1、本科毕业论文（20届）温度对高强高韧铝合金动态拉伸力学性能的影响研究所在学院专业班级工程力学学生姓名学号指导教师职称完成日期年月I摘要摘要本文以2024、7075高强高韧铝合金为研究对象，对高强高韧铝合金进行了常温和高温下的动态静态拉伸实验，并结合数值模拟计算，研究高温度对高强高韧铝合金的力学性能的影响。1使用SHTB实验装置和MTS万能试验机对2024、7075铝合金试样分别进行不同应变率和不同温度下的拉伸试验，获得了两种铝合金材料的应力应变曲线，讨论了应变率和温度对其力学性能的影响。实验结果表明拉伸载荷下，两种铝合金的力学性能具有一定的应变率效应，随着应变率增加，流动应力增加；温度对两种铝
2、合金的力学性能影响明显，随着温度升高，流动应力降低，较早的进入塑性阶段，然后出现颈缩，断裂现象。2基于实验结果，拟合2024、7075铝合金JOHNSONCOOK本构模型的相关参数，得到的拟合曲线与实验曲线吻合较好，并且发现随着温度升高,较早进入塑性阶段,屈服强度有所下降3采用实验获得两种高强高韧铝合金的JOHNSONCOOK本构模型参数，利用ABAQUS有限元计算软件开展相关的数值模拟工作，然后将得到的数值模拟结果和实验结果进行对比研究。关键词高强高韧铝合金；温度；数值模拟；本构关系IIABSTRACTABSTRACTINTHISPAPER,THEDYNAMICTENSIONTESTSEXP
3、ERIMENTSUNDERNORMALTEMPERATUREANDHIGHTEMPERATUREWEREPERFORMEDONTHE2024,，7075HIGHSTRENGTHANDHIGHDUCTILITYALUMINUMALLOYBYUSINGTENSIONTESTANDNUMERICALSIMULATION,THEDYNAMICMECHANICALPROPERTIESOFHIGHSTRENGTHANDHIGHDUCTILITYALUMINUMALLOYWERESTUDIED1THETENSIONTESTSOFTHE20247075ALLOYUNDERNORMALTEMPERATUREAN
4、DHIGHTEMPERATUREWERECARRIEDOUTBYUSINGEXPERIMENTALAPPARATUSOFSHTBANDMTSUNIVERSALTESTINGMACHINETHERESULTSSHOWTHATTHERESULTSSHOWTHATDYNAMICTENSILEMECHANICALPROPERTIESOFALLOYUNDERTHEHIGHTEMPERATUREWASPOORCOMPAREDWITHUNDERNORMALTEMPERATURE,ANDITTURNINTOPLASTICSTAGE,THENTHENECKING,CRACKINGPHENOMENAAPPEAR2
5、BASEDONTHEEXPERIMENTALRESULTS,THERELEVANTPARAMETERSOFCONSTITUTIVEMODELWEREOBTAINEDTHEFITTEDCURVESAGREEWITHTHEEXPERIMENTALONESVERYWELLITISFOUNDTHATTHEALLOYUNDERTHEHIGHTEMPERATUREWILLTURNINTOPLASTICSTAGEEARLYANDTHEINITIALYIELDSTRESSDECREASES3THISPAPERINTENDSONTHEBASISOFSOMEEXPERTSSTUDYTOCOLLECTRELATED
6、EXPERIMENTALDATA,THENUSEABAQUSFINITEELEMENTCALCULATIONPROCEDURETOCARRYOUTTHENUMERICALSIMULATIONTAKINGTHENUMERICALSIMULATIONRESULTSTOCOMPAREWITHTHEEXPERIMENTALRESULTS,THISISHELPFULFORFURTHERANALYSISOFTHEEXPERIMENTALRESULTSKEYWORDSHIGHSTRENGTHANDHIGHDUCTILITYALUMINUMALLOYTEMPERATURETHENUMERICALSIMULAT
