受火后6060-T6铝合金材料性能研究及本构模型标定

为评估铝合金结构受火后动态力学性能,应使用合理的受火后铝合金材料本构模型,采用万能试验机和分离式霍普金森压杆设备对结构用6060-T6铝合金开展系列受火后力学性能试验。首先,研究其力学性能指标随5个温度梯段的变化规律,发现材料在受火温度为450℃时弹性模量、屈服强度与抗拉强度最小;其次,选用经450℃受火冷却后6060-T6铝合金作为研究对象,当温度升高时,受火后铝合金表现出温度软化现象;然后,标定了能合理描述受火后铝合金塑性变形行为的Modified Johnson-Cook(MJC)本构模型;最后,采用一级轻气炮靶板冲击试验,得到受火后6060-T6铝合金弹道极限与失效模式,使用ABAQUS数值仿真软件建立相应靶板冲击模型,通过试验与仿真结果对比,验证了MJC本构模型参数的有效性。

应力状态在球形弹丸撞击6061-T6铝薄靶弹道行为数值预报的作用

针对部分金属材料延性断裂、应力三轴度及Lode参数同时相关问题,将两个含Lode参数影响的断裂准则写入有限元程序ABAQUS,用于1.6 mm厚6061-T6铝合金靶板在7.9 mm直径球形弹丸撞击下断裂行为及弹道极限数值预报。为揭示应力状态影响,用两种不考虑Lode参数影响的断裂准则进行有限元计算,并与试验对比。结果表明,引入Lode参数可提升6061-T6铝合金靶板断裂行为及抗侵彻性能的数值预报效果。

7075-T651铝合金靶板剪切冲塞的试验和数值模拟研究

为揭示在断裂准则中引入Lode角的必要性,在一级轻气炮上开展了刚性平头弹侵彻7075-T651铝合金靶板试验,获得了靶板的断裂行为和弹道极限;通过圆棒试样拉伸试验和平板试样剪切试验,标定了Johnson-Cook(JC)本构模型和断裂准则参数和一种Lode角相关的断裂准则;运用ABAQUS软件,分别采用Lode角相关和无关断裂准则对试验进行了三维数值模拟,并对Lode角的影响进行了分析。结果表明:在刚性平头弹撞击下,7075-T651铝合金靶板发生剪切冲塞破坏;7075-T651铝合金的断裂与Lode参数相关,剪切带中初始失效材料的应力三轴度低于0且Lode角接近0,用圆棒拉伸试验标定的JC断裂准则高估了断裂应变;采用JC断裂准则预报的断裂行为与试验有较大差别,得到的弹道极限比试验值高大约42%;采用Lode角相关断裂准则得到的弹道极限与试验结果吻合较好。

ABAQUS有限元程序中Jonson-Cook断裂准则与原始模型的差异及对比分析

Johnson-Cook断裂准则包含了应力三轴度、应变率和温度对材料延性的影响,广泛应用于金属材料在高应变率下断裂行为的预测,如爆炸冲击和切削。但是ABAQUS中Johnson-Cook断裂准则(J-C-A)的表达式与原始Johnson-Cook断裂准则(J-C)有差别,在ABAQUS中输入按J-C准则标定的模型参数时便会得到错误的材料断裂性能。不幸的是,部分研究者没注意到这个差别。将J-C断裂准则与J-C-A断裂准则进行了对比,并以Weldox 460 E钢的失效应变为例,展示了J-C的预报效果以及采用J-C模型参数的J-C-A准则的预报效果。最后,以公开文献中的一篇错误应用报道为例,详细说明了错误输入模型参数的预报效果。

