异种不锈钢激光焊缝材料的动态本构关系

利用等应变测试法获取了304及316L激光焊接焊缝材料的准静态应力应变曲线,发现焊缝材料 具有明显的细晶硬脆化趋势。利用SHTB技术对304、316L及焊接构件材料高温动态力学性能进行了研究。 根据动态实验数据对不锈钢304及316L母材应变率及温度相关的Johnson-Cook本构方程参数进行了拟合。 利用LS-DYNA建立了SHTB动态拉伸实验数值模型,发现了在应力波加载初始阶段由于结构效应及材料 阻抗不匹配引起的应力不平衡现象。通过动态实验与数值模拟相结合的方法确定了焊缝材料的应变率相关 本构参数。     

Q235B钢动态本构及在LS-DYNA中的应用

采用万能材料试验机和分离式霍普金森拉杆（SHTB）装置,对我国钢结构建筑中最常用的Q235B钢进行准静态拉伸实验、高温拉伸实验和动态拉伸实验。基于实验数据对LS-DYNA常用的3种动态材料模型Cowper-Symonds本构模型、Johnson-Cook本构模型、Zerilli-Armstrong本构模型进行了拟合,通过Taylor杆实验对3种本构模型进行验证和对比分析。结果表明:Q235B钢具有较为明显的高温软化和应变率强化效应;Cowper-Symonds本构模型可以较好地适用于工程领域低速碰撞的模拟;Johnson-Cook本构模型可适用于较大应变率范围内的模拟;不推荐Zerilli-Armstrong本构模型在工程低速碰撞领域中使用。     

Comp.B复合炸药动态压缩力学性能和本构关系的研究

本文利用自制的含能材料变温动态压缩实验装置，采用准静态应变速率（１０－４／ｓ）和中等应变速率（３／ｓ），对国产复合炸药Ｃｏｍｐ．Ｂ进行了动态压缩实验。测试了Ｃｏｍｐ．Ｂ在不同温度、不同应变速率条件下的杨氏模量、断裂强度等力学性能参数。实验结果证明，Ｃｏｍｐ．Ｂ具有明显的应变率相关和温度效应。采用Ｊｏｈｎｓｏｎ提出的温度、应变率相关的本构模型，根据实验数据拟合了Ｃｏｍｐ．Ｂ材料的本构关系，分析表明该本构模型可以很好地描述材料的应变率和温度效应。这些基础研究为含能材料动态力学性能的研究和炸药早爆机理的理论分析提供了依据。     

基于Khan-Huang模型高强度钢DP600率相关特性实验与本构模型研究

对汽车用高强钢DP600在10-4s-1~103s-1应变率范围内进行力学拉伸实验,在此基础上,采用唯象的方法对Khan-Huang本构模型进行修正建立DP600考虑率敏感效应的本构模型,对高应变率下试样的拉伸过程进行数值模拟验证模型有效性.结果表明,高强钢常温下具有明显的应变率敏感特性,高应变率下材料的屈服应力接近低应变率下的两倍.对Khan-Huang本构模型进行修正后可以比较准确地描述材料在不同应变率下力学行为,且参数容易确定,便于在有限元软件中实现接口,因此该模型可进一步应用于汽车的碰撞安全数值仿真中.     

钛合金TB-2在高应变率下的动态应力应变关系

用分离式Hopkinson压杆对国产型钛合金TB-2的动态应力应变关系在高达3103S-1的高应变率下作了实验研究。试验结果表明TB2对应变率高度敏感,其本构关系可用Malvern粘塑性方程来表达。从高速变形下热-力学耦合的观点讨论了其应变硬化模量随应变率的增加而降低,从而有应变率敏感系数随应变增大而降低的特性。     

钛合金TC-4在高应变率下的动态本构关系

利用分离式Hopkinson扭杆对钛合金TC-4进行了高应变率下动态剪切本构关系的实验研究。结果表明TC-4对应变率高度敏感,对应变率的敏感性随应变率的提高而增加。其动态应力应变关系呈线性强化形式。但动态强化模量随应变率的提高而略有减少。采用Malvern给出的过应力模式_p={exp[(1/)(-f())]-1}/b可以较好地描述TC-4的动态剪切本构关系。     

金属铍的压缩变形行为

利用材料试验机及Hopkinson杆装置系统开展热等静压金属铍在不同温度下的静动态压缩力学行为研究,获得了温度、应变率对金属铍屈服强度和加工硬化行为的影响规律。结果表明:金属铍在压缩应力状态下呈现出良好的塑性,同时其力学性能具有显著的应变率敏感性与热软化效应,屈服强度和流动应力随应变率提高呈明显增大趋势,随着温度升高逐渐降低。同时,室温下其加工硬化行为随着应变增大表现为分段硬化特征,随温度升高则趋于理想塑性。最后,采用修正的Johnson-Cook本构模型对实验结果进行了拟合,模型计算结果与实验结果吻合较好。     

