金属切屑塑性流动的稳定性

对金属正交切削过程中切屑形成机制和材料塑性流动行为进行实验研究和理论分析. 通过对4 种常用金属材料正交切削过程的实验研究和切屑形貌的微观观察,确定了连续切屑转变成锯齿切屑的临界速度. 结果表明该临界速度与材料性能相关. 在实验观察基础上,提出描述材料正交切削过程的二维分析模型. 该模型假设切屑形成区为包括主剪切区和次剪切区的一个平行四边形. 载荷有主剪切区中的剪应力和次剪切区中的正压力;通过量纲分析得到描述材料正交切削过程的无量纲主控参数和无量纲形式的基本控制方程;应用线性稳定性分析方法建立平面应变状态下评价材料塑性流动稳定性的普遍准则;求得切屑形成区内材料塑性变形的速度和应力近似解. 讨论切屑形成、形貌转变以及相关的塑性失稳机制. 分析结果表明, 表征材料惯性与阻尼之比的无量纲参数— 雷诺数可以作为主控参数描述金属切削过程以及切屑材料塑性流动的稳定性.      

难加工材料切削机理研究的新进展

航空发动机重要零件如机匣、压气机风扇叶片等广泛采用钛、镍基合金等先进结构材料.钛、镍基合金材料切削加工性较差,主要表现在材料热硬度和热强度很高,所需切削力很大,工件、刀具容易产生较大变形;材料热扩散率低;刀具切削深度线位置缺口现象严重,以及形成锯齿状切屑等几个方面.深入研究此类难加工材料的切削机理,对于实现薄壁件高效精密数控加工技术至关重要.本文重点介绍了关于高硬度金属材料锯齿状切屑的形成机制;非连续切屑形成过程的有限元数值模拟关键技术,包括自适应网格细化、切屑与工件之间的分离准则,以及用以描述单元网格中裂纹形核与扩展的断裂准则和算法;切削区域高温、高应变率条件下材料屈服流动行为的准确描述,系统考虑应变、应变率和温度三者之间的相互影响作用;切削温度场、工件表层残余应力场的分布规律,以期消除残余扭曲变形对航空工业中普遍使用的薄壁结构件加工精度的显著影响.      

影响金属玻璃中剪切带行为的微观机制

论文对金属玻璃发生剪切失稳形成剪切带的行为进行了分析,得到了其发生剪切失稳时的临界自由体积浓度,预测结果与实验观察和模拟结果吻合;利用两种方法对其剪切带厚度进行了预测,结果表明基于剪切失稳临界波长预测金属玻璃剪切带厚度的方法只在发生剪切失稳后极短的时间内有效,对成熟剪切带厚度的预测必须考虑自由体积的扩散效应;考察了金属玻璃的宏微观材料参数对其剪切带厚度的影响及其微观机制,发现金属玻璃剪切带厚度对其宏观材料参数(泊松比)不敏感,对与剪切相变区相关的微结构参数敏感.     

纳米尺度下切削过程的准连续介质力学模拟

采用准连续介质力学方法模拟了镍单晶体刀具在单晶铜工件上的切削过程,深入分析了切削过程中的能量演化?应力场变化和原子位移情况等因素.结合切削过程中位错滑移等塑性行为和原子径向分布理论,揭示了切屑产生的机理,证实了切削过程中已加工表面和体相晶体结构的非晶态变化是切屑产生的主要原因.通过对纳米切削过程不同阶段的模拟表明:刀具的耕犁作用下剪切带的形成和扩展是切屑形成的初始阶段;变质层的产生是纳米切削的中间阶段并构成了加工表面组织;储存在变形晶格中的变形能超过一定值时,晶格被打破,形成非晶态结构是切屑形成的最终阶段.     

高速切削过程中诱发绝热剪切带形成的热塑性剪切波

提出了高速切削过程中诱发绝热剪切带形成的热塑性剪切波的传播机理,针对锯齿形切屑中热望性区域内的塑性梯度变形特征、动量和能量耗散情况,建立了与切削条件相关的热塑性剪切波的传播模型及剪切带宽度模型.在此基础上,通过淬硬45钢的切削实验并结合改进的Johnson-Cook本构模型分析了热塑性剪切波的传播规律,并将剪切带宽度模型与已提出的DB模型、WR模型和DM模型做了对比,结果表明,由热塑性剪切波传播理论推导的剪切带宽度模型与实验结果较其他模型吻合较好.     

