有效的板料成形反向模拟法应力修正策略

金属在流经凹模圆角时受到强烈的弯曲作用,传统的板料成形反向模拟法没有考虑变形历史对应力预测的影响,使得反向模拟法计算的应力值与实际情况有较大偏差.针对反向模拟法无法准确预测成形零件应力分布的缺点,提出一种快速搜索流经凹模圆角区域的单元的方法,对该部分单元进行应力修正.采用一种高效的单轴连续拉伸应力应变本构关系模型,避免了增量有限元法应力应变更新算法的复杂性,同时充分考虑了凹模圆角对金属变形历史的影响.NUMISHEET'93盒形件拉深的标准考题中,通过与增量有限元模拟软件DYNAFORM计算结果的比较,验证了采用提出的多步连续拉伸本构关系模型可以有效地反映变形历史的影响,获得更加接近实际的应力分布.     

高温高应变率下混凝土材料的损伤演化方程

采用?74 mm大口径分离式霍普金森压杆(SHPB)对不同温度(20、200、400℃)下的C45混凝土材料进行动态力学性能实验,得到了不同温度、不同应变率下混凝土材料的应力-应变曲线。实验结果表明:在20~400℃温度范围内,混凝土材料具有温度硬化和应变率硬化现象。基于上述实验数据给出了损伤变量关于塑性应变的关系式,并通过相关实验数据确定了不同温度、不同应变率下损伤演化方程的材料参数。将该损伤演化方程应用于混凝土材料的本构关系中,预测结果与实验数据具有较好的一致性,证明了所提出的高温、高应变率下混凝土材料损伤演化方程的合理性。     

高温高应变率下ZL101A铝合金的流变应力特征与本构模型

采用分离式霍普金森压杆系统和高温设备对ZL101A铝合金进行了常温和高温下的动态压缩实验,得到了应变率范围为2 900～6 100 s^-1、温度范围为20～600℃的动态压缩应力-应变曲线。实验结果表明：ZL101A铝合金具有应变率硬化效应,并且随着温度的升高,应变率硬化效应减弱;ZL101A铝合金在不同应变率下均存在明显的温度软化效应,且随着温度的升高,塑性变形引起的绝热温升使热软化作用增强。为了得到应变率和温度对材料流变应力的影响,将应变率效应和温度效应进行解耦,得到一种适用于ZL101A铝合金材料的动态本构模型。对比模型预测结果与实验数据发现,建立的本构模型可以很好地描述ZL101A铝合金的流变应力特征。     

金属恒温塑性力学过程的热力学研究

由于弹性学的热力学函数不能对塑性学推广,本文用以位错为基础的热力学函数反映了塑性现象的位错实质,并以此热力学函数建立了金属恒温弹塑性力学过程的热力学基本方程,即赫姆霍兹自由能变化dF_T的熵产生表达、耗散表达及熵产生与耗散之间的关系;对于恒温弹塑性应力-应变循环,证明了无论它是否为热力学循环,循环功都是正塑性功,加载功常大于卸载功;对于热力学循环,塑性功全部耗散;对于非热力学循环,因自由能永动机不存在,塑性功未全部耗散.本文理论很可能为金属塑性力学过程研究提供一个不可逆过程热力学基础.     

高温高应变率下G550冷弯钢的动态力学行为

为研究G550冷弯钢在高温和高应变率下的动态力学性能,采用高温同步控制霍普金森拉杆装置,开展了不同温度下的高应变率拉伸试验,并在高速液压拉伸试验机上进行了室温下的中应变率拉伸试验。通过获得的应力-应变曲线,得到了材料的本构模型,结合微观形貌分析,探究了温度和应变率对流变应力的影响。结果表明：G550冷弯钢具有明显的应变率强化和温度软化效应。在特定的高应变率范围内(1 000～1 500 s^-1),温度对流变应力的影响大于应变率。基于温度软化系数随温度变化的特征,提出了G550冷弯钢的修正Johnson-Cook本构模型。该模型可以较好地描述G550冷弯钢在高温和高应变率下的动态力学行为,从而为G550冷弯钢在高温、爆炸冲击相关的有限元仿真提供参考。     

