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。     

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。     

环氧树脂玻璃钢的动静态拉伸力学特性

为系统地研究环氧树脂玻璃钢在静、动态拉伸载荷作用下的力学性能，采用材料测试系统和分离式霍普金森拉杆对材料进行拉伸试验，获得0.001～0.1 s^-1及1 128～1 840 s^-1应变率下的应力-应变曲线和相应的力学参数。结果表明，动态加载下环氧树脂玻璃钢的应变率增强效应较为明显。为此，引入动态增强因子描述环氧树脂玻璃钢在高应变率下力学性能的增强。采用扫描电镜对损伤断面进行观测，发现动态加载下纤维束平整断裂，而非静态加载下纤维拔出失效。相较于静态加载，动态拉伸载荷作用下玻璃钢的基体-纤维界面断裂韧度更高。基于环氧树脂玻璃钢在动态拉伸下的力学响应，引入宏观损伤累积量，建立一种考虑损伤的非线性拉伸本构模型。拟合结果表明，该模型整体上可以反映环氧树脂玻璃钢在动态拉伸载荷作用下的力学响应。     

高导无氧铜的高压与高应变率本构模型研究

基于Y/G及G/B为常数的假设,构建了高导无氧铜的七种高压与高应变率本构模型.对于高导无氧铜进行了平面冲击波试验,采用纵向与横向锰铜应力计记录了试件中的纵向与横向应力,从而得到了屈服应力历史.用所构建的七种本构模型进行了数值模拟,并与高导无氧铜的平面冲击波试验结果进行比较.结果表明,平面冲击波载荷下高导无氧铜的屈服强度对于压力、密度、温度以及塑性应变的依赖性是本构描述的关键.而由Hopkinson试验取得的高导无氧铜高应变率本构模型,并不适合描述平面冲击波载荷下的本构特性. 关键词： 本构模型 高导无氧铜 平面冲击波试验 锰铜应力计     

基于温度与应变率相互耦合的泡沫铝本构关系

根据分离式Hopkinson压杆实验以及准静态实验得到的泡沫铝材料在不同温度以及不同应变率下的应力-应变曲线,分析了泡沫铝本构方程中温度效应与应变率效应之间的耦合关系,即温度越高,泡沫铝的应变率效应越显著。基于Sherwood和Frost提出的泡沫材料本构关系框架,对常温下的应变率敏感系数进行了温度项修正,修正后的本构方程在高温高应变率下与实验结果具有较好的一致性。最终得到泡沫铝在一定密度范围内包含温度项、应变率项较为完备的本构方程。     

冲击载荷下混凝土本构模型构建研究

 在对混凝土动态力学性能和现有本构模型综合分析的基础上,构建了一个新的适用于冲击响应问题数值分析的混凝土本构模型。该本构模型全面考虑了压力、应力第三不变量、变形的硬化和软化、应变率强化以及拉伸损伤等各个影响因素。将其加入LTZ-2D程序,确定了本构模型参数,对混凝土靶板的穿透问题进行了数值验证分析。计算得到的弹体剩余速度同实验结果基本一致,同时得到了混凝土靶板破裂的计算图像。计算结果及其分析表明,所构建的本构模型能够较好地反映冲击载荷作用下混凝土动态响应的主要特性。     

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。     

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。     

基于冰颗粒增强的冻土细观动态本构模型

为了直观地描述冻土在冲击加载下的动态力学性能和应力-应变关系,从细观出发,将冻土视为冰颗粒增强的复合材料,建立了基于冰颗粒增强的冻土细观动态本构模型。根据土相在冲击作用下层层破坏的特点,假定冲击层的动模量因冲击损伤而发生变化,在模型中引入了应变率项。利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对冻土进行冲击加载实验,通过改变温度和应变率,获得了冻土在不同实验条件下的动态冲击应力-应变曲线。实验结果表明,冻土具有明显的温度效应和应变率效应。模型计算结果与实验结果符合良好,验证了所建立的动态本构模型的合理性和适用性,具有很强的工程应用价值。     