7、IONTHERELEVANTPARAMETERSOFCONSTITUTIVEMODELIII目录摘要IABSTRACTII目录III1绪论111研究的背景及意义112研究的概况和现状113研究的基本内容与拟解决的主要问题2131研究的主要内容2132构建高强高韧铝合金的塑性本构关系，并获得材料本构参数。3133在实验基础上，采用ABAQUS程序开展相关的数值模拟工作。32实验材料选择与设备原理421实验材料的选取422SHTB和MTS实验装置简介4221SHTB实验装置5222MTS万能试验机623研究的方法与技术路线724一维应力下的拉伸实验8241准静态拉伸8242动态拉伸实验103实验结
8、果及分析1331实验现象及分析1332实验结果及分析163217075铝合金在不同温度和应变率下的材料性能163222024铝合金在不同温度和应变率下的材料性能1733本构关系19331本构关系介绍19332JOHNSONCOOKJC模型简介20333JOHNSONCOOKJC模型拟合方法21IV334JOHNSONCOOKJC模型拟合结果214数值模拟2341引言2342问题背景2343问题分析2344问题求解2445问题回顾与总结375结论416展望42参考文献43致谢错误未定义书签。11绪论11研究的背景及意义高强度铝合金具有强度高，密度低，加工性能好，价格低廉等突出优点，是军事民用领域
9、的主要结构材料。随着航空航天业的不断发展，强求铝合金具有更高的比强度，断裂韧性及抗应力腐蚀的材料性能。近年来材料专家通过设计优化合金的成分，采用了新型的制坯方法，成形加工和热处理工艺，研发了多种性能更好的超强度铝合金。高强度的铝合金力学响应在许多军事领域，航空航天，民用工程也都有着重要的应用背景。例如，在航天航空器中，高强高韧铝合金作为主要的承重结构材料，除了要承受高静载荷和高疲劳载荷，还常处于一些特殊工况下（例如空间碎片高速撞击航天器、鸟撞飞机等）和恶劣环境下（例如航天器返回时，在稠密大气层中飞行会产生高温等）。在这些特殊工况和极端温度环境下，材料不仅承受强动载荷下的高应变率，同时还会伴随着
10、有高温的作用，因此，认识和掌握典型的高强高韧铝合金材料的力学行为，特别是在温度、高应变率及其耦合作用下的力学响应是十分必要的。12研究的概况和现状研究材料的动态拉伸破坏的实验很多，如常温下平面静态拉伸破坏、单轴动态拉伸破坏、高温疲劳破坏、高温拉伸破坏。其中常温下的拉伸破坏的实验易于实现、操作简单，理论研究分析也较为成熟和它在载荷作用下失效过程中所包含的丰富的内容等众多优点，使它成为人们研究金属材料拉伸力学性能的主要对象。2000年，陈鼎等1阐述了在低温下，铝合金的力学性能随着温度的变化规律，分析其力学性能的变化规律的机理，同时对极低温下某些铝合金的锯齿现象，特征，形成机理以及力学性能的影响作出
11、了说明。02年，刘继华2利用慢应变拉伸技术和维氏硬度计研究了7075铝合金以不同制度时效、回归处理后的强度和应力腐蚀断裂行为，得到7075铝合金的强度，硬度与时效温度有着密切的关系。同一年，李红英3对高强高韧铝合金的发展和对组织性能进行全2面的评述，提出了断裂韧性和应力腐蚀的影响因素。2008年，李春梅4等用拉伸试验来研究不同固溶和时效工艺处理后7055铝合金的力学性能，并结合显微组织分析，得到复合固溶（双级）和特殊时效处理新工艺比传统热处理工艺更合理，可使铝合金获得超高强、超高韧的有效结合，并确定了最佳工艺方案。以上的研究都是在常温条件下进行的的研究，没考虑应变率与温度对其的影响。对于温度和
12、应变率对铝合金的力学性能的研究，也有不少的学者进行了研究。贾江滢等5通过拉伸试验研究了加速载荷在1MM/MIN,10MM/MIN,100MM/MIN以及200MM/MIN范围内6020铝合金材料的力学性质，得到随着加载速率的增加，无论是屈服强度还是抗拉强度都有一定的提高，材料的塑性有了一定的下降。根据其试验结果确定了实验铝合金的本构关系。同年，王金鹏6等利用SHTB系统对2024铝在不同温度下和不同应变率条件下的动态力学行为开展了一系列的实验研究，并建立了2024铝的塑性本构关系。在2008年，WOEISHYANLEE等7研究了不同应变率及不同温度对7075铝合金的变形行为和组织演变的影响，得
