溫度對(duì)高強(qiáng)高韌鋁合金動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)性能的影響研究【畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　溫度對(duì)高強(qiáng)高韌鋁合金動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)性能的影響研究</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí)

2、 工程力學(xué) </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</

3、b></p><p>　　摘要：本文以2024、7075高強(qiáng)高韌鋁合金為研究對(duì)象，對(duì)高強(qiáng)高韌鋁合金進(jìn)行了常溫和高溫下的動(dòng)態(tài)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算，研究高溫度對(duì)高強(qiáng)高韌鋁合金的力學(xué)性能的影響。</p><p>　　使用SHTB實(shí)驗(yàn)裝置和MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)2024、7075鋁合金試樣分別進(jìn)行不同應(yīng)變率和不同溫度下的拉伸試驗(yàn)，獲得了兩種鋁合金材料的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，討論了應(yīng)變率和溫

4、度對(duì)其力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：拉伸載荷下，兩種鋁合金的力學(xué)性能具有一定的應(yīng)變率效應(yīng)，隨著應(yīng)變率增加，流動(dòng)應(yīng)力增加；溫度對(duì)兩種鋁合金的力學(xué)性能影響明顯， 隨著溫度升高，流動(dòng)應(yīng)力降低，較早的進(jìn)入塑性階段，然后出現(xiàn)頸縮，斷裂現(xiàn)象。</p><p>　　基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，擬合2024、7075鋁合金Johnson-Cook本構(gòu)模型的相關(guān)參數(shù)，得到的擬合曲線與實(shí)驗(yàn)曲線吻合較好，并且發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高,較早進(jìn)入塑性階段,屈服

5、強(qiáng)度有所下降.</p><p>　　3．采用實(shí)驗(yàn)獲得兩種高強(qiáng)高韌鋁合金的Johnson-Cook 本構(gòu)模型參數(shù)，利用ABAQUS有限元計(jì)算軟件開展相關(guān)的數(shù)值模擬工作，然后將得到的數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究。</p><p>　　關(guān)鍵詞：高強(qiáng)高韌鋁合金；溫度；數(shù)值模擬；本構(gòu)關(guān)系</p><p><b>　　Abstract</b><

6、/p><p>　　Abstract：In this paper, the dynamic tension tests experiments under normal temperature and high temperature were performed on the 2024,，7075 high-strength and high-ductility aluminum alloy. By using te

7、nsion test and numerical simulation, the dynamic mechanical properties of high-strength and high-ductility aluminum alloy were studied.</p><p>　　The tension tests of the 2024 7075 alloy under normal temperat

8、ure and high temperature were carried out by using experimental apparatus of SHTB and MTS universal testing machine. The results show that The results show that dynamic tensile mechanical properties of alloy under the hi

9、gh temperature was poor compared with under normal temperature, and it turn into Plastic stage, then The necking, cracking phenomena appear.</p><p>　　Based on the experimental results, the relevant parameter

10、s of constitutive model were obtained. The fitted curves agree with the experimental ones very well. it is found that the alloy under the high temperature will turn into plastic stage early and the initial yield stres

11、s decreases.</p><p>　　This paper intends on the basis of some experts’ study to collect related experimental data, then use ABAQUS finite element calculation procedure to carry out the numerical simulation.

12、Taking the numerical simulation results to compare with the experimental results, this is helpful for further analysis of the experimental results.</p><p>　　Key Words：high strength and high ductility aluminu

13、m alloy; temperature; the numerical simulation; the relevant parameters of constitutive model</p><p><b>　　目　錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII&l

14、t;/p><p><b>　　目　錄III</b></p><p><b>　　1緒論1</b></p><p>　　1.1研究的背景及意義1</p><p>　　1.2研究的概況和現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問(wèn)題2</p

15、><p>　　1.3.1 研究的主要內(nèi)容：2</p><p>　　1.3.2 構(gòu)建高強(qiáng)高韌鋁合金的塑性本構(gòu)關(guān)系，并獲得材料本構(gòu)參數(shù)。3</p><p>　　1.3.3 在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用ABAQUS程序開展相關(guān)的數(shù)值模擬工作。3</p><p>　　2實(shí)驗(yàn)材料選擇與設(shè)備原理4</p><p>　　2.

16、1實(shí)驗(yàn)材料的選取4</p><p>　　2.2SHTB和MTS實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介4</p><p>　　2.2.1 SHTB實(shí)驗(yàn)裝置：5</p><p>　　2.2.2 MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)6</p><p>　　2.3研究的方法與技術(shù)路線：7</p><p>　　2.4一維應(yīng)力下的拉伸實(shí)驗(yàn)8<

17、/p><p>　　2.4.1 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸8</p><p>　　2.4.2 動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)10</p><p>　　3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析13</p><p>　　3.1實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析13</p><p>　　3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析16</p><p>　　3.2.1 7075鋁

18、合金在不同溫度和應(yīng)變率下的材料性能16</p><p>　　3.2.2 2024鋁合金在不同溫度和應(yīng)變率下的材料性能17</p><p>　　3.3本構(gòu)關(guān)系19</p><p>　　3.3.1 本構(gòu)關(guān)系介紹19</p><p>　　3.3.2 Johnson-Cook(J-C)模型簡(jiǎn)介20</p>

19、<p>　　3.3.3 Johnson-Cook(J-C)模型擬合方法21</p><p>　　3.3.4 Johnson-Cook(J-C)模型擬合結(jié)果21</p><p><b>　　4數(shù)值模擬23</b></p><p><b>　　4.1引言23</b></p><

20、;p>　　4.2問(wèn)題背景23</p><p>　　4.3問(wèn)題分析23</p><p>　　4.4問(wèn)題求解24</p><p>　　4.5問(wèn)題回顧與總結(jié)37</p><p><b>　　5結(jié)論41</b></p><p><b>　　6展望42</b&g

21、t;</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)43</b></p><p>　　致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　研究的背景及意義</b></p><p>　　高強(qiáng)度鋁合金具有強(qiáng)度高，密度低，加

22、工性能好，價(jià)格低廉等突出優(yōu)點(diǎn)，是軍事民用領(lǐng)域的主要結(jié)構(gòu)材料。隨著航空航天業(yè)的不斷發(fā)展，強(qiáng)求鋁合金具有更高的比強(qiáng)度，斷裂韌性及抗應(yīng)力腐蝕的材料性能。近年來(lái)材料專家通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化合金的成分，采用了新型的制坯方法，成形加工和熱處理工藝，研發(fā)了多種性能更好的超強(qiáng)度鋁合金。</p><p>　　高強(qiáng)度的鋁合金力學(xué)響應(yīng)在許多軍事領(lǐng)域，航空航天，民用工程也都有著重要的應(yīng)用背景。例如，在航天航空器中，高強(qiáng)高韌鋁合金作為主要的承重結(jié)

23、構(gòu)材料，除了要承受高靜載荷和高疲勞載荷，還常處于一些特殊工況下（例如空間碎片高速撞擊航天器、鳥撞飛機(jī)等）和惡劣環(huán)境下（例如航天器返回時(shí)，在稠密大氣層中飛行會(huì)產(chǎn)生高溫等）。在這些特殊工況和極端溫度環(huán)境下，材料不僅承受強(qiáng)動(dòng)載荷下的高應(yīng)變率，同時(shí)還會(huì)伴隨著有高溫的作用，因此，認(rèn)識(shí)和掌握典型的高強(qiáng)高韌鋁合金材料的力學(xué)行為，特別是在溫度、高應(yīng)變率及其耦合作用下的力學(xué)響應(yīng)是十分必要的。</p><p><b>　　