正交切削过程的刚塑性有限元算法及其实现

对刚塑性有限元用于正交切削分析中的切屑与基体材料分离准则、切屑与前刀面脱离判据等关键技术问题进行了系统的研究;建立了求解该问题的刚塑性有限元基本方程,给出了单元刚度矩阵和节点载荷列阵的详细算法以及金属大变形过程中网格畸变问题的处理技术。利用自行开发的正交切削模拟计算程序,对铝合金ZL-301创削过程进行了全程模拟,计算结果与试验结果吻合。     

泡沫金属压痕试验的数值模拟及其反演

在理论研究的基础上，将泡 沫金属压痕试验的有限元数值模拟结果与用无量纲分析法构造出的一系列无量纲函数相结 合，建立了泡沫金属压痕试验中载荷-压痕深度关系曲线与泡沫金属的弹塑性材料参数之 间的联系. 利用这种联系，就可以实现用压痕试验通过反演分析来确定泡沫金属的材料参数. 研究结果表明，泡沫金属材料的杨氏模量，屈服强度及塑性可压缩因子等参数均可由其压痕 试验唯一的确定，但其塑性平台区终点应变的确定还需进一步的研究.     

韧性金属圆环高速膨胀碎裂过程的有限元模拟

用数值方法模拟了韧性金属圆环的自由膨胀碎裂过程. 采用Johnson-Cook热黏塑性本构模型描述材料的动态变形和热软化特性, 采用包含内聚力失稳断裂准则的Johnson-Cook型损伤断裂模型描述材料的破坏和分离过程, 采用结合单元消去技术的ABAQUS/Explicit程序进行分析. 在特定膨胀速度下对多个圆环进行碎裂数值实验, 获得碎片样本集合. 研究证实, Grady-Kipp基于塑性卸载波传播机制的韧性碎片尺寸公式可以较好地预测碎片的平均长度. 模拟再现了圆环碎裂过程中塑性卸载波的传播,揭示了Grady-Kipp公式合理性的物理基础.      

具确定弱区域正交各向异性薄板的弹塑性屈曲分析

基于弹塑性力学和损伤理论,建立了一个与应力球张量有关的具损伤正交各向异性材料的混合硬化屈服准则,该准则无量纲化后与各向同性材料的Mises准则同构,在此基础上,建立了正交各向异性材料的增量型和全量型弹塑性损伤本构方程,并以具确定弱区域正交各向异性矩形薄板为例,根据屈曲时的能量准则和全量理论,以等效塑性应变为内变量,对其弹塑性屈曲问题进行了分析,讨论了几何参数和弱区域对正交各向异性薄板弹塑性屈曲临界应力的影响.     

陶瓷刀具切削区温度场的计算机模拟

在切削金属过程中所消耗的能量几乎９０％以上都转化为热，致使工件，切屑和刀具的温度都上升，其中刀具的温升与切削机理及切削参数密切相关，并且直接影响刀具磨损及其全用寿命。为了研究陶瓷刀具切削温度分布对其磨损规律和机理的影响，根据传热理论建立了数学模型，用计算机模拟编制出陶瓷刀具切削区温度场计算的专业软件，可以得出不同陶瓷料刀具在不同切削条件下切步同工件材料过程中的温度分布曲线图，而且实际测量值与模拟值     

类固体非晶态材料的变形与失效

自20世纪70年代以来, 类固体非晶态材料变形与失效的理论模型相继出现, 这些模型基于应力驱动分子重排从而在局部流动缺陷处发生剪切转变这一物理图像. 该图像是现代剪切转变区理论的基础, 也是本综述的焦点. 我们将首先概述该理论框架并给出一些应用案例, 特别是块体金属玻璃应力?应变测量结果的阐释, 剪切带数值模拟分析和剪切转变区运动方程在自由边界计算中的应用. 在本综述的第二部分, 为简单起见, 将关注非晶塑性的非热模型, 并基于该模型说明剪切转变区理论是如何从非平衡热力学的系统描述中发展起来的.      

