-应变行为及其应变率效应的影响。结果表明,FSP处理之后合金的显微组织因发生动态再结晶得到显著的细化,平均晶粒尺寸约由60μm减小至不足10μm。在高应变率冲击载荷下,合金母材的动态应力-应变行为表现出了明显的应变率强化效应,而FSP处理之后合金的动态应力-应变行为对应变率不敏感。这主要是由于经不同工艺FSP处理后,Mg-2.67%Nd-0.5%Zn-0.5%Zr合金产生的细晶强化及细小、弥散的沉淀相强化,大大提高了合金的变形抗力。     

几种典型BCC金属的塑性流动特征及本构模型综述

为了理解BCC金属的塑性流动特征并研究其本构关系,本文对多晶Ta、V、Nb及高强度低合金钢HSLA-65和DH-36在温度从77K到1000K,应变率从0.001/s到8000/s,真实塑性应变超过35%的塑性流动行为进行了系统研究。结合试验结果,对塑性流动本构模型进行了推导。得出:(1)合金钢HSLA-65和DH-36与多晶金属Ta、V、Nb具有类似的塑性变形特征;(2)BCC金属的塑性流动应力对应变率和温度非常敏感,但加载历史对流动应力影响较小,即演化后的微观结构组织其流动应力并不变化;(3)在低应变率下出现的动态应变时效现象随应变率的增加,时效温度区将移至更高区域;(4)基于位错运动学和动力学,结合系统试验结果,所推导的基于物理概念本构模型通式,在很宽温度很宽应变率范围内能较好的预测BCC金属的塑性流动应力。     

3种铝合金材料动态性能及其温度相关性对比研究

 对3种铝合金2024-T351、7050-T7451和LY12-CZ进行了温度在77～573 K的静、动态压缩（应变率10^-3～6 000/s）和拉伸（应变率10^-3～3 000/s）试验,分别得到了3种铝合金材料的应力 应变关系和失效应变。对比研究结果表明,随温度升高3种材料的塑性流动应力降低,应变率敏感性增加。最后基于Johnson-Cook模型,拟合了用以预测铝合金材料塑性流动应力的模型参数,其预测结果与试验结果吻合较好。     

添加微量Sc对Mg-3Li合金高应变率变形行为的影响

利用Hopkinson压杆对Mg-3Li和Mg-3Li-1Sc合金进行了高应变率冲击实验,分析了添加少量Sc对Mg-3Li合金冲击变形行为及其应变率效应的影响.结果表明,在1350s～3000s-1应变率范围内,两种合金的动态应力-应变行为均表现出显著的应变率强化效应.但随应变率继续升高,合金的动态变形行为转为应变率弱...     

20号钢的冲击拉伸力学性能试验研究

利用旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验装置对20号钢进行了三个应变率的冲击拉伸试验研究，得到了材料在不同应变率下的应力应变曲线。结果表明，随着应变率的增加，材料的极限强度随之增大，具有明显的应变率强化效应。根据材料住不同应变率下的试验结果，拟合了Johnson—Cook模型中的材料常数，并修正了应变率强化系数C，确定了20号钢的Johnson—Cook本构关系。数据拟合结果与试验结果吻合良好。     

基于热力学理论的固体推进剂粘弹-粘损伤本构模型

为了描述固体推进剂在不同应变率和围压环境下的非线性力学特性，首先通过假设推进剂非线性力学特性由损伤导致，基于不可逆热力学框架，推导出粘弹-粘损伤本构模型。在构建粘损伤模型时，以线性粘弹性应变能密度为损伤驱动力，并且引入了损伤历史、应变率和围压效应对于损伤增长的影响。然后利用文献中HTPB推进剂的围压实验数据对一维形式下的本构模型进行了参数获取、验证和预测误差分析。在获取损伤萌发参数S0时，基于时间-压强等效原理，构建了损伤萌发参数S0主曲线。最后采用NEPE推进剂单轴拉伸实验验证了本构模型对于当前固体推进剂大变形非线性力学性能的适用性。结果表明，损伤萌发参数S0随着围压和应变率的增加而增加。在应变率和围压的双重作用下，在相对压强5.516MPa，0.24s-1条件下的S0是相对压强0MPa，6×10-4s-1条件下数值的10.7倍。另外，模型对于HTPB推进剂抗拉强度的最大预测误差为6.15%，模型预测结果与两种实验数据重合较好，表明建立的粘弹-粘损伤本构模型可以很好地预测HTPB推进剂在不同应变率和不同围压环境下的力学响应和当前NEPE推进剂的大变形非线性力学行为，可为点火增压载荷下固体推进剂药柱结构完整性数值分析提供理论基础。     

