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。     

Ti-46Al-6(Cr,Nb,Si,B)合金高温变形特性研究

采用Thermecmaster-Z型热压缩试验机,在900~1250℃温度范围内、和10-3~1s-1应变速率条件下对铸态和挤压态Til-46Al-6(Cr,Nb,Si,B)at%合金(以下简称G4合金)进行了热压缩模拟试验,建立了两种状态下G4合金的加工图.并以加工图为基础,结合组织观察,研究了高温下该合金的变形特性.结果表明:G4合金的高温变形性能受温度和应变速率强烈影响,并呈现不同特征;流变应力随变形温度升高而减小,随应变速率增大而增大;挤压态G4合金具有比铸态G4合金更好的稳定流变能力和更宽的可热加工窗口;动态再结晶(DRX)是导致G4合金流变软化和稳定流变的主要原因;铸态G4合金的最佳变形温度为1150~1200℃,应变速率为10-2.5～10-3s-1,挤压态G4合金的最佳变形温度为1050~1150℃,应变速率为10-1.5~10-2.5s-1;G4合金的主要失效模式包括表面开裂、局部流动和楔形开裂.     

撞击平板的动力响应计算和实验研究

本文采用16节点立体等参元,进行了冲击速度为10～20m/s时的平板动力响应数值分析。程序中考虑了结构的大变形,采用全拉格朗日描述法,时间离散使用了纽马克法。文中分别对LY12CZ和PMMA两种材料平板的动力响应计算结果和试验结果作了比较。提出用HopkinsonBar装置测定平板在硬撞击下撞击总耦合载荷及撞击点挠度随撞击时间的分布关系。同时文中提供了上述两种材料的动态力学性能参数,由这些参数可以认为PMMA为应变率敏感材料,在高速撞击下呈现“脆化”现象,而LY12CZ则为应变率不相关材料,在冲击载荷下呈现良好的塑性变形特性。     

不锈钢材料高温、高应变率下动态力学性能的试验研究

利用带有加热装置和同步组装系统的高温Hopkinson压杆系统对某不锈钢材料在温度20 ～ 800℃时,应变率103 ～ 104s-1下的动态压缩力学性能进行了测试,得到了材料在不同温度和应变率耦合作用下的真实应力-应变曲线.对比准静态结果,考察了材料流动应力的温度和应变率敏感性,并根据热激活位错运动理论对其内在机理进行了解释和探讨.试验表明,材料具有显著的热软化和应变率强化效应;且高温时,材料的温度敏感性、应变率敏感性均显著增加.     

SiC_P/Al-Cu复合材料动态再结晶行为及临界条件

利用Gleeble-1500D热模拟试验机对40%SiC_P/Al-Cu复合材料进行压缩实验,研究其在温度为350~500℃、应变速率为0.01~10 s~(-1)条件下的高温塑性变形行为。由实验得出变形过程中的应力-应变曲线,采用加工硬化率处理方法对应力-应变数据进行处理,结合lnθ-ε曲线的拐点和(-α(lnθ)/αε)-ε曲线最小值的判据,研究该复合材料动态再结晶临界条件。结果表明:40%SiC_P/Al-Cu复合材料的应力-应变曲线主要以动态再结晶软化机制为特征,峰值应力(σ_p)随变形温度的降低或应变速率的升高而增加;该材料的lnθ-ε曲线出现拐点,(-α(lnθ)/αε)-ε曲线出现最小值;临界应变(ε_c)随变形温度的升高与应变速率的降低而减小,且临界应变与峰值应变(εp)之间具有相关性,即ε_c=0.528εp;临界应变与Zener-Hollomon参数(Z)之间的函数关系为ε_c=4.58×10~(-3)Z~(0.09)。透射电镜观察显示应变为0.06时(变形温度为400℃,应变速率为10 s~(-1))已经发生动态再结晶,应变为0.2时,动态再结晶晶粒充分长大。     