13、到材料应力应变曲线与测试应变率和温度有着敏感的关系。同年，HEHU8研究了在不同温度（340,380,420,460OC）下7050铝合金的微观组织演变过程。王永刚，王礼立9等亦研究了冲击加载下LY12铝合金的动态屈服强度和层裂强度与温度的相关性。此外，还有学者对在低温对铝合金的力学性能的影响方面进行了研究，陈鼎与陈振华10在2000年的时候研究了在低温和极低温下铝合金的物理性能和力学性能，并得到了如铝合金在低温条件下提高拉伸性能，改善韧性性能结论，疲劳强度随温度的降低而提高等十分具有价值的结论。刘瑛11等人利用拉伸测试、扫描电镜与投射电镜等手段研究了3种高强铝合金（2519T87、2219T
14、81以及7039T6三种铝合金板材）得到当变形温度由室温293K降至77K是，伸力学性能，三种铝合金的屈服强度与抗拉强度均有所提高。同时还得到3种合金的伸长率随着温度降低有所提高。13研究的基本内容与拟解决的主要问题131研究的主要内容本文采用的是高强高韧的2024、7075铝合金试样来进行高强高韧铝合金的拉伸力学行为实验。实验内容组要有两部分3A、采用MTS万能试验机在准静态条件下研究高强高韧铝合金的拉伸力学行为，关注温度的影响。B、采用SHTB装置在动载荷条件下研究高强高韧铝合金的拉伸动态力学行为，关注温度和应变率的影响。132构建高强高韧铝合金的塑性本构关系，并获得材料本构参数。133在
15、实验基础上，采用ABAQUS程序开展相关的数值模拟工作。42实验材料选择与设备原理21实验材料的选取本文主要的工作是研究温度对铝合金的拉伸动态性能的影响，我们选取的是具有较高强度、较高韧性的金属材料7075、2024铝合金。其中，7075铝合金是一种冷处理锻压合金，强度高，商业用途广泛的合金。应用于航天航空领域、塑焊模具、模具加工。其主要成分为成分硅SI铁FE铜CU锰MN镁MG铬CR锌ZN钛TI含量（）020403805122028032129018028516101202余下为铝AL力学性能抗拉强度560MPA伸长应力495MPA弹性模量71GPA特点有1高强度可热处理合金，2机械性能良好，
16、3良好的可使用性，4易于加工，耐磨性好，5抗腐蚀性能、抗氧化性好。2024铝合金为一种高强度硬铝。主要用途有用于制作各种高负荷的零件和构件如飞机上的骨架零件，蒙皮，隔框，翼肋，翼梁，铆钉等工作零件。主要成分为成分硅SI铁FE铜CU锰MN镁MG铬CR锌ZN钛TI含量（）020403805122028032129018028516101202余下为铝AL力学性能抗拉强度390MPA条件屈服强度245MPA特点有可进行热处理强化，在淬火和刚淬火状态下塑性中等，具有良好的焊接功能。合金在淬火和冷作硬化后具有较好切削性能，但抗腐蚀性不高，常采用阳极氧化处理与涂漆方法或表面加包铝层以提高其抗腐蚀能力。22
17、SHTB和MTS实验装置简介5221SHTB实验装置金属材料的动态拉伸力学性能的研究越来越受到人们的重视。为了这方面的研究，人们为测量材料动态力学拉伸性能，相继提出了一些专门的加载装置。SHTB因实验结果简单，价格低廉等优点得到的广泛的运用。SHTB采用高速套筒（子弹）撞击入靶（射杆的突出边沿），在入射杆内形成拉伸应力波（入射波）。试样在入射杆和透射杆之间，一般采用的螺纹或强力胶固定，在前方合理的位置放置吸收杆,吸收块。在子弹撞击入射杆后，在入射杆上形成应力波。当波传给试样后，一部分不发射回来形成反射波。而另一部分波继续向前传播，在透射杆上形成了透射波。实验装置如图21所示。图21为SHTB实
18、验装置其中入射杆、透射杆、吸收杆直径均为19MM，长度分别为15M、15M、1M。该实验采用的是半导体应变片，普通应变片，用类似SHPB实验相类似的实验数据处理方法，来得到动态材料的拉伸性能。拉伸时间的工程应力，工程应变和应变率为STA0/ASETSTT02C0/LSTDTDT2C0/LST式中，E和A0分别为杆的杨氏模量和横截面的面积；C0为杆中弹性波速度；LS和AS分别为试样的厚度和横截面积6222MTS万能试验机MTS万能试验机是一种进行动态和静态的微力测试仪器。可以对金属材料、生物材料、部件以及成品进行各种测试。主要功能能对金属、非金属材料进行拉伸、压缩、弯曲、剪切等疲劳试验、断裂试验