中应变率下HTPB推进剂压缩力学性能和本构模型研究

为研究固体推进剂在中应变率条件下的压缩力学性能,在高应变率液压伺服试验机上开展了单轴压缩实验,并获取了温度范围为-40~25℃及0.40~85.71s-1应变率下HTPB推进剂的应力-应变曲线。结果表明,本文的实验方法是有效的,温度和应变率对HTPB推进剂的压缩力学性能影响显著。随温度降低和应变率升高,应力-应变曲线特性变得更加复杂,并与准静态下的应力-应变曲线特性有明显区别。压缩模量E和压缩应力σ0.17随温度的降低和应变率的升高而逐渐增加,且均与应变率具有相对较好的线性双对数关系。在低温和较高应变率的双重作用下,-40℃,85.71s-1条件下的压缩模量E和压缩应力σ0.17分别为25℃,0.40s-1条件下数值的10.64倍和4.25倍。基于时温等效原理,得到了HTPB推进剂的压缩力学性能主曲线,该主曲线能够对低温较宽应变率范围内推进剂的压缩力学性能进行预测。在朱-王-唐非线性粘弹性本构模型的基础上,构建了考虑温度和应变率效应的固体推进剂中应变率压缩本构模型,并采用遗传算法拟合了本构参数。通过不同温度和应变率下预测结果与实验数据的比较,验证了模型的有效性。所建模型能够较好地描述0.17应变以内HTPB推进剂的压缩变形,可为低温中应变率下固体火箭发动机药柱的结构完整性分析提供理论基础。     

高温、高应变率LY12铝压缩动态力学性能实验

利用配备自动组装系统和高温加热系统的直径为 ф5 mm的Hopkinson压杆,对温度在20℃～400℃、应变率在(5～14)×103s-1范围内LY12铝的动态压缩力学性能进行了实验研究.实验中采用波形整形技术,有效地消除了入射波的高频振荡,提高了测试精度.实验结果表明:当实验温度低于200℃时,温度的影响较小,而高于200℃时,材料的温度软化效应将十分明显,且随着温度的升高,流动应力逐步降低;LY12铝的性质接近于线性硬化材料,随温度的升高,其硬化模量逐步降低;在(5～14)×103s-1应变率范围内,LY12铝的动态压缩性能的应变率效应并不明显.      

Hot deformation behavior and strain compensation constitutive model of equiaxed fine grain diffusion-welded micro-duplex TC4 titanium alloy

In this work, two-stage diffusion bonding of micro-duplex TC4 titanium alloy was carried out to study the flow behavior and constitutive models of the bonding joint and the base metal after the same thermal cycling during the hot forming process. Microstructure and mechanical properties test were used to verify the good quality of the equiaxed fine grain diffusion-welded TC4 alloy. Quasi-static tensile experiment was carried out at temperatures ranging from 750–900 °C and strain rates of 0.0001–0.1 s⁻¹. The joint showed the weak dynamic recovery at strain rates of 0.01–0.1 s⁻¹ and temperatures of 750–850 °C. At strain rates of 0.0001–0.001 s⁻¹ and temperatures of 850–900 °C, the flow stress of joint presented steady-state characteristics. Different deformation conditions lead to the remarkable difference of dynamic softening performance between the joint and heat-treated base metal, but the flow stress in elastic and strain hardening stages exhibited similar behavior. The strain compensated Arrhenius-type constitutive models of TC4 joint and heat-treated base metal were developed respectively. The fifth-order polynomial functions between the material property correlation coefficients and strain were obtained. The models have shown good correlation, with correlation coefficient values of 0.984 and 0.99. The percentage average absolute relative error for the models were found to be 10% and 9.46%, respectively.     