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。     

冷轧态5B70合金超塑性行为研究

为了探究冷轧态5B70合金超塑性行为,利用高温拉伸试验对冷轧板材在不同参数下的变形规律进行研究。结果表明:在初始应变速率为5×10~(-4)～1×10~(-2) s~(-1)和拉伸温度为450～500℃范围内,冷轧5B70合金板材具有良好的超塑性;500℃为合金的最佳超塑性变形温度,1×10~(-3) s~(-1)为最佳初始应变速率,在最佳超塑性条件下合金的最大延伸率达到了670%,应变速率敏感性指数为0.43;在超塑性变形过程中,由于动态再结晶作用,原始纤维组织逐渐转变为等轴晶,并且晶粒明显细化;合金的超塑性变形是再结晶辅助下晶界滑移为主的变形机理,表现出了明显的晶间断裂特征。     

高纯α—Fe热压缩动态复原机制的研究

用高纯α-Fe在GLEEBLE-1500热模拟机上率进行了热压缩试验。变形温度分别为550℃,700℃,800℃和900℃,应变速率分别为0.001s~(-1),0.01s~(-1),0.1s~(-1),1s~(-1)和10s~(-1)。对其热压缩过程中的显微结构变化及真应力-真应变曲线进行的研究结果表明,形变温度的增加和应变速率降低有利于动态再结晶的进行;对动态再结晶与Z参数关系的研究结果表明,在一定的Z参数范围内即25<1nZ<37,高纯α-Fe可以发生动态再结晶,并给出动态再结晶图。     

HTPB推进剂高应变率粘弹性本构模型研究

为分析HTPB推进剂在高应变率条件下的力学响应,开展了推进剂分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验,得到了不同温度(-40~25℃)和应变率(700~2050s-1)下的应力-应变曲线。结果表明,HTPB推进剂在高应变率条件下具有显著的温度和应变率敏感性,且随着应变率的增加和温度的降低,推进剂的应力逐渐增加。在Burke模型基础上,结合超弹性和粘弹性理论,建立了一种考虑温度和高应变率效应的本构模型。通过不同温度和应变率条件下实验结果与本构理论预测对比,验证了本构模型的有效性,可为固体推进剂药柱点火瞬态结构完整性分析提供理论依据。     

航空透明聚氨酯胶片动态力学性能实验研究

对夹层玻璃中聚氨酯胶片的动态力学性能进行系统研究,可以为飞机和高铁风挡玻璃抗冲击性能的设计提供可靠的材料数据和模型。利用温度控制的Hopkinson拉、压杆试验装置和微型材料试验机(MTS5587)对聚氨酯胶片在-40~50℃温度范围、0.001~6 500s-1应变率范围内的力学行为进行了系统研究。结果表明:航空透明聚氨酯的力学性能具有明显的温度敏感性和应变率敏感性,随着应变率提高或温度降低,聚氨酯胶片的流动应力和割线模量也相应增加,表现出明显的应变率和温度效应,同时两者可能有一定的等效性。温度从-20℃下降到-40℃时,应力-应变曲线变化显著,表现出向玻璃态转变的特性。在0℃以上的温度时,同应变率下,动态拉伸应力-应变曲线的应力值要低于动态压缩曲线的应力值。而在温度低于0℃时,在同应变率下,动态拉伸应力-应变曲线的应力值则高于动态压缩曲线的应力值。     

飞机圆弧风挡鸟撞动响应研究

 以全尺寸鸟撞模拟试验测试的撞击力、位移、应变、应变率等参数为基础,研究了圆弧风挡的鸟撞动响应问题对鸟撞问题的性质、载荷计算方法及分析方法等进行了探讨,得出了一些有益的结论。     

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.      

氩气雾化FGH95合金的热模拟实验

采用Gleeble-1500D热模拟试验机进行氩气雾化FGH95合金的热压缩实验,在不同的温度和应变速率下,获得FGH95合金的变形应力应变曲线,根据变形数据,建立FGH95合金的变形本构方程,并基于动态材料模型,绘制合金的热加工图。计算得到氩气雾化FGH95合金的变形激活能Q=695.78 kJ/mol,通过建立的本构方程计算得出的峰值应力与实验值符合较好,平均误差范围约6%;根据热加工图,确定FGH95合金安全的热加工区域如下：1070~1100℃,0.01~0.001 s-1,当温度增加到1100℃以上后,应变速率可以增大到0.5 s-1。     