19、项目，检测设备还可存储、输出打印试验参数、试验数据、试验结果、应力应变曲线的功能。其特点有功能多样只需安装在标准实验台上便能完成各种静态、动态试验。灵活性按照实验者的需要来选择控制载荷力。精确性激光校准提高了轴向对中精度,减少试件在横梁最高位置处的弯曲高效性可选择式单元安装部件控制模块的速度横梁定位及试件的安装。模块化设计根据实验者的需求做动缸、伺服阀和分油器配置系统，还有横梁升降，横梁液压锁紧部分，及其它附件。图22MTS万能试验机723研究的方法与技术路线试样温控装置对于高温，可以通过在常规SHTB系统的基础上增加加温系统、温控系统等，示意图如图23图23对试件采用电加热,即设计了一个内置
20、电炉。加热炉由保温材料和加热线圈组成,并适当设计导杆出入口大小及导杆位置,尽量减少电炉内外的热交换,使热量集中于电炉内部,完成对试件的加热。图24SHTB中的加热装置（从左往右依次为变压器，温控装置，加热装置）8实验设计在MTS万能实验机上进行高强高韧铝合金在准静态加载和不同温度条件下（应变率约为103/S）的拉伸试验，来研究高强高韧铝合金在准静态下的拉伸力学行为，及其对温度的依赖性。在分离式HOPKINSON系统中开展不同温度条件下以及不同应变率条件下高强高韧铝合金动态拉伸试验，研究高强高韧铝合金的力学行为，揭示温度和应变率对其力学性能的影响规律。24一维应力下的拉伸实验近年来也有专家、学者
21、对高强高韧铝合金的力学性能进行研究,但这些研究主要集中在对常温下的准静态实验或动态压缩试验的结果分析,而其在高温、动态拉伸条件下材料力学性能的研究并不多见。241准静态拉伸利用MTS试验机对高强高韧的铝合金样品在准静态（103至102S1）不同温度下进行拉伸试验，实验采用的是2024、7075高强度铝合金，其试件设计成亚铃型，具体尺寸如图表25A和25B所示。对2024、7075铝合金进行了多次拉伸实验，对重复性较好的实验数据取平均值。实验序号直径D（MM）标距H（MM）707521496257075224922570752349825707524（200OC）48925707525（150O
22、C）48425707526（100OC）492259图25A7075铝合金MTS万能试验机静态拉伸试样及数据实验序号直径D（MM）标距H（MM）202421510252024225042520242351025202424无数据506825202425（200OC）508425202426（150OC）499225202427（100OC）51162510图25B2024铝合金MTS万能试验机静态拉伸试样及数据242动态拉伸实验动态拉伸实验在SHTB实验机上进行的，该次实验试样采用的是2024、7075铝合金，其试样设计成两端带有螺纹的圆柱形，具体尺寸如图表26A和26B所示。实验序号直径D（
23、MM）标距H（MM）7075213306470752232064707523323647075243206470752532564707526（250OC）3226411图26A7075铝合金SHTB动态拉伸试样尺寸数据实验序号直径D（MM）标距H（MM）20242139952202422无数据40352202423无数据40649620242440055220242539758020242640453202427无数据4015612图26B2024铝合金SHTB动态拉伸试样尺寸数据在常温下，对2024、7075两种铝合金试样分别进行动态拉伸实验，每种情况的实验重复3次，对重复性较好的2次取均