24、研究的概況和現(xiàn)狀</b></p><p>　　研究材料的動(dòng)態(tài)拉伸破壞的實(shí)驗(yàn)很多，如常溫下平面靜態(tài)拉伸破壞、單軸動(dòng)態(tài)拉伸破壞、高溫疲勞破壞、高溫拉伸破壞。其中常溫下的拉伸破壞的實(shí)驗(yàn)易于實(shí)現(xiàn)、操作簡(jiǎn)單，理論研究分析也較為成熟和它在載荷作用下失效過(guò)程中所包含的豐富的內(nèi)容等眾多優(yōu)點(diǎn)，使它成為人們研究金屬材料拉伸力學(xué)性能的主要對(duì)象。</p><p>　　2000年，陳鼎等[1]闡述了在低

25、溫下，鋁合金的力學(xué)性能隨著溫度的變化規(guī)律，分析其力學(xué)性能的變化規(guī)律的機(jī)理，同時(shí)對(duì)極低溫下某些鋁合金的鋸齒現(xiàn)象，特征，形成機(jī)理以及力學(xué)性能的影響作出了說(shuō)明。02年，劉繼華[2]利用慢應(yīng)變拉伸技術(shù)和維氏硬度計(jì)研究了7075鋁合金以不同制度時(shí)效、回歸處理后的強(qiáng)度和應(yīng)力腐蝕斷裂行為，得到7075鋁合金的強(qiáng)度，硬度與時(shí)效溫度有著密切的關(guān)系。同一年，李紅英[3]對(duì)高強(qiáng)高韌鋁合金的發(fā)展和對(duì)組織性能進(jìn)行全面的評(píng)述，提出了斷裂韌性和應(yīng)力腐蝕的影響因素。2

26、008年，李春梅[4]等用拉伸試驗(yàn)來(lái)研究不同固溶和時(shí)效工藝處理后7055鋁合金的力學(xué)性能，并結(jié)合顯微組織分析，得到復(fù)合固溶（雙級(jí)）和特殊時(shí)效處理新工藝比傳統(tǒng)熱處理工藝更合理，可使鋁合金獲得超高強(qiáng)、超高韌的有效結(jié)合，并確定了最佳工藝方案。</p><p>　　以上的研究都是在常溫條件下進(jìn)行的的研究，沒(méi)考慮應(yīng)變率與溫度對(duì)其的影響。對(duì)于溫度和應(yīng)變率對(duì)鋁合金的力學(xué)性能的研究，也有不少的學(xué)者進(jìn)行了研究。賈江瀅等[5]通過(guò)拉

27、伸試驗(yàn)研究了加速載荷在1mm/min,10mm/min,100mm/min以及200mm/min范圍內(nèi)6020鋁合金材料的力學(xué)性質(zhì)，得到隨著加載速率的增加，無(wú)論是屈服強(qiáng)度還是抗拉強(qiáng)度都有一定的提高，材料的塑性有了一定的下降。根據(jù)其試驗(yàn)結(jié)果確定了實(shí)驗(yàn)鋁合金的本構(gòu)關(guān)系。同年，王金鵬[6]等利用SHTB系統(tǒng)對(duì)2024鋁在不同溫度下和不同應(yīng)變率條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為開展了一系列的實(shí)驗(yàn)研究，并建立了2024鋁的塑性本構(gòu)關(guān)系。在2008年，Woei-

28、Shyan Lee等[7]研究了不同應(yīng)變率及不同溫度對(duì)7075鋁合金的變形行為和組織演變的影響，得到材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線與測(cè)試應(yīng)變率和溫度有著敏感的關(guān)系。同年，H.E. Hu[8]研究了在不同溫度（340,380,420,460OC）下7050鋁合金的微觀組織演變過(guò)程。王永剛，王禮立[9]等亦研究了沖擊加載下LY12鋁合金的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度和層裂強(qiáng)度與溫度的相關(guān)性。</p><p>　　此外，還有學(xué)者對(duì)在低溫對(duì)鋁合金的

29、力學(xué)性能的影響方面進(jìn)行了研究，陳鼎與陳振華[10]在2000年的時(shí)候研究了在低溫和極低溫下鋁合金的物理性能和力學(xué)性能，并得到了如鋁合金在低溫條件下提高拉伸性能，改善韌性性能結(jié)論，疲勞強(qiáng)度隨溫度的降低而提高等十分具有價(jià)值的結(jié)論。劉瑛[11]等人利用拉伸測(cè)試、掃描電鏡與投射電鏡等手段研究了3種高強(qiáng)鋁合金（2519-T87、2219-T81以及7039-T6三種鋁合金板材）得到當(dāng)變形溫度由室溫293k降至77k是，伸力學(xué)性能，三種鋁合金的屈服

30、強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度均有所提高。同時(shí)還得到3種合金的伸長(zhǎng)率隨著溫度降低有所提高。</p><p>　　研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問(wèn)題</p><p><b>　　研究的主要內(nèi)容：</b></p><p>　　本文采用的是高強(qiáng)高韌的2024、7075鋁合金試樣來(lái)進(jìn)行高強(qiáng)高韌鋁合金的拉伸力學(xué)行為實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容組要有兩部分：</p><

31、;p>　　a、采用MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)在準(zhǔn)靜態(tài)條件下研究高強(qiáng)高韌鋁合金的拉伸力學(xué)行為，關(guān)注溫度的影響。</p><p>　　b、采用SHTB裝置在動(dòng)載荷條件下研究高強(qiáng)高韌鋁合金的拉伸動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，關(guān)注溫度和應(yīng)變率的影響。</p><p>　　構(gòu)建高強(qiáng)高韌鋁合金的塑性本構(gòu)關(guān)系，并獲得材料本構(gòu)參數(shù)。</p><p>　　在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用ABAQUS程序開展相關(guān)的數(shù)值

32、模擬工作。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)材料選擇與設(shè)備原理</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)材料的選取</b></p><p>　　本文主要的工作是研究溫度對(duì)鋁合金的拉伸動(dòng)態(tài)性能的影響，我們選取的是具有較高強(qiáng)度、較高韌性的金屬材料7075、2024鋁合金。</p><p>　　其中，7075鋁合金是一種冷處理鍛壓合金，強(qiáng)度高

33、，商業(yè)用途廣泛的合金。應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域、塑焊模具、模具加工。其主要成分為</p><p><b>　　余下為鋁Al</b></p><p>　　力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度≥560 MPa 伸長(zhǎng)應(yīng)力≥495 MPa 彈性模量 71 GPa</p><p>　　特點(diǎn)有：1.高強(qiáng)度可熱處理合金，2.機(jī)械性能良好，3.良好的可使用性，4.易于加工，

