扭转圆轴Swift效应试验及微观机理分析

对低碳钢和紫铜材料进行了实心圆轴扭转试验,研究了金属材料在大变形扭转过程中的Swift效应,即试件在扭转过程中径向尺寸和轴向尺寸的改变。并对两种材料试件断口的电镜扫描图片进行了分析,讨论了Swift效应产生的原因。分析结果表明,金属材料在扭转过程中存在较明显的Swift效应,铜的Swift效应比碳钢的大。在进行金属材料大应变扭转问题分析时Swift效应应予以考虑。

吊臂大变形扭转时的Swift效应

随着海洋工程的发展,海上浮式储油轮上各模块越来越多地采用吊臂以应对海上的吊装作业,在极端风浪载荷的作用下,吊臂根部极可能发生大变形扭转行为。采用有限元软件ABAQUS对钢质吊臂的扭转变形进行分析,从而说明大变形扭转时的Swift效应。

大变形扭转剪应变定义的误差分析

以变形前互相垂直线元角度改变量的正切为工程剪应变的度量,考虑圆杆塑性大变形扭转的Swift效应或轴向伸长效应,从变形分析角度指出,实心圆杆大变形扭转时从变形分析角度给出的定义能够准确描述剪应变,而由小变形推广得到的两种定义将产生误差.黄铜实心圆杆塑性大变形扭转的结果进一步表明,在小变形情况下,三种剪应变定义均适用,随着变形的增加,由小变形推广得到的两种剪应变定义将产生的误差也增加.

两种约束圆轴扭转实验确定大应变本构关系

针对大应变本构关系的参数标定问题,采用实心圆轴扭转实验进行了研究.分别对一端自由实心圆轴和两端固定实心圆轴的大应变扭转变形和扭转应力进行了分析.对于大应变等向强化弹塑性本构模型,基于Kirchhoff应力的Jau-mann应力导数,采用实心圆轴扭转实验标定了弹塑性本构模型中的塑性刚度函数.对一端自由实心圆轴扭转实验,讨论了轴向伸长变形和径向变形对塑性刚度函数的影响.对于两端固定实心圆轴扭转实验,讨论了轴向正应力对塑性刚度函数的影响.结果表明,实心圆轴扭转时的Swift效应对大应变本构关系有影响,影响程度与轴向和径向变形及轴向正应力相对于剪应变的变化率有关.

基于对数应力率大应变本构关系的参数标定研究

在所有率型弹塑性本构模型中,只有对数应力率对应的本构模型能够满足自适应准则。基于对数应力率,采用实心圆轴扭转实验,对大应变弹塑性本构模型中的参数标定问题进行了讨论。推导出了考虑Swift效应时端部自由实心圆轴扭转变形的变形率、对数旋率、Kirchhoff应力及Kirchhoff应力的对数应力率。对于等向强化大应变弹塑性本构关系,给出了由实心圆轴扭转实验标定的、基于Kirchhoff应力对数应力率的本构关系中塑性刚度函数的表达式。分析了扭转圆轴的Swift效应对塑性刚度函数的影响。结果表明,实心圆轴扭转的轴向伸长变形和径向变形对基于对数应力率大应变本构关系中的塑性刚度函数都有影响。当不考虑Swift效应时,所得塑性刚度函数表达式与不考虑Swift效应时基于Jaumann应力率的塑性刚度函数表达式相同。