車用鋁合金變形損傷和斷裂機(jī)理研究與材料表征及有限元模擬.pdf

1、汽車輕量化是節(jié)能、環(huán)保以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。鋁及其合金因其較小的密度、良好的塑性、以及較高的比強(qiáng)度已成為汽車車身輕量化設(shè)計(jì)中考慮采用的重要輕質(zhì)材料。交通工具一個(gè)重要性能指標(biāo)就是耐撞擊性。鋁合金汽車構(gòu)件在撞擊的過(guò)程中，構(gòu)件上的應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)變速率各點(diǎn)均不相同，而且在撞擊的過(guò)程中各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)變速率還隨著時(shí)間變化而變化。用有限元分析方法模擬鋁合金碰撞是研究鋁合金構(gòu)件耐撞擊性的重要方法，利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)進(jìn)行空間框架結(jié)構(gòu)的變形、吸能和失效模式

2、的研究可以縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用。但是這些有限元分析軟件在實(shí)際應(yīng)用中仍存在許多問(wèn)題，有時(shí)其模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在較大的差異。究其原因不是有限元軟件本身的問(wèn)題，而是在有限元建模時(shí)缺乏準(zhǔn)確的描述材料變形行為的本構(gòu)關(guān)系以及描述材料失效和斷裂的損傷模型。本論文通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究以及各種力學(xué)參數(shù)的測(cè)定，建立可以描述鋁合金材料在不同應(yīng)力狀態(tài)及不同應(yīng)變速率下變形的本構(gòu)關(guān)系及其微觀結(jié)構(gòu)損傷演化破壞規(guī)律，為正確的有限元模擬奠定基礎(chǔ)。圍繞上述問(wèn)題本文從

3、以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究。 考慮到擠壓材料的各向異性效應(yīng)對(duì)模擬結(jié)果的精確性造成一定的影響，本文首先對(duì)擠壓6063鋁合金(T5)材料擠壓方向與拉伸方向成0°，45°，90°的材料力學(xué)性能進(jìn)行了表征，同時(shí)為后續(xù)試驗(yàn)中試樣的取樣方式提供必要的理論依據(jù)。 本文設(shè)計(jì)出蝶形試樣及Arcan夾具，通過(guò)蝶形試樣和．Arcan夾具進(jìn)行不同角度的拉伸試驗(yàn)研究了鋁合金在不同應(yīng)力狀態(tài)下的損傷與斷裂行為。結(jié)果表明：在不同應(yīng)力狀態(tài)下，鋁合金所表現(xiàn)出的

4、力學(xué)性能明顯不同：隨著三軸應(yīng)力度的減小，載荷—位移曲線上峰值載荷逐漸減小，斷裂應(yīng)變逐漸增大。隨著三軸應(yīng)力度的減小，材料的損傷方式變化規(guī)律為微裂紋和微孔洞—微裂紋—局部剪切帶和微裂紋。隨著三軸應(yīng)力度的減小，．韌窩斷裂機(jī)制減小，剪切斷裂機(jī)制增大。不同三軸應(yīng)力度的試樣最終的宏觀斷裂方式可以用統(tǒng)一的拉伸斷裂判據(jù)進(jìn)行描述。 通過(guò)不同應(yīng)變率下的平板拉伸試驗(yàn)，本文研究了鋁合金材料在不同應(yīng)變率下的力學(xué)性能及變形斷裂行為。結(jié)果表明：鋁合金基本上是

5、應(yīng)變率不敏感的材料。在中低應(yīng)變率的范圍內(nèi)，隨著應(yīng)變率的增大，鋁合金的屈服強(qiáng)度略有增大，斷裂應(yīng)變略有減小，斷裂強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度基本不變。在高應(yīng)變率的范圍內(nèi)，材料的應(yīng)變率敏感性顯現(xiàn)出來(lái)：隨著應(yīng)變率的增加，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均增大，斷裂應(yīng)變也增大。當(dāng)應(yīng)變率到達(dá)一定的臨界值時(shí)，材料中出現(xiàn)了反向應(yīng)變?nèi)趸?yīng)。在不同應(yīng)變率范圍內(nèi)，試樣中損傷形式均是以微裂紋為主導(dǎo)的損傷，但是微裂紋產(chǎn)生的形式有所不同：在中低應(yīng)變率下，相鄰晶粒的變形不協(xié)調(diào)造成微裂紋

6、在晶粒邊界首先產(chǎn)生，試樣中的微裂紋的長(zhǎng)度較大；在高應(yīng)變率下，由于快速剪切機(jī)制起主要作用，材料中基本都是沿著晶粒邊界產(chǎn)生的短裂紋。隨著應(yīng)變率的增大，斷口上的韌窩越來(lái)越具有明顯的方向性。同時(shí)斷口上剪切平面所占的比例也越來(lái)越多，即隨著應(yīng)變率的增加，材料的剪切斷裂機(jī)制的趨勢(shì)增加。不同應(yīng)變率下的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的應(yīng)變率強(qiáng)化行為可以用修正的冪次強(qiáng)化模型來(lái)描述。 本文設(shè)計(jì)出可以產(chǎn)生接近純剪切應(yīng)力狀態(tài)的拉伸剪切試樣。通過(guò)不同剪應(yīng)變率下拉伸剪切

