复杂条件下高强度低合金钢板的动力学行为研究

发布时间：2019-09-03 18:10

【摘要】：高强度低合金(High Strength and Low Alloy,简称HSLA)钢在强度、刚度、韧性、抗碰撞性能、耐腐蚀性能和成本等方面具有优良的性能,在汽车、机械、航空航天、船舶和建筑等领域的应用也逐年增加。因此,深入了解HSLA钢板在低速冲击、U型冲压回弹和激光加工等复杂加工实际的动力学行为,对其在应用领域的实际应用具重要的指导意义。本论文研究工作主要分为三大部分:第一部分工作研究了在一维温度场和低速冲击作用下HSLA钢板热弹塑性动力响应的问题。基于一维热传导理论、弹塑性力学和经典非线性薄板理论,建立了低速冲击下HSLA钢板的增量型热弹塑性非线性运动控制方程;借助热弹塑性接触准则,获得了刚性冲头在冲击HSLA钢板瞬间的相对位移和接触半径的表达式,进一步得到了发生弹塑性变形的接触力。在求解过程中,分别采用有限差分法和Newmark法对未知位移函数在空间域和时间域离散,对整个问题进行迭代求解。分析了刚性冲击物的半径和初速度、板的周边温度和长厚比等参数对低速冲击下HSLA钢板的热弹塑性动力学响应和接触力的影响。在第二部分工作中,(1)研究了阻尼效应和高阶几何非线性对HSLA钢板回弹动力特性影响的问题。引入成形-回弹反耦联系统的概念,考虑板自身阻尼效应的和高阶几何非线性的影响,得到了低速冲击下HSLA钢板的成形-回弹反耦联系统的非线性运动控制方程。采用有限差分法、Newmark法和迭代法相结合的方法,确定了HSLA钢板回弹体的位移分布形式。分析了板的边界条件、长厚比和高阶几何非线性以及冲击物的初始冲击速度等对HSLA钢板的回弹量和幅频响应的影响规律;(2)研究了U型冲压下HSLA钢板的时效回弹行为以及损伤演化对其回弹行为影响的问题。建立综合考虑与材料屈服应力有关的初始屈服应变、拉伸-弯曲耦合应变和各向同性强化等因素的力学模型,分析了U型冲压下HSLA钢板的回弹与时效回弹行为。基于描述包辛格效应、瞬态行为和永久软化等多种特性的混合塑性硬化准则,建立综合考虑变弹性卸载模量、非线性弹性恢复、初始各向异性屈服准则和损伤演化等的力学回弹模型,研究了损伤演化对HSLA钢板的U型时效回弹的影响。分析了硬化指数、各向异性系数、弯曲径厚比、摩擦系数、压延力和损伤量对HSLA钢板回弹量和切向应力的影响。在第三部分工作中,(1)研究了三维稳态温度场中基于修正理论的HSLA钢板弯曲静力响应的问题。基于三维稳态热传导理论,采用分离变量法,求解得到板的三维稳态温度场。基于修正理论,将位移表示为由弯曲和剪切两部分组成的函数,借助变分原理,得到了HSLA钢板的非线性弯曲静力响应的控制方程。采用Galerkin法和双重Fourier级数法确定待求的未知位移量。分析了HSLA钢板的长厚比、几何非线性以及温度场函数的幅值和分布形式对HSLA钢板的挠度和正应力的影响;(2)研究了激光加工下HSLA钢板的三维热动力学行为的问题。针对激光加工HSLA钢板的问题,建立了其三维瞬态热传导模型和三维热动力学控制方程。采用分离变量法,将温度场在空间域和时间域上离散进行求解,通过使用状态空间法,确定了HSLA钢板的位移场和应力场。分析了激光移动加工速度、板的长厚比以及外加载荷形式对其温度场、位移和应力场的影响;(3)研究了高能量激光加工下HSLA钢板的固-液-气三相热动力学行为的问题。基于高能量激光加工下HSLA钢板产生固-液-气三相相变机理,研究了其相关三相相变热动力学行为。采用分离变量法,求解得到了激光加工下HSLA钢板的三维瞬态相变温度场、液相质量分数和气相质量分数,同理采用状态空间法,确定了高能量激光加工下HSLA钢板的位移场和应力场的分布形式。分析了高能量激光的加工时间和加工速度以及板的长厚比等对HSLA钢板的三维相变温度、液相温度的质量分数以及板的振动频率、位移和应力分量等的影响规律。本论文工作创新点主要包括:(1)基于弹塑性力学和非线性薄板理论,建立了一个与应力球张量有关的HSLA钢板的混合硬化屈服准则;(2)基于时效回弹角与应变强化相关的概念,描述了时效回弹角和总回弹角随加工参数和损伤演化的变化规律;(3)基于板的修正理论,给出了HSLA钢板在三维稳态温度场中和载荷作用下的非线性弯曲静力响应的解析形式;(4)基于高能量激光加工下HSLA钢板的固-液-气三相相变机理,得到了板的液相质量分数和气相质量分数的三维分布形式。本论文研究内容系统地研究了HSLA钢板在低速冲击下的热弹塑性动力学行为、U型冲压下受损时的时效回弹行为以及激光加工下的三维热动力学行为等问题,揭示了HSLA钢板的非线性动力学和三维传热行为,不仅丰富和发展了接触力学、材料力学、损伤力学和热力学等理论,而且将为HSLA钢板的理论研究和实践应用提供重要的理论依据。
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博士学位论文第 1 章 绪 论 引言高强度低合金(High Strength and Low Alloy，简称 HSLA)钢是指在冶炼添总量不超过 5%合金元素的钢材，包含 Mn，Si 和 Nb 等元素[1, 2]。加素后钢材强度可明显提高，使钢结构构件的强度、刚度和稳定性三个主能指标都能充分发挥[3]，尤其在大跨度或者重负荷结构中优点更为突出比碳素结构钢节约 20%左右的用钢量。

HSLA 钢板的动力学行为进行分析研究。(a) (b) (c)图1.2 复杂条件下HSLA钢板的研究(a)低速冲击, (b)冲压回弹, (c)激光加工另外，HSLA钢往往被冲压成各种形状的汽车零部件(如图1.2(b)所示)，冲压过程中不可避免的会出现回弹现象。由于HSLA钢固有的高强度、低延伸率和较差的成形性等特性以及自身存在的加工硬化特征的差异，往往很难找到回弹规律。一般来说，，HSLA钢的回弹往往是几个方向的回弹共存。在这种情况下HSLA钢板回弹后会发生扭曲，这样的回弹很难通过补偿的方法解决，所以HSLA钢板回弹问题的处理仍较为棘手。再者，HSLA 钢时常需要通过激光切割、焊接、打孔和修复等诸多加工实际加工成各种尺寸和形状的金属零部件(如图 1.2(c)所示)。激光冲击利用高功率密度、短脉冲激光束辐照，通过能量吸收涂层的汽化和等离子体的膨胀爆炸形成高强度冲击波作用于金属表面。然而
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG142.1


本文编号：2531507