弹体高速入水特性实验研究

进行了速度在35～160m/s的平头、卵形和截卵形弹体入水实验,利用高速相机记录了弹体入水和空泡扩展的详细过程,得到了3种弹体在入水初期的水中弹道轨迹和空泡形状,并比较分析了弹体头部形状对入水弹道稳定性的影响。结果表明,平头弹体在水中飞行有良好的弹道稳定性,截卵形弹体往往由于受力不均衡在入水后期发生偏转,卵形弹体则在入水前期即发生偏转。假定弹体入水过程中的阻力系数为非定值,修改了柱形弹体水中速度衰减数学预报公式,同时根据能量守恒建立了平头弹体入水的空泡形状模型,计算结果与实验结果吻合良好。

2A12铝合金本构关系和失效模型

通过万能材料试验机、扭转试验机、霍普金森拉杆和Taylor撞击实验研究高强铝合金2A12在常温至250℃的准静态、动态本构关系和失效模型。基于实验结果,修改了Johnson-Cook强度模型中的应变强化项以及Johnson-Cook失效模型中的温度软化项,并结合数值仿真得到了模型参数。实验结果表明,2A12铝合金的应变强化效应和温度软化效应显著,而应变率硬化效应不显著;失效应变随温度的增加、应力三轴度的减小和应变率的增加而增加。

7A04铝合金的本构关系和失效模型

使用万能材料试验机、扭转试验机和Taylor撞击实验研究了高强铝合金7A04在常温至250℃的准静态、动态本构关系和失效模型。基于实验结果,修改了Johnson-Cook强度模型中的应变强化项以及Johnson-Cook失效模型中的温度软化项,并结合数值模拟标定了模型参数。实验结果表明,7A04铝合金的应变和应变率强化效应不显著,失效应变随温度的增加、应力三轴度的减小和应变率的减小而增加。

7A04-T6高强铝合金板对平头杆弹抗侵彻行为的试验与数值模拟研究

为了解高强铝合金对动能杆的抗侵彻性能,在一级轻气炮上开展了直径5.98 mm的平头刚性弹侵彻6mm厚7A04-T6铝合金靶板的打靶试验,撞击速度范围为73.9~446.5 m/s。获得了弹体贯穿靶板后的剩余速度以及靶板的断裂行为,通过拟合初始-剩余速度数据得到了弹道极限。同时,在ABAQUS/Explicit中建立了三维有限元模型对打靶试验进行了数值计算,7A04-T6的力学行为通过Johnson-Cook本构模型和修正的Johnson-Cook断裂准则描述。试验结果表明,7A04-T6高强铝合金靶板在平头弹撞击下发生剪切冲塞,塞块表面有明显裂纹产生,弹道极限为156.0 m/s,剪切冲塞可在撞击速度不低于约0.90倍弹道极限时形成。数值仿真发现,有限元计算可成功再现靶板的剪切冲塞及冲塞表面的断裂;预报的弹道极限为168.8 m/s,比试验结果高约9%;撞击速度不低于0.92倍弹道极限时靶板发生剪切冲塞破坏,与试验结果十分接近。

骨料粒径对混凝土靶抗高速破片侵彻影响的实验研究

为考察骨料粒径对混凝土材料抗高速破片侵彻的影响,利用轻气炮加速装置和激光测试系统进行素混凝土(PC)和钢纤维增强混凝土(SFPC)侵彻实验研究,通过高速摄像机记录弹体着靶姿态和靶体动态损伤过程。实验中混凝土靶选用5～10 mm、10～15 mm、15～20 mm 3种不同级别骨料粒径,通过对侵彻深度、成坑体积以及靶体碎片剥落过程的比较发现:针对素混凝土靶体,3种级别粒径范围内,级别最大的骨料粒径靶体其抗侵彻能力达到最强;而对于钢纤维含量为1%的钢纤维增强混凝土,粒径级别为10～15 mm的靶体抗侵彻能力最佳,结合骨料粒径对混凝土断裂能的双重作用,表明钢纤维的含量与骨料粒径之间存在一个优化值,在这个优化值配比下,钢纤维增强混凝土抗高速破片的侵彻能力能够达到比较理想的效果。实验结果的讨论分析对混凝土防护工程的设计具有借鉴作用。