34、耐磨性好，5.抗腐蝕性能、抗氧化性好。</p><p>　　2024鋁合金為一種高強(qiáng)度硬鋁。主要用途有用于制作各種高負(fù)荷的零件和構(gòu)件如飛機(jī)上的骨架零件，蒙皮，隔框，翼肋，翼梁，鉚釘?shù)裙ぷ髁慵?。主要成分?lt;/p><p><b>　　余下為鋁Al</b></p><p>　　力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度 ≥390 MPa 條件屈服強(qiáng)度 ≥245 MPa&l

35、t;/p><p>　　特點(diǎn)有：可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，在淬火和剛淬火狀態(tài)下塑性中等，具有良好的焊接功能。合金在淬火和冷作硬化后具有較好切削性能，但抗腐蝕性不高，常采用陽(yáng)極氧化處理與涂漆方法或表面加包鋁層以提高其抗腐蝕能力。</p><p>　　SHTB和MTS實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介</p><p><b>　　SHTB實(shí)驗(yàn)裝置：</b></p>&l

36、t;p>　　金屬材料的動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)性能的研究越來(lái)越受到人們的重視。為了這方面的研究，人們?yōu)闇y(cè)量材料動(dòng)態(tài)力學(xué)拉伸性能，相繼提出了一些專門的加載裝置。SHTB因?qū)嶒?yàn)結(jié)果簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)得到的廣泛的運(yùn)用。</p><p>　　SHTB采用高速套筒（子彈）撞擊入靶（射桿的突出邊沿），在入射桿內(nèi)形成拉伸應(yīng)力波（入射波）。試樣在入射桿和透射桿之間，一般采用的螺紋或強(qiáng)力膠固定，在前方合理的位置放置吸收桿,吸收塊。在子

37、彈撞擊入射桿后，在入射桿上形成應(yīng)力波。當(dāng)波傳給試樣后，一部分不發(fā)射回來(lái)形成反射波。而另一部分波繼續(xù)向前傳播，在透射桿上形成了透射波。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1為SHTB實(shí)驗(yàn)裝置</p><p>　　其中入射桿、透射桿、吸收桿直徑均為19mm，長(zhǎng)度分別為1.5m、1.5m、1m。該實(shí)驗(yàn)采用的是半導(dǎo)體應(yīng)變片，普通應(yīng)變片，用類似SHPB實(shí)驗(yàn)相類似的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，來(lái)

38、得到動(dòng)態(tài)材料的拉伸性能。拉伸時(shí)間的工程應(yīng)力，工程應(yīng)變和應(yīng)變率為</p><p>　　s(t)=A0/As*E* </p><p>　　εs(t)=-2c0/ls*dt </p><p>　　d()=-2c0/ls* </p><p>　　式中，E和A0分別為桿的楊氏模量和橫截面的面積；c0為桿中彈性波速度；ls和As分別為試樣的厚度和橫截面積

39、</p><p><b>　　MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)</b></p><p>　　MTS 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)是一種進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的微力測(cè)試儀器?？梢詫?duì)金屬材料、生物材料、部件以及成品進(jìn)行各種測(cè)試。</p><p>　　主要功能：能對(duì)金屬、非金屬材料進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲、剪切等疲勞試驗(yàn)、斷裂試驗(yàn)項(xiàng)目，檢測(cè)設(shè)備還可存儲(chǔ)、輸出打印試驗(yàn)參數(shù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)結(jié)果、應(yīng)力

40、應(yīng)變曲線的功能。 其特點(diǎn)有 ：</p><p>　　功能多樣 -- 只需安裝在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上便能完成各種靜態(tài)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。 </p><p>　　靈活性 -- 按照實(shí)驗(yàn)者的需要來(lái)選擇控制載荷力。</p><p>　　精確性--激光校準(zhǔn)提高了軸向?qū)χ芯?減少試件在橫梁最高位置處的彎曲 </p><p>　　高效性 --可選擇式單元安裝部件控制模塊

41、的速度橫梁定位及試件的安裝。 </p><p>　　模塊化設(shè)計(jì) -- 根據(jù)實(shí)驗(yàn)者的需求做動(dòng)缸、伺服閥和分油器配置系統(tǒng)，還有橫梁升降，橫梁液壓鎖緊部分，及其它附件。</p><p>　　圖2.2 MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)</p><p>　　研究的方法與技術(shù)路線：</p><p><b>　　試樣溫控裝置：</b></p&

42、gt;<p>　　對(duì)于高溫，可以通過(guò)在常規(guī)SHTB系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加加溫系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)等，示意圖如圖2.3：</p><p><b>　　圖2.3</b></p><p>　　對(duì)試件采用電加熱,即設(shè)計(jì)了一個(gè)內(nèi)置電爐。加熱爐由保溫材料和加熱線圈組成,并適當(dāng)設(shè)計(jì)導(dǎo)桿出入口大小及導(dǎo)桿位置,盡量減少電爐內(nèi)外的熱交換,使熱量集中于電爐內(nèi)部,完成對(duì)試件的加熱。<

43、/p><p>　　圖2.4 SHTB中的加熱裝置（從左往右依次為變壓器，溫控裝置，加熱裝置）</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì):</b></p><p>　　在MTS萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行高強(qiáng)高韌鋁合金在準(zhǔn)靜態(tài)加載和不同溫度條件下（應(yīng)變率約為10-3/s）的拉伸試驗(yàn)，來(lái)研究高強(qiáng)高韌鋁合金在準(zhǔn)靜態(tài)下的拉伸力學(xué)行為，及其對(duì)溫度的依賴性。</p&

44、gt;<p>　　在分離式Hopkinson系統(tǒng)中開展不同溫度條件下以及不同應(yīng)變率條件下高強(qiáng)高韌鋁合金動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)，研究高強(qiáng)高韌鋁合金的力學(xué)行為，揭示溫度和應(yīng)變率對(duì)其力學(xué)性能的影響規(guī)律。</p><p>　　一維應(yīng)力下的拉伸實(shí)驗(yàn)</p><p>　　近年來(lái)也有專家、學(xué)者對(duì)高強(qiáng)高韌鋁合金的力學(xué)性能進(jìn)行研究, 但這些研究主要集中在對(duì)常溫下的準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)或動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)的結(jié)果分析, 而

45、其在高溫、動(dòng)態(tài)拉伸條件下材料力學(xué)性能的研究并不多見。</p><p><b>　　準(zhǔn)靜態(tài)拉伸</b></p><p>　　利用MTS試驗(yàn)機(jī)對(duì)高強(qiáng)高韌的鋁合金樣品在準(zhǔn)靜態(tài)（10-3至10-2s-1）不同溫度下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用的是2024、7075高強(qiáng)度鋁合金，其試件設(shè)計(jì)成亞鈴型，具體尺寸如圖表2.5a和2.5b所示。對(duì)2024、7075鋁合金進(jìn)行了多次拉伸實(shí)驗(yàn)，對(duì)

46、重復(fù)性較好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值。</p><p>　　圖2.5a 7075鋁合金MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)靜態(tài)拉伸試樣及數(shù)據(jù)</p><p>　　圖2.5b 2024鋁合金MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)靜態(tài)拉伸試樣及數(shù)據(jù)</p><p><b>　　動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)</b></p><p>　　動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)在SHTB實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的， 該次實(shí)驗(yàn)