不同爆炸载荷下TA2钛合金圆管膨胀破坏过程

金属柱壳破坏过程与材料、结构及载荷等相关,断裂结果呈现多种形式,采用有限元结合实验对不同爆炸载荷作用下,TA2钛合金圆管的破坏机制开展研究。有限元结果显示:对于理想均质柱壳,由于冲击波传播使壁厚中间形成二次塑性区,圆管壁厚中部的等效塑性应变总是大于内、外壁。在较高爆压下,裂纹在加载阶段从试样壁厚中部起始,沿45°或135°向内外壁剪切扩展;而在较低爆压下,破坏发生在自由膨胀阶段,断裂从内壁起始向外壁剪切扩展,两者破坏过程和机制不同,总体来说,与实验现象符合较好。相关实验中出现的一些外壁拉伸断裂现象,可能与试样的几何、材料缺陷等因素相关,其对金属圆管爆炸破坏的影响值得进一步关注。     

颗粒材料剪切流动状态转变的环剪试验研究

颗粒材料的剪切流动行为广泛地存在于滑坡、泥石流等自然灾害以及矿物原料传输、泵送等工业过程中.颗粒材料在不同体积分数、剪切速率和应力约束下会表现出不同的流动状态并发生相互转化.对颗粒材料在剪切流动过程中力学特性的研究有助于加深理解其发生不同流动状态的内在机理,为解决相应的颗粒材料问题提供理论依据.为此,本文研制了颗粒材料剪切流动的中型环剪仪,并对颗粒材料在不同法向约束应力和剪切速率下的剪切应力和体积膨胀率进行了测试.结果表明,剪切应力和体积膨胀率均随剪切速率的增大而增大,但增长速率在临界剪切速率处发生转变,使其随剪切速率的平方呈分段式线性增长.通过对颗粒材料在不同剪切速率和惯性数下有效摩擦系数变化趋势的分析,讨论了颗粒材料由慢速流向快速流转化的基本规律,以及在临界剪切速率处发生流动状态转化的内在条件.此外,通过对不同法向应力下临界剪切速率以及快速流动下运动规律的测试,发现临界剪切速率随法向应力的增加而减小,即法向应力可促进颗粒材料由慢速流向快速流的转化,但在快速流动状态下的有效摩擦系数对法向应力不敏感.以上对颗粒材料在不同剪切速率、法向应力下流动状态的环剪试验研究有助于揭示其发生不同流动状态转化的内在机理.      

基于应力波动的修正非局部流变模型

基于Pouliquen 提出的非局部流变模型,考虑颗粒流中某个位置重新排列引起的自激发过程,详细分析颗粒介质中应力波动幅值的概率密度分布形式以及剪切速率与体积分数的耦合作用,提出一种修正的非局部流变模型. 采用此修正非局部流变模型对斜面剪切颗粒流的流动特性进行了预测,颗粒流动的临界厚度、平均流动速度及剪切速率廓线的预测结果与实验结果定量吻合. 此修正模型的提出为复杂的密集颗粒流的描述和表征提供了一种新的研究思路.      

混凝土板在接触爆炸作用下的震塌和贯穿临界厚度计算方法

采用刚塑性模型描述介质的动力学行为，结合不可压缩条件和质量守恒条件及边界条件，构造塑性区的动力学许可速度场；利用极限平衡原理推导动力学许可速度场所对应的介质抗力的量纲一表达式；根据初始条件和边界条件，求解运动方程，分别得到爆炸震塌的临界厚度和爆炸贯穿的临界厚度，并推得能够反映爆炸源参数和材料参数综合性质的量纲一冲击因子。将推得的计算公式与经验公式对比分析，证明本文计算结果合理，推导的计算公式揭示了经验公式的物理本质，且具有较为广泛的适用范围。     