Experimental and numerical investigation of mechanical behavior of plain woven CFRP composites subjected to three-point bending

The mechanical behavior of plain woven Carbon Fiber-Reinforced Polymer (CFRP) composites under Three-Point Bending (TPB) is investigated via experimental and numerical approaches. Multiscale models, including microscale, mesoscale and macroscale models, have been developed to characterize the TPB strength and damages. Thereinto, Representative Volume Elements (RVEs) of the microscale and mesoscale structures are established to determine the effective properties of carbon-fiber yarn and CFRP composites, respectively. Aimed at accurately and efficiently predicting the TPB behavior, an Equivalent Cross-Ply Laminate (ECPL) cell is proposed to simplify the inherent woven architecture, and the effective properties of the subcell are computed using a local homogenization approach. The macroscale model of the TPB specimen is constructed by a topology structure of ECPL cells to predict the mechanical behavior. The TPB experiments have been performed to validate the multiscale models. Both the experimental and numerical results reveal that delamination mainly appears in the top and bottom interfaces of the CFRP laminates. And matrix cracking and delamination are identified as the significant damage modes during the TPB process. Finally, the quasi-static and dynamic behaviors of plain woven composites are discussed by comparing the results of Low-Velocity Impact (LVI) and TPB simulations.     

ANALYSIS OF DYNAMIC FLOW BEHAVIOR IN PITCHING MANEUVER

ＡＮＡＬＹＳＩＳ　ＯＦ　ＤＹＮＡＭＩＣ　ＦＬＯＷ　ＢＥＨＡＶＩＯＲ　ＩＮ　ＰＩＴＣＨＩＮＧ　ＭＡＮＥＵＶＥＲＣｈｅｎＮａｎｑｉａｎ；ＬｉｕＲｉｚｈｉ；ＭａＺｏｎｇｊｉａｎｇ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅＯｆＦｌｕｉｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅ...     

聚碳酸酯SHPB系统测量泡沫铝合金动态压缩性能

为更加合理、有效地使用泡沫铝,了解其动态冲击下的力学性能是必要的。为提高泡沫材料分离式霍普金森压杆（SHPB）实验的有效性和精度,采用聚碳酸酯SHPB实验系统对泡沫铝合金进行了动态压缩实验,给出了不同冲击速度下的压缩应力 应变曲线,并研究了泡沫铝合金的动态压缩力学特性和变形机制。实验结果表明,高孔隙率的泡沫铝合金的应变率敏感性不强,其动态屈服强度可用静态压缩的实验结果代替。但本结论能否向其他泡沫铝推广,尚有待进一步研究。     

球轴承多体接触动力学研究

考虑钢球、套圈和保持架的动态接触关系,提出了机械系统中球轴承多体动力学分析的新方法.基于套圈滚道的三角网格模型,实现了钢球和套圈滚道的动态接触力的预测搜索算法,建立了计及润滑和Hertz接触作用的三维角接触球轴承多体接触动力学模型.运用广义-α方法计算分析了预紧力和旋转径向力作用下角接触球轴承的多体接触动力学特性,获得了球轴承的动态接触力、拖动力和运动轨迹及频谱等振动响应,并利用Gupta经典实例模型进行了实验验证.轻载中等速度下钢球的角速度以184.5rad/s-2波幅周期变化,旋滚比以0.01波幅周期变化,角加速度与动态接触载荷的频谱具有相同的56.1,112.2Hz等谐波倍频成分.中等载荷高速下保持架中心的运动轨迹呈现出以83.3Hz和200Hz双频率拟周期的平动运动.      

不同应变率下Ni-Ti形状记忆合金压缩力学行为分析

为了研究Ni-Ti形状记忆合金在不同应变率下的压缩力学行为,通过分离式Hopkinson杆实验装置分别对不同Ni—Ti形状记忆合金试样进行了动态压缩试验。实验中应变率变化范围为10^2／s—10^4/s。从压缩试验结果分析中发现：Ni-Ti形状记忆合金的相变屈服应力和位错屈服应力均随着试验温度和应变率的增加而增加,并且当应变率增加到10^4／s数量级时,应力—应变曲线中的应力平台将消失,此时材料的变形行为将类似于一般金届材料。     

抗荷阀-抗荷服系统动态模型结构研究

 通过理论分析和系统辨识方法研究了 4种不同型式抗荷阀—抗荷服系统的动态响应特性 ,分别建立了机械式、混合式和电磁式抗荷阀—抗荷服系统的动态模型 ,并说明了三者模型结构之间的内在联系。