47、試樣采用的是2024、7075鋁合金，其試樣設(shè)計(jì)成兩端帶有螺紋的圓柱形，具體尺寸如圖表2.6a和2.6b所示。</p><p>　　圖2.6a 7075鋁合金SHTB動(dòng)態(tài)拉伸試樣尺寸數(shù)據(jù)</p><p>　　圖2.6b 2024鋁合金SHTB動(dòng)態(tài)拉伸試樣尺寸數(shù)據(jù)</p><p>　　在常溫下，對(duì)2024、7075兩種鋁合金試樣分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)，每種情況的

48、實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，對(duì)重復(fù)性較好的2次取均值。</p><p>　　在不同溫度下，對(duì)7075高強(qiáng)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。每種情況的實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，對(duì)重復(fù)性較好的2次取均值。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析</b></p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析</b></p><p>　　2024和7075鋁

49、合金在準(zhǔn)靜態(tài)和不同應(yīng)變率下的變形情況有所不同。從圖3.1和圖3.2中可以看出，動(dòng)態(tài)與準(zhǔn)靜態(tài)條件下試件斷裂的位置一般發(fā)生在試件的中部，如果出現(xiàn)斷裂位置靠近一端的試件，可能是由于試件加工的問(wèn)題。</p><p>　　圖3.1 7075鋁合金斷裂圖（上為動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)試樣，下為靜態(tài)實(shí)驗(yàn)試樣）</p><p>　　圖3.2 2024鋁合金斷裂圖（上為動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)試樣，下為靜態(tài)實(shí)驗(yàn)試樣）</p&g

50、t;<p>　　觀察7075鋁合金試樣的三維斷口形貌（圖3.3）。從中可以發(fā)現(xiàn)：在準(zhǔn)靜態(tài)拉升破壞中，其破壞形式主要為剪切破壞。在高硬變率下的破壞，以拉伸，剪切破壞為主。</p><p>　　圖3.3 高應(yīng)變率下和準(zhǔn)靜態(tài)下7075鋁合金試樣斷口的三維圖</p><p>　　觀察不同溫度下7075鋁合金試樣斷口形狀三維圖（圖3.4）可以得到：鋁合金高溫的斷裂破壞與常溫下的斷裂破壞

51、形式相比較，高溫下鋁合金試驗(yàn)破壞形式中拉伸破壞更加明顯。</p><p>　　圖3.4 7075鋁合金在高應(yīng)變率不同溫度下（左為200OC，右為常溫）斷口圖</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析</b></p><p>　　7075鋁合金在不同溫度和應(yīng)變率下的材料性能</p><p>　　圖3.5所示7075高強(qiáng)度

52、鋁合金在相同應(yīng)變率下、不同溫度的動(dòng)態(tài)拉伸的應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖中可以得到，高強(qiáng)度鋁合金試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線規(guī)律：應(yīng)變率相同，試樣接近常溫時(shí)，屈服強(qiáng)度較大，楊氏模量較高。</p><p>　　圖3.5 7075鋁合金在常溫, 200OC和250OC下的應(yīng)力應(yīng)變比較曲線圖</p><p>　　在相同溫度下，有動(dòng)態(tài)拉伸和靜態(tài)拉伸的應(yīng)力曲線圖比較（圖3.6），從中可以得到動(dòng)態(tài)下試樣的曲線總體上比靜態(tài)下

53、的要陡，這說(shuō)明試樣在動(dòng)態(tài)條件下的應(yīng)變硬化效果要比靜態(tài)下的明顯。而高應(yīng)變率的情況下, 屈服強(qiáng)度與準(zhǔn)靜態(tài)的下的屈服強(qiáng)度有所增加.</p><p>　　圖3.6 7075鋁合金在相同溫度下動(dòng)態(tài)拉伸與準(zhǔn)靜態(tài)拉伸下應(yīng)力應(yīng)變曲線相比較圖</p><p>　　2024鋁合金在不同溫度和應(yīng)變率下的材料性能</p><p>　　以上均為7075鋁合金在不同溫度，不同應(yīng)變率下材料的力

54、學(xué)性能。2024鋁合金與7075鋁合金相比較，除在屈服強(qiáng)度上有所下降之外，其余性能與7075鋁合金的材料力學(xué)性能相同。以下給出2024鋁合金在不同溫度，不同應(yīng)變率下的材料特性對(duì)比圖（圖3.7和圖3.8）。</p><p>　　圖3.7 在相同應(yīng)變率下，不同溫度下的2024鋁合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.8 在相同溫度，不同應(yīng)變率下的2024鋁合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖</p

55、><p><b>　　本構(gòu)關(guān)系</b></p><p><b>　　本構(gòu)關(guān)系介紹</b></p><p>　　材料在高應(yīng)變率下變形的拉伸力學(xué)性能與靜態(tài)作用下的力學(xué)響應(yīng)有所不同。沖擊載荷在時(shí)間歷程上有顯著的變化，所以在承受沖擊載荷作用下，材料的變形就會(huì)在高應(yīng)變率下發(fā)生。研究結(jié)果表明，高應(yīng)變率加載下材料的力學(xué)性能與材料性質(zhì)及溫度有

56、一定的關(guān)系。大多數(shù)金屬與合金材料的應(yīng)力會(huì)隨著應(yīng)變率增加而提高，表現(xiàn)出應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)[11-13]。對(duì)于材料力學(xué)性能的研究，重點(diǎn)就是建立能夠描述材料在材料變形情況下的力學(xué)性能本構(gòu)關(guān)系，及其相對(duì)的應(yīng)變率相關(guān)性。</p><p>　　本構(gòu)關(guān)系是指能夠描述材料力學(xué)性質(zhì)的數(shù)學(xué)關(guān)系。自然界中材料種類很多,它們的材料力學(xué)性質(zhì)也是各不相同的。其本構(gòu)關(guān)系可以描述它們的力學(xué)性質(zhì)。在工程力學(xué)中，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是研究本構(gòu)關(guān)系的重點(diǎn)，這是

57、因?yàn)樗从沉瞬牧系木唧w特征。</p><p>　　影響材料本構(gòu)關(guān)系的因素復(fù)雜，如材料的力學(xué)、溫度物理性質(zhì)等，通常采用某些宏觀參量和微觀參量來(lái)描述這種關(guān)系，常用的宏觀參量有粘性系數(shù)和楊氏模量，微觀參量有位錯(cuò)密度、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度等等。眾所周知，材料在動(dòng)載荷（高應(yīng)變率）下的力學(xué)性能是很復(fù)雜的，本構(gòu)方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式在材料的不同的變形階段，表現(xiàn)不同。因此，到現(xiàn)在為止，還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一有效的本構(gòu)關(guān)系來(lái)作為研究動(dòng)載荷（高應(yīng)變率）作

58、用下材料力學(xué)性能的有效手段，僅僅能在某些特定條件下確定其本構(gòu)模型。</p><p>　　為了確定材料的本構(gòu)關(guān)系，一般需要做大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，再結(jié)合先前提出的數(shù)學(xué)表達(dá)式和力學(xué)模型來(lái)完成本構(gòu)關(guān)系的建立。在這方面，很多學(xué)者專家做了很多工作，也提出了不少本構(gòu)模型，但到目前為止還沒(méi)有一個(gè)適用于一切材料力學(xué)性能而又有明確的物理基礎(chǔ)的本構(gòu)方程，尤其是用來(lái)描述動(dòng)載荷（高應(yīng)變率）作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。</p>&l