高温SHPB冲击实验技术及其应用

 为研究高温下材料的动态力学性能,研制了一套适用于分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB）高温冲击实验的温控系统。利用该温控系统和Φ100 mm常规SHPB装置,对混凝土在高温下的动态力学性能进行了实验研究,实验温度分别为20、200、400、600、800和1 000 ℃。结果表明：由管式实时加热装置和箱式预加热炉组成的温控系统操作方便,实验效率高,试件组装方法简便可行;热传导导致的试件温度分布不均匀和压杆局部温升对实验结果产生的影响可以忽略,实验技术可靠;高温下混凝土动态力学性能的温度效应十分明显,相同冲击速率下,随温度升高,平均应变率逐渐增大,动态应力-应变曲线逐渐表现出塑性特性,动态抗压强度随温度升高先增大后减小,动态峰值应变随温度升高不断增大。     

喷射成形FGH4095的热变形特征

研究了喷射成形高温合金FGH4095在温度为1010—1140℃、应变速率为0.001—10.0s^-1下的热变形行为,并使用双曲正弦模型建立了喷射成形FGH4095的本构方程.结果表明:本构方程预测结果与实验值符合较好,为喷射成形FGH4095热加工过程的数值模拟提供了较准确的模型.     

基于力磁耦合效应的铁磁材料修正磁化模型

Jiles-Atherton (J-A)模型和Zheng Xiao-Jing-Liu Xing-En (Z-L)模型在分析应力对铁磁材料磁化的影响方面应用十分广泛.目前, J-A模型中的磁致伸缩应变与应力和磁化强度的关系式采用Jiles给出的经典拟合公式,该拟合公式中磁化强度的二次项和四次项系数与应力均为线性关系,不能准确描述铁磁材料磁致伸缩系数随应力、磁化强度的非线性变化规律; Z-L模型中磁致伸缩应变与应力和磁化强度的关系式采用了双曲正切函数tanh(x),更好地描述了铁磁材料磁致伸缩应变和磁化强度随应力的非线性变化规律,但Z-L模型却没有考虑Weiss分子场、钉扎效应的作用,且由于采用了基于弹性能的接近定理,只能描述弹性应力对磁化过程的影响.针对上述问题,本文结合Z-L模型中的非线性磁致伸缩应变关系式以及J-A模型中的磁滞理论,考虑弹性应力、塑性变形对模型参数的影响,建立了能够反映弹-塑性阶段应力与塑性变形对铁磁材料磁化曲线影响的修正磁化模型,分析了弹性拉、压应力及塑性拉、压变形对磁化曲线、矫顽力和剩余磁化强度的影响规律.通过与试验结果及原有模型的计算结果进行对比,发现修正模型能够更好地反映单次磁化、循环磁化过程中应力、塑性变形对磁化曲线的影响规律,理论预测结果与试验结果之间的相关系数均在0.98以上,可为分析力磁耦合效应对铁磁材料磁化影响规律提供更准确的理论模型.     

热功学与塑性变形关系的研究

从塑性过程的不可逆性 ,讨论了热功定律与塑性变形之间的关系 ,论证了任何塑性应力应变关系符合热功定律的要求 ,且受热功定律的制约。     

激光加热的微塑性成形有限元模拟

针对难成形材料微构件成形困难的特点,提出基于激光双面加热的微塑性成形方法。采用有限元分析软件ABAQUS,建立了基于激光加热的微镦粗圆柱形工件的热力耦合有限元模型,并对激光加热后工件的温度场分布和微塑性成形进行了模拟和应力分析。结果表明,采用激光双面加热的方法可以为微塑性成形建立合适的温度场,激光加热状态下的微塑性成形力明显降低,提高了微塑性材料的成形性能,拓宽了微塑性成形技术的应用范围。     