24、值。在不同温度下，对7075高强进行拉伸实验。每种情况的实验重复3次，对重复性较好的2次取均值。133实验结果及分析31实验现象及分析2024和7075铝合金在准静态和不同应变率下的变形情况有所不同。从图31和图32中可以看出，动态与准静态条件下试件断裂的位置一般发生在试件的中部，如果出现断裂位置靠近一端的试件，可能是由于试件加工的问题。图317075铝合金断裂图（上为动态实验试样，下为静态实验试样）14图322024铝合金断裂图（上为动态实验试样，下为静态实验试样）观察7075铝合金试样的三维断口形貌（图33）。从中可以发现在准静态拉升破坏中，其破坏形式主要为剪切破坏。在高硬变率下的破坏，以
25、拉伸，剪切破坏为主。15图33高应变率下和准静态下7075铝合金试样断口的三维图观察不同温度下7075铝合金试样断口形状三维图（图34）可以得到铝合金高温的断裂破坏与常温下的断裂破坏形式相比较，高温下铝合金试验破坏形式中拉伸破坏更加明显。图347075铝合金在高应变率不同温度下（左为200OC，右为常温）断口图1632实验结果及分析3217075铝合金在不同温度和应变率下的材料性能图35所示7075高强度铝合金在相同应变率下、不同温度的动态拉伸的应力应变曲线。从图中可以得到，高强度铝合金试样的应力应变曲线规律应变率相同，试样接近常温时，屈服强度较大，杨氏模量较高。000000250050007
26、50100012501500200400600800STRESS/MPASTRIAN298K473K523K图357075铝合金在常温,200OC和250OC下的应力应变比较曲线图在相同温度下，有动态拉伸和静态拉伸的应力曲线图比较（图36），从中可以得到动态下试样的曲线总体上比静态下的要陡，这说明试样在动态条件下的应变硬化效果要比静态下的明显。而高应变率的情况下,屈服强度与准静态的下的屈服强度有所增加170000010020030040050060070080200400600800STRESS/MPASTRAIN3200/S0001/S图367075铝合金在相同温度下动态拉伸与准静态拉伸下应
27、力应变曲线相比较图3222024铝合金在不同温度和应变率下的材料性能以上均为7075铝合金在不同温度，不同应变率下材料的力学性能。2024铝合金与7075铝合金相比较，除在屈服强度上有所下降之外，其余性能与7075铝合金的材料力学性能相同。以下给出2024铝合金在不同温度，不同应变率下的材料特性对比图（图37和图38）。180000050100150100200300400500600700STRESS/MPASTRAIN423K473K图37在相同应变率下，不同温度下的2024铝合金的应力应变曲线0000050100150200100200300400500600700STRESS/MPAS
28、TRAIN3500/S2500/S0001/S图38在相同温度，不同应变率下的2024铝合金的应力应变曲线图1933本构关系331本构关系介绍材料在高应变率下变形的拉伸力学性能与静态作用下的力学响应有所不同。冲击载荷在时间历程上有显著的变化，所以在承受冲击载荷作用下，材料的变形就会在高应变率下发生。研究结果表明，高应变率加载下材料的力学性能与材料性质及温度有一定的关系。大多数金属与合金材料的应力会随着应变率增加而提高，表现出应变率强化效应1113。对于材料力学性能的研究，重点就是建立能够描述材料在材料变形情况下的力学性能本构关系，及其相对的应变率相关性。本构关系是指能够描述材料力学性质的数学关
29、系。自然界中材料种类很多,它们的材料力学性质也是各不相同的。其本构关系可以描述它们的力学性质。在工程力学中，应力应变关系是研究本构关系的重点，这是因为它反映了材料的具体特征。影响材料本构关系的因素复杂，如材料的力学、温度物理性质等，通常采用某些宏观参量和微观参量来描述这种关系，常用的宏观参量有粘性系数和杨氏模量，微观参量有位错密度、位错运动速度等等。众所周知，材料在动载荷（高应变率）下的力学性能是很复杂的，本构方程的数学表达式在材料的不同的变形阶段，表现不同。因此，到现在为止，还没有一个统一有效的本构关系来作为研究动载荷（高应变率）作用下材料力学性能的有效手段，仅仅能在某些特定条件下确定其本构