59、t;p>　　所謂理想的材料本構(gòu)關(guān)系是能夠描述材料的應(yīng)變率效應(yīng)、溫度效應(yīng)、應(yīng)變和應(yīng)變率歷史效應(yīng)以及加工硬化等材料力學(xué)性能。但要完全描述上述所有這些現(xiàn)象將會(huì)是一個(gè)非常艱巨的工作，所以適當(dāng)進(jìn)行簡(jiǎn)化材料的本構(gòu)關(guān)系是很必要的。研究沖擊載荷作用下材料的力學(xué)性能問(wèn)題，人們更加重視研究溫度對(duì)材料在高應(yīng)變率作用下力學(xué)性能的影響。 </p><p>　　一般熱粘塑性本構(gòu)模型包含應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度四項(xiàng)元素，可以分為兩種類型

60、：一是Johnson-Cook(J-C)模型[14] ，這是經(jīng)驗(yàn)性的本構(gòu)模型；二是Z-A模型，這是半經(jīng)驗(yàn)半理論的本構(gòu)模型。這兩種本構(gòu)模型都考慮了溫度和應(yīng)變率對(duì)屈服應(yīng)力的影響以及應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)，但具體表達(dá)方式則有所區(qū)別，尤其對(duì)應(yīng)變強(qiáng)化行為的處理。結(jié)合本文研究的實(shí)際情況，在此將重點(diǎn)討論Johnson-Cook(J-C)模型。</p><p>　　Johnson-Cook(J-C)模型簡(jiǎn)介</p><

61、p>　　數(shù)值模擬計(jì)算在許多重要的沖擊工程應(yīng)用中有著廣泛的應(yīng)用，數(shù)值計(jì)算程序中得到的計(jì)算結(jié)果受到材料的本構(gòu)關(guān)系影響很大。數(shù)值計(jì)算的本構(gòu)關(guān)系應(yīng)該滿足以下三個(gè)條件：第一，本構(gòu)關(guān)系能夠準(zhǔn)確描述相應(yīng)的材料物理過(guò)程；第二，本構(gòu)關(guān)系在數(shù)學(xué)計(jì)算上應(yīng)易于實(shí)現(xiàn)，并且能夠較容易引入一些數(shù)值計(jì)算程序；第三，本構(gòu)關(guān)系的確定應(yīng)該比較簡(jiǎn)單方便，本構(gòu)關(guān)系中的材料參數(shù)能通過(guò)一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)得到。[15]</p><p>　　在1983年提出了

62、一個(gè)本構(gòu)關(guān)系(Johnson-Cook(J-C)模型)能較好地描述金屬材料的加工硬化效應(yīng)、應(yīng)變率效應(yīng)和溫度軟化效應(yīng)。由于這種本構(gòu)關(guān)系形式簡(jiǎn)單，使用比較方便，通過(guò)較少次數(shù)的簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)就可以確定其中的材料參數(shù)，這一本構(gòu)關(guān)系模型得到了廣泛的應(yīng)用。過(guò)去，Johnson-Cook(J-C)本構(gòu)關(guān)系模型是為了數(shù)值模擬計(jì)算而建立，在大多部分的數(shù)值計(jì)算程序中已經(jīng)具備所需要的變量，因此這種本構(gòu)關(guān)系模型十分適用于材料的力學(xué)性能數(shù)值模擬計(jì)算。在很多重要的材料

63、沖擊工程中，它得到了廣泛的應(yīng)用。在Johnson-Cook本構(gòu)模型中，流動(dòng)應(yīng)力的表達(dá)式如下</p><p><b>　　(3.3)</b></p><p>　　其中為Von MISES 流動(dòng)應(yīng)力；為等效塑性應(yīng)變；為無(wú)量綱的相對(duì)等效塑性應(yīng)變率；為參考應(yīng)變率，一般取為1.0/s；為實(shí)際應(yīng)變率；無(wú)量鋼化溫度，其中為實(shí)際溫度，為室溫(298K)，為材料的熔點(diǎn)溫度；其它五個(gè)參數(shù)

64、、、、和均為材料常數(shù)，需要根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系實(shí)驗(yàn)曲線來(lái)擬合。</p><p>　　Johnson-Cook(J-C)模型擬合方法</p><p>　　使用靜態(tài)數(shù)值，動(dòng)態(tài)數(shù)值對(duì)Johnson-cook指數(shù)進(jìn)行模擬</p><p><b>　　A 參數(shù)A 的確定</b></p><p>　　A 為在參考應(yīng)變率，室溫狀態(tài)下材料的

65、屈服強(qiáng)度.可以從實(shí)驗(yàn)曲線中直接讀出.</p><p>　　B 參數(shù)B 和η 的確定</p><p>　　在準(zhǔn)靜態(tài)或靜態(tài)及室溫時(shí)，材料主要存在應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)，可以排除應(yīng)變率強(qiáng)化和熱軟化的影響.利用最小二乘法來(lái)擬合B ， n式(3.3)可以寫為</p><p>　　σ =A 十Be". </p><p>　　式中表示在參考應(yīng)變率下材料的應(yīng)

66、力應(yīng)變關(guān)系.擬合可以通過(guò)MATLAB 語(yǔ)言編寫程序完成，也可以通過(guò)Origin 的非線性擬合來(lái)完成.[16]</p><p>　　C 參數(shù)C 和m 的確定</p><p>　　利用高應(yīng)變率下的數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)變率硬化指數(shù)C和熱軟化系數(shù)m 的確定.采用估算絕熱溫升的辦法，然后利用編制的ORIGIN程序，用最小二乘法的思想，利用Hopkinson 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)來(lái)擬合C 和m。根據(jù)最小二乘法原理和流程編

67、寫ORIGIN程序即可求得C ， m.</p><p>　　Johnson-Cook(J-C)模型擬合結(jié)果</p><p>　　采用MATLAB軟件中的非線性最小二乘法擬合功能，對(duì)試樣在拉伸實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)力應(yīng)變曲線作非線性擬合，得到的各晶粒度樣品的本構(gòu)參數(shù)。</p><p>　　7075鋁合金的J-C本構(gòu)關(guān)系參數(shù)</p><p>　　以下為202

68、4鋁合金在準(zhǔn)靜態(tài)常溫下實(shí)驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線和用Johnson-cook模擬的曲線作比較。</p><p>　　模擬得到的應(yīng)力應(yīng)變與實(shí)驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線比較圖</p><p>　　利用得到的本構(gòu)參數(shù)對(duì)7075鋁合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行計(jì)算，并且與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，我們采用的本構(gòu)方程可以用來(lái)描述其本構(gòu)關(guān)系的。</p><

69、;p><b>　　數(shù)值模擬</b></p><p><b>　　引言</b></p><p>　　ABAQUS 被認(rèn)為是功能最強(qiáng)的有限元軟件，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問(wèn)題和模擬高度非線性問(wèn)題。 ABAQUS 不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場(chǎng)的分析，同時(shí)還可以做系統(tǒng)級(jí)的分析和研究。 ABAQUS 的系