7、試驗(yàn)，研究了鋁合金材料在不同剪應(yīng)變率下的力學(xué)性能及變形斷裂行為。研究結(jié)果表明：在中低剪應(yīng)變率下(γ：0.01～5.56s-1)，，剪應(yīng)變率對(duì)鋁合金強(qiáng)度沒(méi)有多大影響，這進(jìn)一步說(shuō)明了鋁合金是率無(wú)關(guān)性材料。剪應(yīng)變率對(duì)鋁合金影響最大是剪切斷裂應(yīng)變。隨著剪應(yīng)變率的增大，剪切斷裂應(yīng)變按冪指數(shù)減小，不同剪應(yīng)變率對(duì)拉伸剪切試樣的斷口形貌幾乎沒(méi)有影響。本文設(shè)計(jì)出可以產(chǎn)生不同應(yīng)力狀態(tài)的原位拉伸試樣。通過(guò)不同應(yīng)力狀態(tài)下的原位拉伸試驗(yàn)，本文研究了鋁合金材料拉伸

8、斷裂的整個(gè)變形過(guò)程。研究結(jié)果表明：鋁合金材料的晶粒邊界是其最薄弱環(huán)節(jié)，大量的微裂紋均產(chǎn)生于晶界。原位拉伸試件形狀的不同，試樣最小截面上的三軸應(yīng)力度分布不同(即正應(yīng)力和剪應(yīng)力分布不同)，所以裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的動(dòng)力及方式也不同。0°原位拉伸試樣中的正應(yīng)力較大，剪應(yīng)力很小，所以裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展主要是在正應(yīng)力作用下完成的：45°原位拉伸試樣中既有正應(yīng)力也有剪應(yīng)力，所以裂紋在剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生，而在正應(yīng)力的作用下擴(kuò)展；90°原位拉伸試樣中的剪應(yīng)力很大

9、，而正應(yīng)力很小，所以裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展是在剪應(yīng)力作用下完成的。隨著試樣中三軸應(yīng)力度的降低，試樣表面的滑移變形帶與加載方向的角度逐漸減小，斷裂方式從正斷向剪斷轉(zhuǎn)變，斷口形貌也變得越來(lái)越平整光滑。 在以上試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，本文用G-T-N損傷模型和Johnson-cook損傷模型系統(tǒng)地對(duì)鋁合金材料在不同應(yīng)力狀態(tài)和不同應(yīng)變率下?lián)p傷和斷裂行為進(jìn)行有限元模擬。模擬結(jié)果表明：當(dāng)三軸應(yīng)力度介于0～1/3時(shí)，一般采用Johnson-cook損傷模

10、型進(jìn)行模擬；當(dāng)三軸應(yīng)力度高于1/3時(shí)，用G-T-N損傷模型模擬基本上可以得到比較滿意的結(jié)果。同時(shí)，可以用G-T-N損傷模型模擬不同中低應(yīng)變率的平板拉伸試驗(yàn)。模擬結(jié)果顯示：在中低應(yīng)變率的條件下，損傷參數(shù)中的臨界孔洞體積分?jǐn)?shù)fc對(duì)網(wǎng)格尺寸和應(yīng)變率不敏感；但在高應(yīng)變率的條件下，損傷參數(shù)fc和fF對(duì)有限元模型的網(wǎng)格存在依賴性：當(dāng)網(wǎng)格尺寸較大時(shí)，fc和fF的值較小。同時(shí)，在相同的網(wǎng)格尺寸下，通過(guò)不同應(yīng)力狀態(tài)下G-T-N損傷參數(shù)擬合可以得出G-T-

11、N損傷模型中fc和fF隨著三軸應(yīng)力度的變化關(guān)系式，為后續(xù)采用G-T-N損傷模型進(jìn)行有限元模擬所需損傷參數(shù)提供依據(jù)。同時(shí)模擬還表明原始孔洞體積分?jǐn)?shù)f0對(duì)臨界孔洞體積分?jǐn)?shù)fc有著不同的影響：當(dāng)f0非常小時(shí)(f0≤0.001)，三軸應(yīng)力度對(duì)臨界孔洞體積分?jǐn)?shù)沒(méi)有多大影響；當(dāng)f0比較大時(shí)(f0>0.001)，三軸應(yīng)力度對(duì)fc產(chǎn)生影響。為了驗(yàn)證材料模型、損傷模型及材料表征方法的正確性，將G-T-N損傷模型和Johnson-cook損傷模型分別代入汽