高温、高压、高应变速率动态过程晶体塑性有限元理论模型及其应用

对于高温、高压、高应变速率加载条件下的材料冲击变形行为,动态晶体塑性模型能够直接反映晶体中塑性滑移的各向异性及其对温度、压力和微观组织结构的依赖性,因而广泛应用于材料的动态冲击力学响应、微观结构演化以及动态损伤破坏的模拟。本文综述了高压冲击下动态晶体塑性有限元的理论模型,主要包括变形运动学、包含状态方程的超弹性本构模型和晶体塑性本构模型,涉及位错滑移、相变、孪生等塑性变形机制,以及层裂、绝热剪切带等动态破坏方式。     

简论金属材料JC本构模型的精确性

通过比较JC模型预测结果与6种金属(2024-T351铝合金、 6061-T6铝合金、OFHC无氧铜、4340高强钢、Ti-6Al-4V钛合金和Q235软钢)在不同应变率及温度下的实验数据,对JC本构模型的精确性进行了关键评估。为了进一步评估其精确性,采用JC本构模型和失效准则对平头弹正撞2024-T351铝合金靶板进行数值模拟,并与实验结果比较。结果表明:JC本构模型只适用于中、低应变率和温度下的Mises材料,对非Mises材料该模型预测的剪切应力-应变曲线和失效与实验结果吻合较差;同时,JC本构模型的精度随应变率和温度的提高而降低,特别是在高应变率条件下利用实验得到的动态增强因子进行相应数值模拟时,所得计算结果与弹道穿透实验结果不一致,说明其表达式(即准静态应力-应变关系×动态增强因子)是不恰当的。     

弹粘塑性双球壳塌缩热点反应模型

 基于Kim的弹粘塑性单球壳塌缩模型,考虑PBX炸药中的粘结剂效应,假设炸药和粘结剂均为弹粘塑性材料,建立了弹粘塑性双球壳塌缩热点反应模型,给出了炸药球壳在冲击压力作用下的速度、应变、温度和化学反应速率的时空分布,以及新的热点反应速率理论表达式。把新的热点反应项与Kim的低压下慢反应项和张震宇提出的高压反应速率方程相结合,得到了新的冲击起爆三项式细观反应速率模型。把该模型加入DYNA2D中,模拟了PBX-9501炸药的一维冲击起爆过程,结果表明：该模型除了可以解释炸药颗粒度和孔隙度的影响外,还可以较好地描述粘结剂强度和含量对PBX炸药冲击起爆感度的影响。     

高温处理后活性粉末混凝土动力学行为及本构模型研究

 利用分离式霍普金森压杆系统,采用铅片作为整形器,分别对常温下及400、600、800 ℃高温处理后的活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete,RPC）试样进行单轴冲击压缩实验,研究高温后RPC材料的动态力学性能,建立高温处理后材料的率型本构模型。结果表明：经不同高温处理后的RPC材料的动态抗压强度和韧性指标均有较明显的应变率敏感性,而峰值应变、初始弹性模量受应变率影响不大;不同应变率下,400 ℃以上高温处理后RPC材料的单轴动态压缩力学性能有所降低。扫描电镜分析表明,高温处理后RPC材料微观结构的劣化是宏观力学性能降低的根本原因。对ZWT粘弹性本构模型进行了修正,修正后的模型适用于混凝土材料经高温处理后的率型本构关系的分析。     

材料参数拟合方法对弹靶侵彻仿真的影响

弹靶侵彻仿真中材料参数对计算结果有着至关重要的影响。为寻求一套适用于弹靶侵彻仿真计算的材料参数拟合方法,借助前期开展的靶板材料动态力学性能试验、靶板材料断裂试验,通过不同拟合方法依次得到不同的JC本构模型及失效模型参数,依据试验建立有限元计算模型,将数值计算结果与试验结果进行对比。结果表明:(1)对于同一材料的力学性能试验,采用不同的拟合方法可得到不同的JC本构、JC失效参数,二者会对弹靶仿真结果造成一定影响;(2)在不考虑温度软化项的前提下,采用高应变率作为参考应变率进行拟合能更加准确地表征材料在高应变率下的应力-应变关系,更加适用于弹靶侵彻强瞬态、高应变率作用过程仿真;(3)对于同一JC本构模型,采用平均应力三轴度拟合的JC失效模型较采用初始应力三轴度拟合的JC失效模型所得战斗部剩余速度计算结果偏小,仅采用拉伸试件结果拟合的JC失效模型较采用扭转、拉伸试件结果拟合的JC失效模型所得战斗部剩余速度计算结果偏小。     