Lode相关断裂准则在6061-T6511H铝合金Taylor杆断裂预报中的应用

为校验Lode参数相关断裂准则的有效性,在一级轻气炮上开展了直径5.9 mm的6061-T6511H铝合金圆柱杆撞击刚性靶的Taylor试验,撞击速度范围为163.4~327.7 m/s,得到了镦粗和剪切开裂两种变形和断裂模式。为表征6061-T6511H铝合金的力学行为,开展了多应力状态、多温度下的材料性能测试,结合试验结果和有限元计算标定了修正的Johnson-Cook本构模型和修正的Johnson-Cook断裂准则及一种新近提出的Lode参数相关的断裂准则。最后,在ABAQUS/Explicit中建立了三维有限元模型,采用标定的Lode参数相关和无关的断裂准则开展了数值Taylor撞击试验。结果表明,Lode参数相关的断裂准则可对6061-T6511H铝合金Taylor杆的断裂行为给出合理预报,而Lode参数无关的断裂准则过高估计了材料的延性没能预报到相关断裂行为。

塑性功转热系数对钝头弹侵彻金属靶模拟结果的影响

对于金属在高应变率下发生塑性变形所产生的温升,其转热系数一般认为介于0.8~1.0之间,而穿甲领域内普遍采用转热系数为0.9的假定。事实上,该转热系数应是应变、应变率和温度的函数。提出了这样一个简单函数,依据文献[13]的20 mm直径钝头弹侵彻12 mm厚Weldox 700E钢靶的实验工况,使用AUTODYN-2D比较了数值模拟中转热系数为0.8、0.9和1.0以及本文提出的转热系数函数对靶板中剪切带温度预测的差异以及对弹道极限模拟的影响。结果表明:转热系数为0.8、0.9和1.0的假定过高地估计了剪切带中的温升,而提出的函数给出的温度预测与文献[13]中的实验结果吻合;同时不同转热系数给出的弹道极限几乎相同。

Q355B钢动态材料性能研究

作为Q345钢的替代钢种,Q355钢将于2019年2月起大量应用于建筑工程中。基于结构抗冲击爆炸性能研究的需要,其动态材料性能的研究具有迫切性和必要性。应用万能材料试验机与分离式霍普金森压杆系统对Q355B钢在不同温度、应变率及应力状态下的力学性能进行了研究。发现塑性流动应力与断裂应变随温度的上升分别呈现非线性下降与上升趋势,采用试验为主数值模拟为辅的方法分别标定了修正Johnson-Cook本构关系与修正Johnson-Cook断裂准则。最后,开展了Q355B钢Taylor撞击试验,验证了修正Johnson-Cook模型及其参数标定的有效性。

基于瞬态动力学强夯机臂架折弯事故分析

为获得某型强夯机臂架发生局部屈曲和整体失稳事故的原因,通过现场调研,提出了几种臂架折弯的事故假设。采用有限元法对强夯机臂架系统进行静态分析和瞬态动力学分析,结果表明:在正常作业工况,臂架结构满足强度要求;防倾杆弹簧压死时,若臂架继续变幅或者夯击工作,突然释放夯锤产生的冲击力易造成臂架局部超过管材屈服极限,导致整体垮塌。找到了臂架折弯的真正原因,通过对强夯机操作人员的现场指导,更换后的新臂架未再出现折弯事故。

Lode参数对Taylor撞击数值仿真的影响

通过光滑试样及缺口试样单向拉伸等基本材性试验标定本构模型与断裂准则参数。断裂准则分别采用修正JC断裂准则以及洛德角相关断裂准则,将两种断裂准则嵌入到Taylor数值仿真有限元程序,将断裂准则的预测结果与试验结果进行对比,校验断裂准则的有效性。结果表明:LODE裂准则预报的杆弹延性明显过高。