特种泡沫塑料的动态力学性能研究

通过大尺寸分离式Hopkinson压杆对特种泡沫塑料进行了高应变率冲击实验，完整地给出了该材料在高应变率下的动态应力应变曲线，并将结果和理论上的Eyring模型进行了比较，指出了这种材料在一定的应变率范围内，具有明显的应变率效应，同时从应力应变曲线的特点来看，这种材料又有良好的吸能特性，最后通过对实验数据的拟合，提出了便于工程应用的动态本构方程。     

基于元件组合理论的砂岩动态损伤本构模型

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）系统,对砂岩进行不同速度下的冲击试验,得到砂岩的应变率效应特征以及典型的动态本构曲线。该曲线分为近似线弹性阶段、塑性阶段、塑性增强阶段和正向卸载阶段。通过组合模型的方法,构建了砂岩含损伤的动态本构模型,借助LS-DYNA软件中的用户材料子程序UMAT接口实现对本构模型的二次开发,并对砂岩在冲击速度为7.5、9.5、11.5和13.5 m/s 4种情况下的SHPB动态冲击压缩试验进行模拟。结果表明:所构建的模型可以很好地描述砂岩的应变率效应和应力-应变曲线弹性段,并且动态峰值强度、最大应变均与试验结果一致,应变率、峰值强度、最大应变与试验结果的相对误差不超过10%。所构建的砂岩动态本构模型能够准确地描述砂岩在冲击作用下的动态力学特性。     

双层多功能布的动静态力学性能及本构关系

针对双层多功能布的物理特性,利用材料试验机和分离式Hopkinson压杆装置,展开了准静态和动态条件下材料的单轴抗压实验,获得了材料在不同应变率下的应力应变曲线和材料的失效应力、应变。实验结果表明：双层多功能布的动态失效强度明显高于准静态失效强度,而且随着应变率的增加,其动态失效强度呈现增加的趋势,即该材料具有明显的应变率硬化效应。对应力应变曲线进行拟合,给出了材料的动静态粘弹性本构关系。并对双层多功能布在不同应变率下的失效应变及材料的损伤结果进行了初步的分析。     

Mathematical modelling of the superplastic forming of a long rectangular sheet

Standard finite element software (ANSYS FEM-code) is used to model the superplastic forming of a superplastic sheet alloy into a rectangular die. As distinct from other known approaches the boundary value problem is stated in the present study in terms of the theory of creep. The results of finite element calculations are found to be in a good agreement with corresponding analytical solutions and experimental data for titanium sheet alloy Ti-6Al-4V. The approach suggested can be used in practice for estimating the current geometry and the thickness of the dome and the time intervals both for the constant gas pressure forming and for the constant strain rate forming.     

Constitutive Model for the Thermo-viscoplastic Behavior of Hexagonal Close-Packed Metals with Application to Ti-6A1-4V Alloy

In this paper, a new physically based constitutive model is developed for hexagonal close-packed metals, especially the Ti-6 A1-4V alloy, subjected to high strain rate and different temperatures based on the microscopic mechanism of plastic deformation and the theory of thermally activated dislocation motion. A global analysis of constitutive parameters based on the Latin Hypercube Sampling method and the Spearman's rank correlation method is adopted in order to improve the identification efficiency of parameters. Then, an optimal solution of constitutive parameters as a whole is obtained by using a global genetic algorithm composed of an improved niche genetic algorithm, a global peak determination strategy and the local accurate search techniques. It is concluded that the proposed constitutive modal can accurately describe the Ti-6 Al-4V alloy's dynamic behavior because the prediction results of the model are in good agreement with the experimental data.     

Determination of the Johnson–Cook Material Parameters Using the SCS Specimen

This note addresses the determination of the Johnson-Cook material parameters using the shear compression specimen (SCS). This includes the identification of the thermal softening effect in quasi static and dynamic loading as well as and the strain rate hardening effect in dynamic loading. A hybrid experimental–numerical (finite element) procedure is presented to identify the constitutive parameters, with an application to Ti6Al4V alloy. The present results demonstrate the suitability of the SCS for constitutive testing.     

钛合金TC4材料热处理工艺对圆筒在内爆炸载荷下膨胀半径的影响

对采用两种不同热处理工艺的钛合金TC4材料进行了Hopkinson拉伸实验、圆筒爆炸实验和数值仿真,从而确定了两种不同热处理工艺的优劣并通过微观分析揭示了钛合金TC4材料微观组织结构对内爆炸载荷下圆筒膨胀半径的影响。实验和数值分析表明:采用双重退火热处理工艺的钛合金TC4材料具有良好的动态力学性能。在相同的加载条件下,经此工艺处理的TC4圆筒在爆轰产物未泄漏之前有着充分的膨胀半径,而且也不容易形成绝热剪切破坏。同时,给出的依据高速摄影照片确定筒壳断裂点的方法是切实可行的,获得的断裂时间与数值分析结果吻合。     

Elastic–plastic analysis of two-dimensional functionally graded materials under thermal loading