30、模型。为了确定材料的本构关系，一般需要做大量的实验来确定，再结合先前提出的数学表达式和力学模型来完成本构关系的建立。在这方面，很多学者专家做了很多工作，也提出了不少本构模型，但到目前为止还没有一个适用于一切材料力学性能而又有明确的物理基础的本构方程，尤其是用来描述动载荷（高应变率）作用下的应力应变关系。所谓理想的材料本构关系是能够描述材料的应变率效应、温度效应、应变和应变率历史效应以及加工硬化等材料力学性能。但要完全描述上述所有这些现象将会是一个非常艰巨的工作，所以适当进行简化材料的本构关系是很必要的。研究冲击载荷作用下材料的力学性能问题，人们更加重视研究温度对材料在高应变率作用下力学性能的影
31、响。20一般热粘塑性本构模型包含应力、应变、应变率和温度四项元素，可以分为两种类型一是JOHNSONCOOKJC模型14，这是经验性的本构模型；二是ZA模型，这是半经验半理论的本构模型。这两种本构模型都考虑了温度和应变率对屈服应力的影响以及应变强化效应，但具体表达方式则有所区别，尤其对应变强化行为的处理。结合本文研究的实际情况，在此将重点讨论JOHNSONCOOKJC模型。332JOHNSONCOOKJC模型简介数值模拟计算在许多重要的冲击工程应用中有着广泛的应用，数值计算程序中得到的计算结果受到材料的本构关系影响很大。数值计算的本构关系应该满足以下三个条件第一，本构关系能够准确描述相应的材料
32、物理过程；第二，本构关系在数学计算上应易于实现，并且能够较容易引入一些数值计算程序；第三，本构关系的确定应该比较简单方便，本构关系中的材料参数能通过一些简单的实验得到。15在1983年提出了一个本构关系JOHNSONCOOKJC模型能较好地描述金属材料的加工硬化效应、应变率效应和温度软化效应。由于这种本构关系形式简单，使用比较方便，通过较少次数的简单的实验就可以确定其中的材料参数，这一本构关系模型得到了广泛的应用。过去，JOHNSONCOOKJC本构关系模型是为了数值模拟计算而建立，在大多部分的数值计算程序中已经具备所需要的变量，因此这种本构关系模型十分适用于材料的力学性能数值模拟计算。在很多
33、重要的材料冲击工程中，它得到了广泛的应用。在JOHNSONCOOK本构模型中，流动应力的表达式如下1LN1NMPABCT33其中为VONMISES流动应力；为等效塑性应变；/O为无量纲的相对等效塑性应变率；0为参考应变率，一般取为10/S；为实际应变率；无量钢化温度/RMRTTTTT，其中T为实际温度，RT为室温298K，MT为材料的熔点温度；其它五个参数A、B、N、C和M均为材料常数，需要根据21应力应变关系实验曲线来拟合。333JOHNSONCOOKJC模型拟合方法使用静态数值，动态数值对JOHNSONCOOK指数进行模拟A参数A的确定A为在参考应变率，室温状态下材料的屈服强度可以从实验曲
34、线中直接读出B参数B和的确定在准静态或静态及室温时，材料主要存在应变强化效应，可以排除应变率强化和热软化的影响利用最小二乘法来拟合B，N式33可以写为A十BE“式中表示在参考应变率下材料的应力应变关系拟合可以通过MATLAB语言编写程序完成，也可以通过ORIGIN的非线性拟合来完成16C参数C和M的确定利用高应变率下的数据进行应变率硬化指数C和热软化系数M的确定采用估算绝热温升的办法，然后利用编制的ORIGIN程序，用最小二乘法的思想，利用HOPKINSON动态数据来拟合C和M。根据最小二乘法原理和流程编写ORIGIN程序即可求得C，M334JOHNSONCOOKJC模型拟合结果采用MATLA
35、B软件中的非线性最小二乘法拟合功能，对试样在拉伸实验中的应力应变曲线作非线性拟合，得到的各晶粒度样品的本构参数。名称数值AMPA522BMPA600C000978N0510804M094097075铝合金的JC本构关系参数以下为2024铝合金在准静态常温下实验得到的应力应变曲线和用JOHNSONCOOK模拟的曲线作比较。22000002004006008010012014016018500550600650700750STRESSMPASTRAINEXPERIMENTFITTING模拟得到的应力应变与实验得到的应力应变曲线比较图利用得到的本构参数对7075铝合金的应力应变曲线进行计算，并且与实