比较93钨合金材料的3种本构模型

在温度范围296~1 273 K、应变率范围0.000 5~6 000s-1内,对93钨合金材料(93%W-4.9%Ni-2.1%Fe)的力学行为进行了系统研究。实验结果表明:钨合金的塑性流动应力对温度和应变率非常敏感,它随温度的降低和应变率的增加而提高;真实塑性应变达到0.6时未出现剪切破坏。针对实验得到的应力-应变关系,分别进行了两种唯象本构模型(JC本构模型和KHL本构模型)和一种基于物理概念的本构模型(PB本构模型)的流动应力拟合。通过误差分析和应变率阶跃实验,对这3种本构模型的预测效果的精度进行了分析和评价。     

冲击载荷下非晶态碳材料的动态响应模型研究

 在一维应变冲击加载条件下，采用两个石英压力传感器进行了双值应力历史测量，对非晶态碳材料的动态响应特性进行了分析研究。研究结果表明，非晶态碳材料的冲击响应是简单稳定的，在试验冲击应力范围内为非线性弹性响应，Hugoniot曲线呈上凸的，表明材料内部传播的不是一个冲击波而是一簇压缩波，因此可采用特征线方法来解该冲击波问题，并用Riemann积分法对冲击应力过程进行修正，得到材料更精确的Hugoniot方程。还采用COPS程序对该材料的冲击响应过程进行了数值模拟，数值模拟曲线与试验曲线是很吻合的。表明采用Riemann积分法处理是合理的，此方法可以在VISAR测量中得到应用。     

应变效应对金属Cu表面熔化影响的分子动力学模拟

采用Mishin镶嵌原子势，通过分子动力学方法模拟了金属Cu 的(110)表面在不同应变下的熔 化行为，分析了表面熔化过程中系统结构组态和能量的变化以及固液界面迁移情况.金属Cu 的(110)表面在低于热力学熔点的温度下发生预熔化，准液体层的厚度随温度升高而增加.当 温度高于热力学熔点时，固液界面的移动速度与温度成正比，外推得到热力学熔点为1380K ，与实验结果1358K吻合良好.应变效应（包括拉伸和压缩）导致热力学熔点降低，并促进表 面预熔化进程.在相同温度条件下，准液体层的厚度随应变绝对值的增加而增大.应变效应导 致的固相自由能增加是金属Cu(110)表面热稳定性下降的主要因素，且表面应力和应变方向 的异同也会影响表面预熔化的进程. 关键词： 表面预熔化 热力学熔点 表面应力 分子动力学     

高频CO_2激光脉冲写入光子晶体光纤长周期光栅的高温退火特性研究

报道了高频CO2激光脉冲在无限截止单模光子晶体光纤上写入的长周期光纤光栅的高温快速退火特性。实验发现以大约600℃为转折点,在退火温度低于600℃时,退火后的光栅谐振峰在低于退火温度的高温环境中的温度响应和应变响应都不稳定,线性度和重复性都较差;而在退火温度高于600℃而低于700℃时,退火后的光栅谐振峰在低于退火温度的高温环境中的温度响应和应变响应都很稳定,线性度和重复性也很好。如果将光栅加热到更高温度时,光栅会被慢慢部分擦除掉。通过对CO2激光脉冲在光纤上写入光栅过程引入光纤轴向不均匀的应力在不同高温下释放效率和程度的分析,对该现象进行了解释。     

刚热粘塑性轴对称一维流的解法

 根据轴对称一维流动的控制方程，采用刚塑性流体假设，将偏微分方程组化为一阶常微分方程组，从而可引入热粘塑性本构关系。利用成熟的一阶常微分方程组解法求解。文中还对厚壁圆管承受外压作用下塌缩运动情况、应力分布、温度分布进行了计算。