The two-dimensional functionally graded materials, (2D-FGMs) have been recently introduced in order to significantly reduce the thermal stresses in machine elements that subjected to sever thermal loading. To the author’s knowledge no work was found that investigates the elastic–plastic stress analysis for 2D-FGMs. In the current work, a 3D finite element model of 2D-FGM plates made of ZrO₂, 6061-T6 and Ti-6Al-4V with temperature dependent material properties has been proposed to perform such analysis. An elastic plastic stress–strain relation based on the rule of mixture of the 2D-FGM has been introduced in the model. Also, a 3D finite element model of conventional FGM plates, of ZrO₂/Ti-6Al-4V and ZrO₂/6061-T6, with temperature dependent material properties has been proposed for the investigation of these plates too. Then, elastic–plastic stress analysis of the considered four plates (two conventional FGMs and two 2D-FGMs) under the same transient cyclic heating and cooling was carried out. It was found that heat conductivity of the metallic constituents of FGM has great effect on the temperature distributions that resulting from the thermal loads. Minimum temperatures variation and minimum stresses can be obtained using ZrO₂/6061-T6/Ti-6Al-4V 2D-FGM. Also, the results indicate that only ZrO₂/6061-T6/Ti-6Al-4V 2D-FGM can stand with the adopted sever thermal loading without fracture or plastic deformations.     

高熵合金药型罩射流成型与稳定性

近年迅速兴起的多主元高熵合金因其具有很宽的成分-性能调控范围及一系列优异力学性能, 有望替代紫铜成为新一代药型罩材料. 本文基于CrMnFeCoNi五元高熵合金动态力学性能实验和数值模拟, 探索该合金用作药型罩的适用性. 基于分离式霍普金森拉杆和材料试验机研究了高熵合金不同应变率及温度下的力学行为, 获得了高熵合金Johnson-Cook热黏塑性动态本构. 利用流动速度与临界压垮角关系对凝聚性高熵合金射流形成边界进行界定. 结合数值模拟验证了高熵合金射流形成边界的合理性, 并进一步揭示了射流高速拉伸断裂演化规律. 研究表明: 射流断裂时间与材料强度成负相关, 材料动态强度增大, 将会引起射流断裂时间下降. 本工作可为新型高熵合金药型罩结构设计提供参考.      

Ti-46Al-2Cr-2Nb和Ti6Al4V合金的干摩擦学性能对比研究

本文以商业Ti-6Al-4V合金为参照,考察了Ti-46Al-2Cr-2Nb(原子比)金属间化合物在不同载荷和速率下的干摩擦学行为,结果表明:Ti-46Al-2Cr-2Nb和Ti6Al4V合金的摩擦系数几乎相同,而Ti-46Al-2Cr-2Nb金属间化合物比Ti-6Al-4V具有更好的抗磨性;Ti-46Al-2Cr-2Nb和Ti6Al4V合金的磨损率均随载荷的增加而增加,Ti-46Al-2Cr-2Nb合金磨损率随滑动速率增加而增加,Ti-6Al-4V合金磨损率却随滑动速率增加呈下降直至稳定的趋势;Ti-46Al-2Cr-2Nb合金的磨损机制主要为疲劳磨损,Ti-6Al-4V合金的磨损机制为塑性变形,犁沟和剥落.     

双相钛合金Ti‑6Al‑4V微观缺陷疲劳演化的片层结构分布效应

本文研究疲劳载荷作用下双相钛合金Ti-6Al-4V中片层结构对微观几何缺陷区域演化的影响．基于晶体塑 性有限元(Crystal Plasticity Finite Element, CPFE)理论,建立含微观椭圆缺陷的双相片层代表性体积单元 (Representative Volume Element, RVE)模型,通过调控缺陷附近的微观组织形貌,使缺陷两端分别出现单相结构和 片层结构,以突出双态合金中片层结构分布对微观缺陷演化的影响．模拟结果表明,位于微观缺陷两侧的晶粒, 片层结构的应变敏感性更大,应变沿缺口环向和沿晶内均呈不连贯波动．片层结构通过调节晶内应变,扩大承载 范围,可提高双相钛合金的抗疲劳特性．这一研究结果可为双相钛合金的疲劳裂纹萌生提供一个新的解释途径     

Thermodynamics of Shape Memory Alloy Wire: Modeling, Experiments, and Application

A thermomechanical model for a shape memory alloy (SMA) wire under uniaxial loading is implemented in a finite element framework, and simulation results are compared with mechanical and infrared experimental data. The constitutive model is a one–dimensional strain-gradient continuum model of an SMA wire element, including two internal field variables, possible unstable mechanical behavior, and the relevant thermomechanical couplings resulting from latent heat effects. The model is calibrated to recent and new experiments of typical commercially available polycrystalline NiTi wire. The shape memory effect and pseudoelastic behaviors are demonstrated numerically as a function of applied displacement rate and environmental parameters, and the results compare favorably to experimental data. The model is then used to simulate a simple SMA actuator device, and its performance is assessed for different thermal boundary conditions.     

爆炸金属管的绝热剪切断裂宏观研究

本文介绍了45号钢、TC4钛合金及WTG05钨合金三种金属管在内部爆炸载荷下的宏观剪切断裂行为,并对此作了一些初浅的分析,提到了实验中发现的钛合金的一种反常单向性剪切起裂现象,同时发现该钨合金在爆炸应变率下表现为脆性断裂。