高压、高应变率与低压、高应变率实验的本构关联性

 指出Johnson-Cook（J-C）、Zerilli-Armstrong（Z-A）、Bodner-Parton（B-P）本构方程在一定条件下的适用性,表明对于低压、高应变率实验,单一曲线假定似乎可以采用。通过等效应力、等效应变,可以将不同应力状态下的流动应力函数采用统一的方程描述。然而,这些本构方程的确立,并不包括平面冲击波实验。对适合于平面冲击波实验的Steinberg-Cochran-Guinan（SCG）本构方程,讨论了其方程中所包含的高压与高应变率耦合效应。指出,以剪切模量度量的流动应力具有应变率相关性。基于温度效应的新发现以及直接测量平面冲击波流动应力的新进展,分别用J-C本构及SCG本构方程估算了钨材料在高压、高应变率加载下的流动应力。结果表明,采用J-C本构估算的流动应力仅在压力为10 GPa以下才能与实验数据相近,当压力高于10 GPa时,流动应力只能采用SCG本构估算。也指出了高压、高应变率本构方程与低压、高应变率本构方程所对应的不同物理背景。     

不同硬度30CrMnSiNi2A钢的动态本构与损伤参数

为研究材料硬度对30CrMnSiNi2A钢动态本构与损伤参数的影响,基于万能材料试验机、分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置,研究了4种不同硬度30CrMnSiNi2A钢的准静态和动态力学性能。利用屈服强度与应变率、等效塑性应变的关系确定了Johnson-Cook强度模型参数,通过失效应变与应力三轴度、应变率的关系确定了Johnson-Cook失效模型参数,分析了强度模型和失效模型中参数的变化规律。结果表明:随着硬度的增加,30CrMnSiNi2A钢的塑性减弱,脆性增强,应变率敏感性减弱;硬度对30CrMnSiNi2A钢的动态本构与损伤参数有显著影响。     

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。     

退火铝合金中Portevin-Le Chatelier效应的数值模拟研究

通过综合考虑沉淀动力学和动态应变时效机理，建立了一套具有明确物理内涵的唯象本构模型.并在对不同加载应变率下的单轴拉伸实验的数值模拟中，得到了3种类型的Portevin-Le Chatelier效应应力曲线.计算结果与实验数据的较好吻合，验证了该模型的有效性. 关键词： Portevin-Le Chatelier效应 动态应变时效 数值模拟     

考虑温度效应的泡沫铝准静态压缩本构模型

采用MTS材料试验机研究了不同密度(0.322~0.726g/cm~3)的闭孔泡沫铝在温度范围25~500℃下的准静态压缩力学性能,得到了泡沫铝在不同温度下的单轴压缩应力-应变曲线,分析了密度以及温度对其力学行为的影响。利用Liu和Subhash提出的本构模型对不同密度泡沫铝的应力-应变曲线进行拟合,分析并确定了模型中各参数随密度变化的函数,再代入Liu-Subhash模型,得到了泡沫铝的准静态压缩本构模型。通过引入温度软化项对准静态压缩本构模型进行修正,建立了考虑温度效应的泡沫铝准静态压缩本构模型,对闭孔泡沫铝的工程应用具有指导意义。     

5083铝合金宽应变率实验与基于损伤的本构模型研究

5083铝合金材料在工程领域应用广泛,会受到包括冲击和碰撞等多种不同情况的强动加载,亟需对其宽应变率加载下的力学性能及其本构模型开展研究。首先,对5083铝合金进行了系统的准静态实验及中、高应变率加载下的拉伸和压缩实验,得到了宽应变率加载下的应力-应变曲线。实验结果表明,该材料在同一实验条件下所得到的应力-应变曲线,其强化阶段的拉伸曲线总是低于压缩曲线,并从微观机制上对这一现象进行了合理解释。然后,通过引入损伤,考虑了损伤对该材料拉伸加载情况下的力学性能影响。基于连续介质力学及其实验结果,获得了损伤演化方程。最后,借助改进的Johnson-Cook(JC)本构模型,并基于已确定的损伤演化方程,得到了考虑损伤的5083铝合金本构模型。通过实验曲线与所得模型曲线的对比,吻合良好,表明该模拟具有很好的适用性,能够对该材料的工程应用提供有效的科学依据、分析模型和必要的参考。     