70、統(tǒng)級(jí)分析的特點(diǎn)相對(duì)于其他的分析軟件來(lái)說(shuō)是獨(dú)一無(wú)二的。由于優(yōu)秀的分析能力和模擬復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性使得其被各國(guó)的工業(yè)和研究中所廣泛的采用。 ABAQUS 產(chǎn)品在大量的高科技產(chǎn)品研究中都發(fā)揮著巨大的作用。</p><p><b>　　問(wèn)題背景</b></p><p>　　高強(qiáng)度的鋁合金在動(dòng)態(tài)拉伸作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)在許多民用工程，航天航空，軍事領(lǐng)域也都有著重要的應(yīng)用背景。如桿件的

71、拉伸破壞，滅火器殼的拉伸成型、螺栓加載拉伸試驗(yàn)。本文在專家學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，搜集相關(guān)模型參數(shù)，進(jìn)行數(shù)值模擬研究，將結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出相關(guān)結(jié)論。</p><p><b>　　問(wèn)題分析</b></p><p>　　本文的模型比較簡(jiǎn)單，共有五個(gè)部件組成，分別為入射桿、透射桿、試樣、子彈、銅片（整形器）。本模型采用的是軸對(duì)稱、顯示、動(dòng)態(tài)分析，入射桿與試樣之間和試

72、樣與透射桿之間采用的是固定連接（tie），而子彈與銅片之間和銅片與入射桿之間采用的是面對(duì)面接觸（surface to surface）.</p><p>　　分析模型的量綱系統(tǒng)采用SI標(biāo)準(zhǔn)，即長(zhǎng)度：m，質(zhì)量：kg，時(shí)間：s，其他量綱由此可以推出。整體模型的屬性詳見表4.1。</p><p>　　表4.1 整體模型的屬性</p><p><b>　　

73、問(wèn)題求解</b></p><p>　　Hopkinson拉桿的ABAQUS模型分析步驟：</p><p>　　Step1 創(chuàng)建模型（part）</p><p>　　a.啟動(dòng)ABAQUS/CAE，創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)模型，命名為s h t b，模型保存為shtb.cae。從Module列表中選著part，進(jìn)入part模塊。點(diǎn)擊parts圖標(biāo)，打開create

74、 part對(duì)話框，設(shè)置第一個(gè)部件：name為rushegan（入射桿），modeling space 為axisymmetric（ 軸對(duì)稱模型），type為deformable(變形體)，base feature 為shell(殼體)。Approximate size為2。單擊continue按鈕，進(jìn)入草繪模型，以（0,0），（0.01,1）為對(duì)角線端點(diǎn)畫出一個(gè)矩形，單擊提示區(qū)的done按鈕，單擊ok按鈕，生成了入射桿的模型。如圖4.

75、1。</p><p><b>　　圖4.1</b></p><p>　　b.建立入射桿上的靶模型，即入射桿端部突出的邊緣。點(diǎn)擊parts圖標(biāo)，打開create part對(duì)話框，設(shè)置第一個(gè)部件：name為ba（靶），modeling space 為axisymmetric（ 軸對(duì)稱模型），type為deformable(變形體)，base feature 為 shell

76、(殼體)。Approximate size為0.1。單擊continue按鈕，進(jìn)入草繪模型，以（0,0），（0.02,0.01）為對(duì)角線端點(diǎn)畫出一個(gè)矩形，單擊提示區(qū)的done按鈕，單擊ok按鈕，生成了靶的模型。如圖4.2。</p><p><b>　　圖4.2</b></p><p>　　c. Copy 入射桿模型，建立透射桿模型 命名為toushegan</p

77、><p>　　d．創(chuàng)建子彈模型，即管狀套筒。重復(fù)入射桿創(chuàng)建過(guò)程，將其中的Approximate size改為0.5；進(jìn)入草繪模型后以（0.012,0），（0.018,0.4）畫出一個(gè)矩形，單擊done單擊ok。如圖4.3。</p><p><b>　　圖4.3</b></p><p>　　e．銅片的創(chuàng)建，即整形器創(chuàng)建。重復(fù)入射桿創(chuàng)建過(guò)程，將其中的A

78、pproximate size改為0.02；進(jìn)入草繪模型后以（0.012,0），（0.018,0.004）畫出一個(gè)矩形，單擊done單擊ok。創(chuàng)建完成后的模型如圖4.4所示。</p><p><b>　　圖4.4</b></p><p>　　f．試樣的創(chuàng)建：重復(fù)入射桿的入射桿的創(chuàng)建過(guò)程。將其中的Approximate size改為0.05，單擊continue后，進(jìn)入

79、草繪模型。單擊工具箱中的create lines，過(guò)以下點(diǎn)創(chuàng)建一條封閉的曲線：（0,0），（0,0.024），（0.005,0.024），（0.005,0.019），（0.003,0.019），（0.003,0.005），（0.005,0.005），（0.005，0）。創(chuàng)建倒圓角：?jiǎn)螕舻箞A角按鈕，在提示欄中填寫倒圓角的半徑為0.02選著所要倒圓的兩條直線（（0.005,0.019），（0.003,0.019）創(chuàng)建的直線和，（0.003,

80、0.019），（0.003,0.005）創(chuàng)建的直線）單擊ok按鈕，即可生成倒圓角。同理，創(chuàng)建（0.003,0.019），（0.003,0.005）創(chuàng)建的直線和（0.003,0.005），（0.005,0.005）創(chuàng)建的直線之間的倒圓角。單擊done按鈕，生成試樣模型。創(chuàng)建完成后的模型如圖4.5所示。</p><p><b>　　圖4.5</b></p><p>　　S

81、tep2 定義材料特性（property）</p><p>　　本次拉伸實(shí)驗(yàn)用到了三種材料（銅，鐵，鋁）的不同構(gòu)件，應(yīng)分別創(chuàng)建的材料屬性。首先，創(chuàng)建銅的材料屬性：從module列表中選擇property，進(jìn)入property模塊后，單擊工具箱中的create material,創(chuàng)建一個(gè)名稱為cu的材料屬性，密度為8960，楊氏模量為93e9,泊松比為0.34，塑性變形中的Johnson-cook系數(shù)（具體內(nèi)容詳見

82、第三部分Johnson-cook模型）見圖4.6。單擊工具箱中的create section，創(chuàng)建一個(gè)名字為cu的均勻?qū)嶓w截面，材料使用的是cu，單擊工具箱中的assign section，把截面屬性賦給部件tong pian。</p><p>　　圖4.6 銅的Johnson-cook系數(shù)</p><p>　　其次創(chuàng)建鐵的材料屬性?；静襟E跟創(chuàng)建銅的材料屬性相同。其中鐵的材料特性為：密

83、度為7800，楊氏模量為210e9，泊松比為0.3。創(chuàng)建好鐵的截面屬性后，將其分別部件 rushegan, toushegan, zidan和ba。</p><p>　　最后創(chuàng)建鋁的材料屬性：創(chuàng)建步驟重復(fù)cu的創(chuàng)建過(guò)程。其中鋁的材料特性為：密度為2780，模量為71e9，泊松比為0.33.塑性變形中的johnson-cook系數(shù)見圖4.7。創(chuàng)建好截面屬性后，將其賦給部件shiyang。</p>&l

84、t;p>　　鋁的Johnson-cook系數(shù)</p><p>　　Step3 定義部件裝配(assembly)</p><p>　　從module列表中選擇assembly，進(jìn)入assembly模塊，單擊instance part 選擇部件rushegan，toushegan，shiyang，zidan，ba，tongpian。在type項(xiàng)中選擇dependent 單選按鈕。<

