基于模型的钢本构参数识别及验证(2)
【作者】网站采编
【关键词】
【摘要】图1给出了不同温度下单向拉伸试验的工程应力应变曲线,可以看出45钢流动应力随温度明显降低。温度到400 °C时,流动应力下降了约1/4左右;温度600 °C时
图1给出了不同温度下单向拉伸试验的工程应力应变曲线,可以看出45钢流动应力随温度明显降低。温度到400 °C时,流动应力下降了约1/4左右;温度600 °C时,流动应力下降了约2/3左右;温度达到800 °C以上时,应力已经低于常温时1/10了。这说明45钢温度软化效应非常明显。
图1 45钢不同温度下单向拉伸试验工程应力应变曲线Fig.1 Engineering stress-strain curves of uniaxial tensile tests for 45 steel at different temperature
图2给出了万能试验机上得到的不同应变率下单向拉伸试验的工程应力应变曲线(仅关注屈服强度,动态试验直线部分斜率并不是弹性模量),可以看出,在试验的应变率范围内,流动应力随应变率的增加略有增长,应变率效应不太明显。
图2 45钢不同应变率下单向拉伸试验工程应力应变曲线Fig.2 Engineering stress-strain curves of uniaxial tensile tests for 45 steel at different strain rate
图3给出了几个试验后典型的试件断口图片,可以观察到45钢断口处出现了轻微的颈缩现象,表现出了一定的韧性破坏特征。高温下颈缩现象更为明显,说明45钢随温度的升高,延性逐渐增大。
图3 45钢拉伸试样断口形状Fig.3 Fracture shapes of tension specimens for 45 steel
1.2SHTB试验及结果
为了考察较高应变率时应变率变化对45钢性能的影响,在SHTB设备上开展了动态拉伸试验,应变率从1 100~2 700 s-1。图4给出了SHTB试验得到的典型动态拉伸应力应变曲线与准静态下的单向拉伸应力应变曲线的比较。需要说明的是,在拉伸过程中,试件并未拉断。从图4可以看出,45钢有比较明显的应变率强化效应。值得注意的是,可能由于实验手段或设备的原因,再加上本文45钢强度较大,动态拉伸应力应变曲线抖动较大,不易准确得到动态下屈服强度。
撞击试验及结果
Taylor撞击试验经常被用来获取或者校准材料参数[17]。在轻气炮上进行了名义直径12.6 mm,长度50.2 mm的45钢圆柱形弹体正撞击高强装甲钢板的试验,得到了撞击后弹体长度与头部直径数据及变形破坏形式,见表1。试验中,装甲钢板未见明显变形。
表1中,m0为弹体初始质量,L0和D0分别为弹体初始长度和直径,Lexp和Dexp分别为试验后回收到的撞击后弹体的长度和头部直径,Lsimu和Dsimu分别为数值模拟中得到的撞击后弹体长度和头部直径。
图4 45钢SHTB试验与准静态拉伸工程应力应变曲线比较Fig.4 Comparison of Engineering stress-strain curves of 45 steel between the SHTB test and quasi-static uniaxial tensile tests
表1Taylor撞击试验结果/gL0/mmD0/mmLexp/mmDexp/mmV0/m/sLsimu/mmDsimu/镦粗变形临界开裂临界开裂开裂花瓣开裂花瓣(1瓣脱落)——花瓣(全部脱落)
245钢本构模型和失效准则
2.1J-C本构关系参数标定
本文尝试在J-C本构模型的基础上描述45钢材料的力学行为。J-C模型表达式为
式中:A为材料在参考应变率和参考温度下的屈服强度;B和n为应变强化系数,C为应变率敏感系数;m为温度软化系数;σeq为等效应力;εeq为等效塑性应变;为无量纲化等效塑性应变率,为参考应变率;T*=(T-Tr)/(Tm-Tr)为无量纲化温度,其中,Tr,Tm分别为参考温度(293 K)和材料的熔点(1 513 K),T为当前温度。
2.1.1 应变强化项参数A,B,n确定
在常温准静态下,J-C模型中的应变率硬化项和温度软化项都为1,此时J-C模型变成了从图1中可以得到常温准静态拉伸下45钢的屈服强度为714.0 MPa,即A=714.0 MPa。用J-C模型对常温下准静态拉伸的等效应力应变曲线(颈缩前)进行拟合取准静态拉伸下应变率,Tr取293 K)。得到B=700.0 MPa,n=0.590,此组参数记为J-C1。由于试验中试样断裂处出现了略微的颈缩,拟合过程中只使用颈缩前的数据。如果考虑颈缩失稳条件,即在颈缩处满足dσeq/dεeq=σeq,拟合得到B=563.0 MPa,n=0.518,记为J-C2。为考察J-C模型的预测结果,使用这两套参数分别对常温准静态下的拉伸试验进行数值仿真,在ABAQUS/STANDARD中建立三维1/8对称计算模型,对自由端施加与试验一致的位移边界条件。图5给出了数值模拟得到的载荷-位移曲线与试验的对比。J-C1模拟得到的载荷位移曲线在颈缩前与试验比较接近,但不能预测到颈缩现象;J-C2虽然在刚进入屈服段时与试验曲线略有差距,但可以很好的预测到颈缩现象。综合考虑,应该选取J-C2。
图5 J-C预测到的45钢常温拉伸下载荷位移曲线与试验对比Fig.5 Comparison of load-displacement curves of tensile tests of 45 steel between the test result and predictions by J-C model
文章来源:《固体力学学报》 网址: http://www.gtlxxbzz.cn/qikandaodu/2021/0226/445.html
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