G50钢与G31钢动态力学性能的对比试验研究

采用拉伸、冲击、霍普金森杆压缩及所设计的爆轰加载试验方法,对比研究了G50钢与G31钢在准静态、动态及爆轰加载条件下的力学性能。试验结果表明:G50钢和G31钢在准静态、10^3 s^?1应变率下的动态力学性能相近;在爆轰加载条件下,G50钢和G31钢试样发生了近乎相同的破坏形态,说明在超高压及超高应变率条件下两种材料具有相近的屈服强度和抗拉强度。研究结果表明,G31钢与G50钢有相似的力学性能,在侵彻战斗部壳体方面可做进一步的应用尝试。     

硅橡胶拉伸行为的应变率相关性测试和表征

为了研究硅橡胶在不同应变率下的冲击拉伸响应,对硅橡胶板材进行了应变率为0.001 s–1的准静态单向拉伸测试、应变率为15 s–1的中应变率单向拉伸测试以及应变率分别为350 s–1和1400 s–1的高应变率单向拉伸测试。实验结果表明,硅橡胶的单向拉伸力学行为呈现出明显的非线性弹性和应变率相关性特征。在实验结果的基础上,提出了一个可用于描述硅橡胶在不同应变率下拉伸力学响应的宏观唯象黏超弹性本构模型。该模型假设硅橡胶在拉伸加载下的力学响应是超弹性响应和黏弹性响应的组合,其一维流变学形式可以简述为一个超弹性的弹簧和一个松弛时间率相关的Maxwell体的并联。模型拟合结果与实验结果的对比显示,该模型能有效表征硅橡胶在大应变率范围内的非线性拉伸力学行为。     

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。     

聚氯乙烯弹性体动态拉伸力学性能实验研究

为研究软质高分子聚合物材料的静、动态拉伸力学性能,利用Instron-5943万能材料试验机和改进型分离式霍普金森拉杆(SHTB)实验装置对聚氯乙烯(PVC)弹性体材料进行了静、动态拉伸实验,得到了该材料在应变率为0.1 s~(-1)及400～1 850 s~(-1)下的应力-应变曲线。动态拉伸实验过程中,联合波形图分析和高速摄像方法对试样连接方式和胶黏剂进行了优选,通过脉冲整形器延缓入射波上升沿以实现恒应变率加载,调整入射杆与吸收杆间空隙解决了入射波基线偏离问题。结果表明:PVC弹性体在准静态(0.1 s~(-1))拉伸载荷下具有明显的线弹性特征,在动态(400～1 850 s~(-1))拉伸载荷下具有一定的黏性特征。构建了朱-王-唐(ZWT)非线性黏弹性本构模型以表征PVC弹性体材料的黏弹性力学特征,实验与模型拟合结果较吻合。     

高强度合金钢30CrMnMoRE/30CrMnSi的动态力学性能

针对合金材料在高冲击作用下的力学响应,采用分离式Hopkinson压杆(SHPB)系统确定武器弹药中常用的高强度合金30CrMnMoRE和30CrMnSi在不同应变率下的动态应力-应变关系,得到其动态应力-应变曲线及屈服强度,并结合Johnson-Cook模型对其动态本构进行拟合。结果表明,两种材料的应力-应变关系、强度等参数表现出明显的应变率相关性,随着应变率的提升,材料得到进一步强化,30CrMnMoRE的动态强度提高约79%,30CrMnSi的动态强度提高约50%。