含半球形缺陷无限大弹性体表面裂纹的数值分析

为了防止航天器在受到撞击后造成灾难性破坏,选取含半球形表面缺陷和表面裂纹的三维线弹性体(简称表面缺陷裂纹问题)作为研究对象,针对几种相关模型,采用康奈尔大学断裂力学小组编制的FRANC3D边界元软件对断裂分析中的关键参量———应力强度因子进行了数值分析,计算出了含半圆形表面缺陷裂纹体无限大和有限大的界限。半球形表面缺陷影响下,表面裂纹前沿的应力强度因子均随着裂尖与前自由表面间距离的增大而减小。

利用学生注意力曲线设置教学模式的研究与实践

针对当前45分钟一节课,老师讲的神采飞杨,同学们昏昏欲睡,教学效果不佳的现象,利用学注意力变化曲线,重新设计教学模式,在学生注意力高潮讲最要的内容,而在学生注意力低潮时,让学生动手,动静结合,提高学习效率。

OBE教育模式下钢筋混凝土结构楼盖设计教学探索

根据OBE教育理念,分析钢筋混凝土梁板结构设计特点,建立课程与能力要求关系矩阵;以成果输出为导向,围绕培养目标反向设计教学流程,构建为成果输出服务的结构设计问题模块、理论知识模块、规范知识模块、能力训练模块和成果输出评价模块。

含屈服段本构模型和断裂准则对Q355B钢靶板侵彻预报的影响

为校验考虑屈服阶段的本构模型和Lode相关断裂准则的有效性,在一级轻气炮上开展了直径为5.95 mm的平头钢性弹侵彻4 mm厚Q355B钢靶板试验,获得了弹体贯穿靶板的断裂行为和弹道极限。并开展了平面应变和扭转试验,标定了Lode无关MJC断裂准则和Lode相关ASCE断裂准则参数。在ABAQUS软件中对打靶试验建立三维有限元模型,对靶板的断裂行为进行研究,验证了考虑屈服阶段MxJ-C-Q本构模型和ASCE断裂准则的有效性,并探讨了Lode参数对Q355B钢的变形和断裂的影响。结果表明,采用MJC断裂准则预报高估了断裂应变其弹道极限比试验值高约38.36%;而采用Lode相关ASCE断裂准则预报的弹道极限、剩余速度以及断裂行为,与试验结果吻合较好。

7075铝靶对卵头弹撞击的试验和数值模拟研究

为探索提升金属靶抗侵彻性能数值预报效果的途径,在一级轻气炮上开展6 mm厚7075-T651铝合金靶对卵头弹的抗侵彻性能试验以及平行的三维有限元计算,对比Lode无关和相关断裂准则对靶板断裂行为和弹道极限的预报结果。通过卵头弹侵彻试验获得靶板的断裂行为和弹道极限;7075-T651铝合金的力学行为通过Johnson-Cook本构模型以及Johnson-Cook(J-C)和一种Lode相关的断裂准则描述。结果表明:卵头弹撞击下靶板发生延性扩孔、背部鼓包和背部开裂,弹体穿透靶板时有少量碎块产生;J-C断裂准则预报的弹道极限比试验值高约19%,预报的靶板断裂行为与试验不符;Lode相关断裂准则预报的弹道极限比试验值仅高4%,预报的断裂行为与试验基本一致。

平头弹撞击2024+7075双层靶的试验及数值模拟研究

用一级轻气炮开展一系列平头弹撞击2024+7075双层靶试验,对试验现象及机理进行分析。用Abaqus/Explict开展有限元数值模拟,用Lode参数无关的断裂准则及Lode参数相关的断裂准则表征靶材的力学性能;对比分析数值模拟与试验结果,评估两类断裂准则的数值模拟效果,对其差异原因进行分析。结果表明:双层靶的弹道极限为155.2 m/s;前靶为剪切冲塞破坏,后靶因薄膜拉伸及整体弯曲破坏,并出现径向裂纹,形状似“十字形”;弹体贯穿靶板后出现“双塞块”;后靶的塑性变形大于前靶。Lode参数相关的断裂准则预报更准确。