85、;/p><p>　　在assembly模塊點(diǎn)擊translate instance 進(jìn)入平移裝配截面（以ba部件為例，其余部件類似）。選擇要平移的部件ba。單擊done后，選擇初始點(diǎn)，部件ba的矩形的左上角的頂點(diǎn)（0,0.01），再選擇第二個(gè)點(diǎn)（即所要平移到的點(diǎn)）（0,0）單擊ok。</p><p>　　所有部件裝配完成的模型如圖4.8,4.9所示。</p><p>

86、　　圖4.8 試樣與入射桿和透射桿之間的裝配圖</p><p>　　圖4.9 入射桿與靶，靶與銅片，銅片與子彈之間的裝配圖</p><p>　　Step 4 定義分析步 （step）</p><p>　　從module列表中選擇step，進(jìn)入step模型，單擊工具箱中create step創(chuàng)建一個(gè)名為sptb的顯示動(dòng)態(tài)分析步，將其中的nlgeom設(shè)置為o

87、n，time step 為0.0006（Hopkinson拉伸時(shí)間一般只有500微秒）。</p><p>　　執(zhí)行output->field output->manager 進(jìn)入了場(chǎng)分析步編輯模塊，將其中的分析步增量改為500，單擊ok，完成定義分析步。</p><p>　　Step 5 定義接觸（interaction）</p><p>　　從mod

88、ule列表中選著interaction，進(jìn)入interaction模塊，執(zhí)行interaction create進(jìn)入創(chuàng)建接觸編輯界面，輸入名稱為ba-tongpian ，選擇面面接觸（surface to surface contact （explicit））單擊continue。在編輯接觸的對(duì)話框中，創(chuàng)建一個(gè)接觸屬性， 取其默認(rèn)的選項(xiàng)，單擊ok。出現(xiàn)選著第一個(gè)表面命令行，選擇銅片的下表面，單擊ok。在命令行中點(diǎn)擊surface 選著

89、第二表面，模型中為靶的上表面，單擊done，完成靶與銅片的面面接觸。執(zhí)行相同的步驟，定義子彈與銅片的面面接觸。如圖4.10</p><p><b>　　圖4.10</b></p><p>　　創(chuàng)建固定接觸（tie）：點(diǎn)擊constraint manager->create,彈出create constraint對(duì)話框，命名為rushegan-ba，選著 tie類

90、型，單擊continue。在命令行中單擊surface，選擇第一個(gè)表面，在模型中為靶的上表面，單擊done。再次單擊命令行中的surface，選擇第二個(gè)表面，在模型中為入射桿的下表面，單擊done，完成靶與入射桿的固定連接。試樣與入射桿之間的連接和試樣與透射桿之間的連接性，可以執(zhí)行與創(chuàng)建靶與入射桿之間的連接步驟。定義完連接后模型如圖4.11,4.12。</p><p>　　圖4.11 靶與入射桿之間的連接&l

91、t;/p><p>　　圖4.12 入射桿與試樣之間的連接和試樣與透射桿之間的連接</p><p>　　Step 6 定義邊界條件與載荷(load)</p><p>　　從module列表中選著load模塊，單擊predefined field manager，在出現(xiàn)的對(duì)話框中單擊create，命名為zidansudu，在step中選擇initial ，categor

92、y中選擇mechanical，type for selected step 中選著velocity，單擊continue，選擇子彈作為其速度的載體，單擊ok，在彈出的對(duì)話框中輸入v2=-10。完成載荷的定義。如圖4.13</p><p>　　圖4.13 定義子彈的速度</p><p>　　Step7網(wǎng)格的劃分（mesh）</p><p>　　從module下拉列表

93、中選擇mesh，進(jìn)入mesh模塊，在環(huán)境欄中object中選著入射桿，單擊工具箱中的seed edge by number。選中入射桿的兩個(gè)長(zhǎng)邊，單擊done，在命令行中輸入所要分成的段數(shù)200，回車，單擊done。同理，在入射桿的短邊撒上種子，段數(shù)為15。選擇單元類型：在mesh模塊中點(diǎn)擊assign mesh control，彈出mesh control對(duì)話框，在elementshape中選著quad-dominated選項(xiàng)、te

94、chnique中選擇structured，單擊ok結(jié)束?；氐絤esh模塊，執(zhí)行mesh part，在命令行中選擇yes，完成入射桿的網(wǎng)格劃分。</p><p>　　透射桿的網(wǎng)格劃分跟入射桿的一樣，子彈的網(wǎng)格劃分步驟跟入射桿的一樣，而其中的長(zhǎng)邊種子的段數(shù)為40，短邊為8。靶和銅片采用的是seed part來(lái)劃分網(wǎng)格，其主要參數(shù)見圖4。14。</p><p><b>　　圖4.14

95、</b></p><p>　　試樣采用三角形網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行了劃分，主要參數(shù)見圖4.15</p><p><b>　　圖4.15</b></p><p>　　網(wǎng)格劃分完成后的模型如圖4.16,4.17</p><p>　　圖4.16 Hopkinson拉桿底端網(wǎng)格的劃分</p><p>

96、;　　圖4.17 試樣處的網(wǎng)格劃分</p><p>　　Step 8 定義分析作業(yè)(job)</p><p>　　執(zhí)行job->create命令，彈出的對(duì)話框中，命名為lagan1，單擊continue按鈕，其余設(shè)置均為系統(tǒng)默認(rèn)，單擊ok按鈕，完成作業(yè)定義。在job-manager對(duì)話框中單擊submit進(jìn)行提交，作業(yè)計(jì)算完成單擊job manager對(duì)話框中的results按鈕進(jìn)入

97、visualization模塊。</p><p>　　Step 9 結(jié)果分析與處理（visualization）</p><p>　　執(zhí)行工具箱中的plot contours on deformed shape ，顯示模型變形后的應(yīng)力云圖，如圖4.18。執(zhí)行animate time history ，得到動(dòng)態(tài)Hopkinson 桿發(fā)生變形的過(guò)程。圖4.19顯示了應(yīng)力波傳到試樣的云圖<

98、/p><p>　　如圖4.18 應(yīng)力波剛傳到試樣的云圖</p><p>　　如圖4.19 模型變形后最終的分析云圖</p><p>　　顯示入射桿上的應(yīng)力與時(shí)間之間的關(guān)系圖和透射桿上的應(yīng)力與時(shí)間之間的關(guān)系圖：點(diǎn)擊工具箱中的create x y data ，在彈出的對(duì)話框中選擇ODB field output，單擊continue，在x y data from

99、ODB field output 對(duì)話框中的variables中 選著s->s22，在element/nodes中，單擊edit selection ，選擇入射桿上的一個(gè)單元，以done結(jié)束。單擊add selection ，點(diǎn)擊edit selection ，選擇透射桿上的一個(gè)單元，以done結(jié)束。選中以上選擇的兩個(gè)單元，點(diǎn)擊 plot畫出其波形圖。如圖4.20</p><p>　　圖4.20 應(yīng)力與時(shí)

100、間關(guān)系圖</p><p><b>　　問(wèn)題回顧與總結(jié)</b></p><p>　　執(zhí)行工具箱中的Plot Contours On Deformed Shape ，顯示模型變形后的應(yīng)力云圖，執(zhí)行Animate Time History ，得到SHTB發(fā)生變形的過(guò)程。圖4.21顯示了不同時(shí)刻鋁合金變形情況的應(yīng)力云圖。該實(shí)驗(yàn)采用高速套筒（子彈）撞擊入射桿的突出邊沿，在入射桿

101、內(nèi)形成拉伸應(yīng)力波（入射波）。試樣在入射桿和透射桿之間，一般采用的螺紋固定。在前方合理的位置放置吸收桿。在子彈撞擊入射桿后，在入射桿上形成應(yīng)力波。當(dāng)波傳給試樣后，一部分不發(fā)射回來(lái)形成反射波。而另一部分波繼續(xù)向前傳播，在透射桿上形成了透射波。當(dāng)拉伸應(yīng)力達(dá)到某一應(yīng)力范圍內(nèi)時(shí)，試樣會(huì)進(jìn)入塑性變形區(qū)域。</p><p><b>　　圖4.21</b></p><p>　　圖4.