36、验结果进行比较，如图所示，从图中可以发现，计算结果与实验结果基本吻合，我们采用的本构方程可以用来描述其本构关系的。234数值模拟41引言ABAQUS被认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。ABAQUS的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无二的。由于优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得其被各国的工业和研究中所广泛的采用。ABAQUS产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。42问题背景高强度的铝合金在动态拉伸作
37、用下的动态响应在许多民用工程，航天航空，军事领域也都有着重要的应用背景。如杆件的拉伸破坏，灭火器壳的拉伸成型、螺栓加载拉伸试验。本文在专家学者研究成果的基础上，搜集相关模型参数，进行数值模拟研究，将结果与实验结果进行对比，得出相关结论。43问题分析本文的模型比较简单，共有五个部件组成，分别为入射杆、透射杆、试样、子弹、铜片（整形器）。本模型采用的是轴对称、显示、动态分析，入射杆与试样之间和试样与透射杆之间采用的是固定连接（TIE），而子弹与铜片之间和铜片与入射杆之间采用的是面对面接触（SURFACETOSURFACE）分析模型的量纲系统采用SI标准，即长度M，质量KG，时间S，其他量纲由此可以
38、推出。整体模型的属性详见表41。部件材料E密度入射杆铁210E9PA7800KG/M303透射杆铁210E9PA7800KG/M303子弹铁210E9PA7800KG/M303试样铝71E9PA2780KG/M3033铜片铜93E9PA8960KG/M303424表41整体模型的属性44问题求解HOPKINSON拉杆的ABAQUS模型分析步骤STEP1创建模型（PART）A启动ABAQUS/CAE，创建一个数据库模型，命名为SHTB，模型保存为SHTBCAE。从MODULE列表中选着PART，进入PART模块。点击PARTS图标，打开CREATEPART对话框，设置第一个部件NAME为RUSH
39、EGAN（入射杆），MODELINGSPACE为AXISYMMETRIC（轴对称模型），TYPE为DEFORMABLE变形体，BASEFEATURE为SHELL壳体。APPROXIMATESIZE为2。单击CONTINUE按钮，进入草绘模型，以（0,0），（001,1）为对角线端点画出一个矩形，单击提示区的DONE按钮，单击OK按钮，生成了入射杆的模型。如图41。ABAQUS求解过程前处理建立模型PART定义材料特性PROPERTY定义部件组装ASSEMBLY定义接触INTERACTION定义边界条件和载荷LOAD划分网格MESH定义步作业JOB结果显示VISUALIZATION定义分析步ST
40、EP25图41B建立入射杆上的靶模型，即入射杆端部突出的边缘。点击PARTS图标，打开CREATEPART对话框，设置第一个部件NAME为BA（靶），MODELINGSPACE为AXISYMMETRIC（轴对称模型），TYPE为DEFORMABLE变形体，BASEFEATURE为SHELL壳体。APPROXIMATESIZE为01。单击CONTINUE按钮，进入草绘模型，以（0,0），（002,001）为对角线端点画出一个矩形，单击提示区的DONE按钮，单击OK按钮，生成了靶的模型。如图42。26图42CCOPY入射杆模型，建立透射杆模型命名为TOUSHEGAND创建子弹模型，即管状套筒。重复
41、入射杆创建过程，将其中的APPROXIMATESIZE改为05；进入草绘模型后以（0012,0），（0018,04）画出一个矩形，单击DONE单击OK。如图43。27图43E铜片的创建，即整形器创建。重复入射杆创建过程，将其中的APPROXIMATESIZE改为002；进入草绘模型后以（0012,0），（0018,0004）画出一个矩形，单击DONE单击OK。创建完成后的模型如图44所示。图4428F试样的创建重复入射杆的入射杆的创建过程。将其中的APPROXIMATESIZE改为005，单击CONTINUE后，进入草绘模型。单击工具箱中的CREATELINES，过以下点创建一条封闭的曲线（0