飞机风挡透明件的鸟撞分析

 本文研究了风挡透明件鸟撞动力响应的分析模型和方法。考虑了撞击载荷与风挡透明件动力响应的耦合作用和非线性效应。为了能方便地使用现有的非线性有限元分析程序并避免数值解的振荡现象,在研究中不采用常用的拉格朗日法和罚函数法,而是采用动量平衡法。同时,为了避免不断调整撞击接触点和修改网格,本文采用超弹性的橡皮材料来模拟鸟体,而不是象国外那样采用流体柱。研究和比较了衍生动载荷响应解,并提出相应的看法。     

TC4-DT钛合金高温热变形行为研究

利用Gleeble-3500型热模拟实验机,研究了TC4-DT损伤容限型钛合金在温度850℃～1000℃、应变速率0.01～10s-1、变形程度为40%～70%条件下的热变形行为,分析了该合金的流变应力行为及微观组织演变规律,并建立了本构关系模型。研究结果表明,TC4-DT合金在950℃以下的较低温度变形时应力软化现象非常明显,变形机制和热变形激活能不同于950℃以上的较高温度变形机制;在950℃以上高温度变形时,低应变速率(如ε=0.01s-1)促进了动态再结晶行为的发生,而在较高的应变速率(如ε=10s-1)时,一般只发生动态回复现象,动态再结晶行为受抑制。     

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。     

旋转离心应力对叶片鸟撞响应的影响

为避免航空发动机叶片在高速旋转工作状态时经常会发生外物损伤造成的严重事故,基于冲击动力学理论,建立了离心预应力作用下叶片外物撞击的非线性动力学模型,利用碰撞动力分析软件PAM-CRASH及其丰富的材料本构模型数据库,建立了旋转叶片受鸟体撞击的有限元分析模型,并在其环境下通过隐式静力求解来进行旋转状态下叶片的预应力分析,对不同离心栽荷下叶片鸟撞击进行数值模拟比较。结果表明,离心应力对叶片的瞬态响应及损伤特征有较大的影响,并获得了不同离心预载作用下外物损伤的一些规律。     

用SPH和有限元方法研究鸟撞飞机风挡问题

鸟与飞行中的飞机相撞是飞机结构损坏的重要因素,严重时会引发机毁人亡的灾难性事故。对高速低空飞行的军用飞机而言,风挡部分抗鸟撞的研究对保证飞行安全尤其重要。基于飞机圆弧风挡受鸟体撞击的实验观察,建立了国产某型军用飞机圆弧风挡及鸟体的计算模型,采用LS-DYNA3D中有限元和光滑粒子流体动力学(SPH)耦合的数值分析方法,对某飞机圆弧风挡受鸟体撞击的过程进行了数值模拟。计算结果得到了风挡结构的变形、位移和应变等几方面的数据,与实验结果基本吻合。同时,给出了500～650km/h速度范围内的撞击力和应力时程曲线、风挡发生破坏的临界撞速、圆弧风挡经受鸟体撞击时发生破坏的可能位置及其破坏方式。最后,与鸟体采用任意拉格朗日(ALE)和无网格伽辽金方法(EFG)进行了对比,验证了SPH方法在分析鸟撞问题中的优越性。研究结果为风挡的安全设计和研制新机型提供了有价值的数据。     

SiC颗粒增强铝基复合材料的热变形本构方程及其优化

通过热压缩试验研究了SiC颗粒增强铝基复合材料在应变速率为0.001～1s-1,变形温度为713～773K时的热成形性能,并在试验数据分析的基础上,引入Zener-Hollomon参数建立了用于描述复合材料高温变形行为的本构关系模型,通过分析比较和对本构方程的进一步优化,提高了颗粒增强型铝基复合材料本构方程的拟合精度,使得计算值更接近于试验值.     

注装梯恩梯(TNT)装药冲击Hugoniot参数的实验测定

本文利用一级轻气炮实验技术，对注装梯恩梯药进行了高应变率下的动态冲击实验，对实验方法进行了改进，设计了一种新型的轻气炮延伸炮管。根据实验数据结果，得到了注装ＴＮＴ装药的冲击Ｈｕｇｏｎｉｏｔ参数。