102、22為數(shù)值模擬擬合得到的應(yīng)力時(shí)間曲線與實(shí)驗(yàn)得到的應(yīng)力時(shí)間曲線比較圖，有圖可以看出兩種曲線基本吻合。數(shù)值模擬的曲線與實(shí)驗(yàn)得到的曲線大體變化趨勢(shì)相同，但人有些相差之處，主要有以下幾個(gè)方面：1.實(shí)驗(yàn)取得的應(yīng)力時(shí)間曲線與模擬得到的曲線相比，在入射波和發(fā)射波的端部會(huì)有部分高出。2.在整體上，實(shí)驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)震蕩比較紊亂，模擬的曲線震蕩更加的平和。3.但對(duì)于入射波，實(shí)驗(yàn)做得曲線相對(duì)于模擬的曲線比較平穩(wěn)。造成這種差異的原因有兩方面：首先是波形整形器單元

103、尺寸與桿和子彈尺寸不相匹配產(chǎn)生的計(jì)算誤差，其次是波形整形器材料模型與實(shí)際有差異。</p><p>　　圖4.22 實(shí)驗(yàn)得到的曲線和數(shù)值模擬得到的曲線相比較</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　影響材料的拉伸力學(xué)性能的因素有很多，其中溫度是影響金屬材料的力學(xué)性能的一個(gè)重要原因。本文首先介紹了溫度對(duì)高強(qiáng)高韌鋁合金的力學(xué)性能

104、的影響的研究背景和意義，指出了在高溫下，鋁合金材料的性能響應(yīng)，與常溫下相比較，更為復(fù)雜；接著介紹了高強(qiáng)高韌鋁合金在不同溫度下的力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀，指出了在常溫下，學(xué)者對(duì)高強(qiáng)高韌的鋁合金進(jìn)行了很多研究，但在高溫下對(duì)鋁合金的研究比較少，進(jìn)一步指出該研究的意義；最后介紹了本文所要研究的內(nèi)容，擬解決的問(wèn)題和研究的基本路線。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)材料的選擇對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有著重要的影響。本次實(shí)驗(yàn)采用的是高強(qiáng)高韌的7075、

105、2024鋁合金。該兩種鋁合金強(qiáng)度高，韌性好，抗腐蝕能力強(qiáng)，在許多工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)研究方面，2024，,7075鋁合金力學(xué)性能對(duì)不同溫度，不同應(yīng)變率也相當(dāng)?shù)拿舾小?lt;/p><p>　　使用SHTB實(shí)驗(yàn)裝置與MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)住址分別對(duì)7075、2024鋁合金進(jìn)行了不同溫度下的拉伸實(shí)驗(yàn)，獲得了相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線。通過(guò)高溫下鋁合金的力學(xué)性能和低溫下的性能相比較，分析得到鋁合金在高溫下的拉伸力學(xué)性能有著一定下

106、降:較早的進(jìn)入塑性階段，頸縮、斷裂的發(fā)生也比常溫下來(lái)的更早。</p><p>　　基于許多學(xué)者的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)之上，收集相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)鋁合金基本理論知識(shí)和ABAQUS建模軟件，對(duì)高基礎(chǔ)之上，收集相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)鋁合金基本理論知識(shí)和ABAQUS建模軟件，對(duì)高強(qiáng)高韌的鋁合金的拉伸力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，將模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以便對(duì)其進(jìn)一步分析。</p><p><b&

107、gt;　　展望</b></p><p>　　當(dāng)今世界科技迅猛發(fā)展，國(guó)力的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)質(zhì)上已演變成了科技實(shí)力的競(jìng)爭(zhēng)，各國(guó)都在各個(gè)領(lǐng)域加強(qiáng)了科技研究，試圖增加本國(guó)產(chǎn)業(yè)的科技含量，惟恐在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中處于尷尬的地位。當(dāng)今世界是和平的世界，但是還是隱藏著激烈的軍事競(jìng)爭(zhēng)，特別是軍事方面的高科技成分，更是機(jī)密中的機(jī)密，直接決定著一個(gè)國(guó)家的軍事實(shí)力。所以一國(guó)在軍事方面的科技含量和其綜合國(guó)力關(guān)系甚大，有時(shí)直接決定一個(gè)國(guó)家在世

108、界上的話語(yǔ)權(quán)，對(duì)軍用材料的力學(xué)的特性的研究非常之廣，直接關(guān)系到軍用裝備的科技含量，是非常之重要的。</p><p>　　本文的研究主要工作是研究溫度對(duì)高強(qiáng)高韌鋁合金的拉伸力學(xué)性能的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論分析的方法對(duì)鋁合金的拉伸力學(xué)性能進(jìn)行的研究，本利用ABAQUS顯示動(dòng)態(tài)分析對(duì)拉伸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的數(shù)值模擬。盡管得到一些結(jié)果，但仍然有很多方面需要進(jìn)一步的研究：</p><p>　　本文工作主要是一實(shí)

109、驗(yàn)為主對(duì)問(wèn)題進(jìn)行研究，理論分析和數(shù)學(xué)推理方面比較少，實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合，才能將問(wèn)題分析的更加深入，透徹。此外，本文未涉及到金屬材料的微觀組織結(jié)構(gòu)方面的實(shí)驗(yàn)來(lái)探究溫度對(duì)晶粒影響，從而來(lái)影響材料的力學(xué)性能。</p><p>　　文章研究的是溫度對(duì)高強(qiáng)高韌鋁合金的拉伸力學(xué)性能影響。該論文僅僅從常溫和高溫兩方面來(lái)對(duì)鋁合金的拉伸性能進(jìn)行研究，沒(méi)有涉及到低溫部分。隨著高強(qiáng)高韌的鋁合金材料應(yīng)用的不斷深入，低溫條件下鋁合金的性能也

110、越來(lái)越受到人們的重視，這必將成為一個(gè)研究的趨勢(shì)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　陳鼎，陳振華。鋁合金在低溫下的力學(xué)性能。《宇宙材料工藝》，2000年第4期，1-7</p><p>　　劉繼華，李荻，劉培英，郭寶蘭，朱國(guó)偉。時(shí)效和回歸處理對(duì)7075鋁合金及腐蝕性能的影響《材料熱處理學(xué)報(bào)》2002年3月第一期，5