基于无量纲分析的法向恢复系数模型研究

作为描述接触碰撞过程能量损失的重要参量,恢复系数的深入研究对于提升现有接触碰撞力模型预测性能、准确描述接触碰撞现象,并进一步探明其对机械系统整体动态特性影响规律方面具有重要作用.鉴于现有恢复系数模型计算精度的局限性,本文基于无量纲分析方法,提出了一种考虑材料特性与初始碰撞速度的新型恢复系数模型.具体实施过程如下:首先,利用有限元软件ABAQUS建立弹性球-理想弹塑性基底法向接触碰撞数值仿真模型,分别从最小网格尺寸设置与接触碰撞能量转换角度验证了所建模型的有效性;基于此模型开展多工况下的数值模拟研究,分析不同材料弹塑性参数与初始碰撞速度对接触碰撞响应的影响;在此基础上,引入无量纲化参数E*/(ρv_nc²)与σ_y/E*,寻找恢复系数与弹塑性参数及初始碰撞速度间的函数关系;进一步结合Johnson塑性碰撞理论,反向推算获取屈服速度与材料属性的映射关系,最终建立无量纲化恢复系数新模型;通过与低速试验数据、高速有限元模拟结果的对比,验证了新模型的预测精度和泛化性能.     

陶瓷刀具干切削等温淬火球铁(ADI)的磨损机理研究

采用陶瓷刀具(CC650)和YG6硬质合金刀具对等温淬火球墨铸铁(以下简称ADI)材料进行干式精车切削试验, 采用带有X射线能谱分析的扫描电子显微镜观察刀具磨损表面形貌, 用能谱仪对刀具磨损微区和工件表面成分进行分析, 用X射线衍射仪对刀具、 ADI材料和切屑等试样进行物相分析, 研究陶瓷刀具磨损形态及其磨损机理. 结果表明: 刀具磨损的主要形式为磨粒磨损、粘着磨损、 扩散磨损及微崩和脱落; ADI材料中含有微量Al和Ti元素, 在较高速度下切削ADI材料时, 刀具与工件之间的亲和性增加而导致粘着磨损; 在刀具前刀面平均切削温度大于800 ℃以上时,ADI材料中的元素Fe和Si扩散到刀面,刀具中的元素Al和Ti扩散到ADI材料表面,从而加剧刀具的磨损;切削后ADI材料表面出现的Al2O3相及切屑中的FeCr相等高硬度化合物颗粒是造成CC650刀具磨粒磨损的主要原因.     

恒定大载荷划痕试验下紫铜的三维形貌及划痕硬度分析

采用圆锥形压头对紫铜进行划痕试验,并通过三维表面形貌仪获取划痕的三维形貌,研究正压力的变化对划痕沟槽所产生的影响. 结果表明:正压力的增大,使得划痕宽度和深度均线性增加,当正压力较大时,位错墙的形成使划痕深度出现周期性的波动,同时压头划刻过程伴有划痕两侧和前端的材料堆积现象,前端堆积高度和厚度、两侧堆积高度和宽度随着正压力的增加而线性增大. 通过“切削与塑性比”说明了压头对紫铜的刻划存在微犁耕和微切削两种变形机制,并且微切削机制在划刻过程中占主导地位. 磨损率随着载荷增加而线性增大,但划痕硬度不随载荷的变化而改变,约为0.77 GPa.      

亚临界雷诺数线性剪切流场中圆柱的气动升力特性研究

通过风洞模型试验和数值模拟研究亚临界雷诺数范围内线性剪切流场中圆柱的气动升力特性.剪切流强度采用由速度梯度、圆柱半径及圆柱中心前方来流的平均速度所定义的无量纲剪切参数β来表示.在风洞模型试验中使用主动控制风洞来方便地生成线性剪切流.在数值模拟中采用基于动态Smagorinsky亚格子模型的大涡模拟方法.研究发现,在亚临...     

不同加载速度下脆性颗粒的破坏特性

对直径为8mm的K9玻璃球进行了加载速度为2×10-7和2×10-6m/s的准静态单轴压缩实验以及加载速度为3.4、7.1和10.6m/s的动态单轴压缩实验,研究了K9玻璃单颗粒破碎强度的Weibull分布特性,结合破碎产物的形貌特征,分析了不同加载速度下脆性材料拉伸破坏机制和剪切破坏机制的转变过程,提出了一种拉剪耦合的时序破坏模型,由此揭示了加载速度与3个破坏区的关系。考虑拉伸和剪切失效准则,应用ABAQUS软件进行数值模拟,并初步验证了该破坏模型的冲击过程。研究结果对于认识脆性颗粒材料的动态破坏具有很好的参考意义。