復雜條件下高強度低合金鋼板的動力學行為研究.pdf

1、高強度低合金(High Strength and Low Alloy，簡稱HSLA)鋼在強度、剛度、韌性、抗碰撞性能、耐腐蝕性能和成本等方面具有優(yōu)良的性能，在汽車、機械、航空航天、船舶和建筑等領域的應用也逐年增加。因此，深入了解HSLA鋼板在低速沖擊、U型沖壓回彈和激光加工等復雜加工實際的動力學行為，對其在應用領域的實際應用具重要的指導意義。
　　本論文研究工作主要分為三大部分：
　　第一部分工作研究了在一維溫度場和低速沖擊

2、作用下HSLA鋼板熱彈塑性動力響應的問題。基于一維熱傳導理論、彈塑性力學和經(jīng)典非線性薄板理論，建立了低速沖擊下HSLA鋼板的增量型熱彈塑性非線性運動控制方程；借助熱彈塑性接觸準則，獲得了剛性沖頭在沖擊HSLA鋼板瞬間的相對位移和接觸半徑的表達式，進一步得到了發(fā)生彈塑性變形的接觸力。在求解過程中，分別采用有限差分法和Newmark法對未知位移函數(shù)在空間域和時間域離散，對整個問題進行迭代求解。分析了剛性沖擊物的半徑和初速度、板的周邊溫度和長

3、厚比等參數(shù)對低速沖擊下HSLA鋼板的熱彈塑性動力學響應和接觸力的影響。
　　在第二部分工作中，(1)研究了阻尼效應和高階幾何非線性對HSLA鋼板回彈動力特性影響的問題。引入成形-回彈反耦聯(lián)系統(tǒng)的概念，考慮板自身阻尼效應的和高階幾何非線性的影響，得到了低速沖擊下HSLA鋼板的成形-回彈反耦聯(lián)系統(tǒng)的非線性運動控制方程。采用有限差分法、Newmark法和迭代法相結(jié)合的方法，確定了HSLA鋼板回彈體的位移分布形式。分析了板的邊界條件、長厚

4、比和高階幾何非線性以及沖擊物的初始沖擊速度等對HSLA鋼板的回彈量和幅頻響應的影響規(guī)律；(2)研究了U型沖壓下HSLA鋼板的時效回彈行為以及損傷演化對其回彈行為影響的問題。建立綜合考慮與材料屈服應力有關的初始屈服應變、拉伸-彎曲耦合應變和各向同性強化等因素的力學模型，分析了U型沖壓下H S LA鋼板的回彈與時效回彈行為?；诿枋霭粮裥⑺矐B(tài)行為和永久軟化等多種特性的混合塑性硬化準則，建立綜合考慮變彈性卸載模量、非線性彈性恢復、初始各

5、向異性屈服準則和損傷演化等的力學回彈模型，研究了損傷演化對HSLA鋼板的U型時效回彈的影響。分析了硬化指數(shù)、各向異性系數(shù)、彎曲徑厚比、摩擦系數(shù)、壓延力和損傷量對HSLA鋼板回彈量和切向應力的影響。
　　在第三部分工作中，(1)研究了三維穩(wěn)態(tài)溫度場中基于修正理論的HSLA鋼板彎曲靜力響應的問題?；谌S穩(wěn)態(tài)熱傳導理論，采用分離變量法，求解得到板的三維穩(wěn)態(tài)溫度場?；谛拚碚?，將位移表示為由彎曲和剪切兩部分組成的函數(shù)，借助變分原理，得

6、到了HSLA鋼板的非線性彎曲靜力響應的控制方程。采用Galerkin法和雙重 Fourier級數(shù)法確定待求的未知位移量。分析了HSLA鋼板的長厚比、幾何非線性以及溫度場函數(shù)的幅值和分布形式對HSLA鋼板的撓度和正應力的影響；(2)研究了激光加工下 HSLA鋼板的三維熱動力學行為的問題。針對激光加工HSLA鋼板的問題，建立了其三維瞬態(tài)熱傳導模型和三維熱動力學控制方程。采用分離變量法，將溫度場在空間域和時間域上離散進行求解，通過使用狀態(tài)空間

7、法，確定了HSLA鋼板的位移場和應力場。分析了激光移動加工速度、板的長厚比以及外加載荷形式對其溫度場、位移和應力場的影響；(3)研究了高能量激光加工下 HSLA鋼板的固-液-氣三相熱動力學行為的問題。基于高能量激光加工下 HSLA鋼板產(chǎn)生固-液-氣三相相變機理，研究了其相關三相相變熱動力學行為。采用分離變量法，求解得到了激光加工下HSLA鋼板的三維瞬態(tài)相變溫度場、液相質(zhì)量分數(shù)和氣相質(zhì)量分數(shù)，同理采用狀態(tài)空間法，確定了高能量激光加工下HS

8、LA鋼板的位移場和應力場的分布形式。分析了高能量激光的加工時間和加工速度以及板的長厚比等對HSLA鋼板的三維相變溫度、液相溫度的質(zhì)量分數(shù)以及板的振動頻率、位移和應力分量等的影響規(guī)律。
　　本論文工作創(chuàng)新點主要包括：
　　(1)基于彈塑性力學和非線性薄板理論，建立了一個與應力球張量有關的HSLA鋼板的混合硬化屈服準則；
　　(2)基于時效回彈角與應變強化相關的概念，描述了時效回彈角和總回彈角隨加工參數(shù)和損傷演化的變化規(guī)律

9、；
　　(3)基于板的修正理論，給出了HSLA鋼板在三維穩(wěn)態(tài)溫度場中和載荷作用下的非線性彎曲靜力響應的解析形式；
　　(4)基于高能量激光加工下HSLA鋼板的固-液-氣三相相變機理，得到了板的液相質(zhì)量分數(shù)和氣相質(zhì)量分數(shù)的三維分布形式。
　　本論文研究內(nèi)容系統(tǒng)地研究了HSLA鋼板在低速沖擊下的熱彈塑性動力學行為、U型沖壓下受損時的時效回彈行為以及激光加工下的三維熱動力學行為等問題，揭示了HSLA鋼板的非線性動力學和三維傳