AZ31镁合金绝热剪切行为数值模拟

发布时间：2017-08-22 06:07

  本文关键词：AZ31镁合金绝热剪切行为数值模拟

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【摘要】：镁合金是最轻的常用金属材料之一，其密度大概是铝的密度的三分之二，具备高比强度、比刚度以及良好的减震、铸造和切削加工等性能，被誉为“21世纪绿色工程材料”。随着镁合金在汽车、航空航天、军工武器等行业的广泛应用，其动态力学性能也越来越备受关注，，而材料在高应变率条件下，其强度与静载条件下具有较大差异。差异的主要产生原因是高应变率下，材料内部产生了绝热剪切带，致使其自身承载能力很大程度的降低，甚至完全丧失。 为进一步了解AZ31镁合金绝热剪切带的产生原因以及绝热剪切带内部孔洞和微裂纹之间的关系。本文利用Ansys/Ls-dyna模拟软件对SHPB动态加载过程进行数值模拟，利用试验所得应力应变曲线，拟合粘塑性的Johnson-Cook本构方程中的各项参数；通过弹速计算公式求得数值模拟中子弹的初速度。可视化重现了SHPB动态加载过程中，应力在SHPB装置中的传播方式与过程以及AZ31帽状试样绝热剪切带易发区域的应力应变和温度情况。结合光学显微镜、扫描电镜和透射电镜技术分别对同等试验条件下的AZ31帽状试样进行显微组织观察。综合分析了AZ31帽状试样内部绝热剪切带的产生原因以及绝热剪切带内部组织的形成与演变。 实验结果表明，应力在SHPB装置的中以波的形式进行传递，其速度为683.33m/s。应力波抵达帽状试样内外拐点连线区域时首先在内外拐点处汇聚，进而逐渐向中间区域扩展，最终聚集在中间，其最大值为244.5MPa，此时该区域的温度最大值为953.258K。通过显微组织观察发现，AZ31帽状试样应力集中区域产生了绝热剪切带，绝热剪切带内部存在孔洞、微裂纹、等轴晶区域以及相互平行的孪晶带。结合数值模拟和实验结果，可知绝热剪切带内部较高的温度条件推动自身组织内部碎化的细小晶粒以及亚结构进行动态再结晶形成了等轴晶区，等轴晶区域两侧为相互平行的孪晶带。同时在等轴晶的内部存在孔洞和微裂纹，二者的关系是孔洞最先产生，随着时间的推移和载荷的增加，孔洞发生扩展，形成裂纹。
【关键词】：分离式Hopkinson压杆 挤压态AZ31镁合金 帽状试样 Johnson-Cook本构关系 Ansys/Ls-dyna数值模拟
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.22
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 镁的性质及用途9-10
• 1.2 镁合金局域变形与绝热剪切10
• 1.3 镁合金绝热剪切的研究进展10-13
• 1.4 镁合金绝热剪切数值模拟13-14
• 1.4.1 数值模拟13
• 1.4.2 有限元软件13-14
• 1.5 本课题研究的意义及内容14-15
• 第2章 实验原理、材料及方法15-21
• 2.1 实验设备及原理15-17
• 2.1.1 主要实验设备SHPB简介15-16
• 2.1.2 实验原理简介16-17
• 2.2 实验材料17-21
• 2.2.1 试样尺寸17-18
• 2.2.2 试样制备18-19
• 2.2.3 高速冲击压缩实验19-20
• 2.2.4 微观组织分析20
• 2.2.5 维氏硬度测试计的原理20-21
• 第3章 分离式霍普金森(SHPB)的理论分析21-28
• 3.1 分离式霍普金森冲击杆的理论分析21-23
• 3.2 弹性应力波的基本假设与控制方程23-25
• 3.3 Johnson-Cook 本构模型25-26
• 3.4 弹速模拟计算公式26-28
• 3.4.1 气炮发射杆件原理图26-27
• 3.4.2 模拟弹弹速计算公式27-28
• 第4章 霍普金森（SHPB）动态加载过程数值模拟28-42
• 4.1 Ansys/Ls-dyna 数值模拟28-29
• 4.2 有限元分析的预处理29-34
• 4.2.1 SHPB 装置的单元选取30
• 4.2.2 SHPB 装置的几何模型建立30-31
• 4.2.3 SHPB 装置的材料属性设置31-32
• 4.2.4 SHPB 装置的网格划分32
• 4.2.5 SHPB 装置的接触设置32-33
• 4.2.6 SHPB 装置的边界条件加载33-34
• 4.3 SHPB 数值模拟结果与讨论34-39
• 4.3.1 SHPB 实验装置中应力的传播形式34-37
• 4.3.2 AZ31 帽状试样的室温动态加载37-39
• 4.4 SHPB 数值模拟的准确性验证39-40
• 4.5 SHPB 数值模拟的误差分析40-42
• 第5章 AZ31 帽状试样局域变形和绝热剪切带萌生与扩展42-49
• 5.1 AZ31 镁合金的性能特点42
• 5.2 AZ31 帽状试样的局域变形过程42-43
• 5.3 AZ31 帽状试样绝热剪切带的萌生过程43-45
• 5.3.1 AZ31帽状试样绝热剪切带的萌生过程43-44
• 5.3.2 AZ31帽状试样绝热剪切带内部的等轴晶区域与孪晶带的形成过程44-45
• 5.4 AZ31 帽状试样绝热剪切带的扩展过程45-49
• 5.4.1 绝热剪切带内部组织显微分析45-47
• 5.4.2 绝热剪切带内部微裂纹的形成与扩展过程47-49
• 第6章 结论49-50
• 参考文献50-54
• 在学研究成果54-55
• 致谢55

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：717465