42、,0），（0,0024），（0005,0024），（0005,0019），（0003,0019），（0003,0005），（0005,0005），（0005，0）。创建倒圆角单击倒圆角按钮，在提示栏中填写倒圆角的半径为002选着所要倒圆的两条直线（0005,0019），（0003,0019）创建的直线和，（0003,0019），（0003,0005）创建的直线）单击OK按钮，即可生成倒圆角。同理，创建（0003,0019），（0003,0005）创建的直线和（0003,0005），（0005,0005）创建的直线之间的倒圆角。单击DONE按钮，生成试样模型。创建完成后的模型如图45所示。图45
43、STEP2定义材料特性（PROPERTY）本次拉伸实验用到了三种材料（铜，铁，铝）的不同构件，应分别创建的材料属性。首先，创建铜的材料属性从MODULE列表中选择PROPERTY，进入PROPERTY模块后，单击工具箱中的CREATEMATERIAL,创建一个名称为CU的材料属性，29密度为8960，杨氏模量为93E9,泊松比为034，塑性变形中的JOHNSONCOOK系数（具体内容详见第三部分JOHNSONCOOK模型）见图46。单击工具箱中的CREATESECTION，创建一个名字为CU的均匀实体截面，材料使用的是CU，单击工具箱中的ASSIGNSECTION，把截面属性赋给部件TONGP
44、IAN。图46铜的JOHNSONCOOK系数其次创建铁的材料属性。基本步骤跟创建铜的材料属性相同。其中铁的材料特性为密度为7800，杨氏模量为210E9，泊松比为03。创建好铁的截面属性后，将其分别部件RUSHEGAN,TOUSHEGAN,ZIDAN和BA。最后创建铝的材料属性创建步骤重复CU的创建过程。其中铝的材料特性为密度为2780，模量为71E9，泊松比为033塑性变形中的JOHNSONCOOK系数见图47。创建好截面属性后，将其赋给部件SHIYANG。3047铝的JOHNSONCOOK系数STEP3定义部件装配ASSEMBLY从MODULE列表中选择ASSEMBLY，进入ASSEMBL
45、Y模块，单击INSTANCEPART选择部件RUSHEGAN，TOUSHEGAN，SHIYANG，ZIDAN，BA，TONGPIAN。在TYPE项中选择DEPENDENT单选按钮。在ASSEMBLY模块点击TRANSLATEINSTANCE进入平移装配截面（以BA部件为例，其余部件类似）。选择要平移的部件BA。单击DONE后，选择初始点，部件BA的矩形的左上角的顶点（0,001），再选择第二个点（即所要平移到的点）（0,0）单击OK。所有部件装配完成的模型如图48,49所示。31图48试样与入射杆和透射杆之间的装配图图49入射杆与靶，靶与铜片，铜片与子弹之间的装配图STEP4定义分析步（STE
46、P）从MODULE列表中选择STEP，进入STEP模型，单击工具箱中CREATESTEP创建一个名为SPTB的显示动态分析步，将其中的NLGEOM设置为ON，TIMESTEP为00006（HOPKINSON拉伸时间一般只有500微秒）。执行OUTPUTFIELDOUTPUTMANAGER进入了场分析步编辑模块，将其中的分析步增量改为500，单击OK，完成定义分析步。32STEP5定义接触（INTERACTION）从MODULE列表中选着INTERACTION，进入INTERACTION模块，执行INTERACTIONCREATE进入创建接触编辑界面，输入名称为BATONGPIAN，选择面面接触
47、（SURFACETOSURFACECONTACT（EXPLICIT）单击CONTINUE。在编辑接触的对话框中，创建一个接触属性，取其默认的选项，单击OK。出现选着第一个表面命令行，选择铜片的下表面，单击OK。在命令行中点击SURFACE选着第二表面，模型中为靶的上表面，单击DONE，完成靶与铜片的面面接触。执行相同的步骤，定义子弹与铜片的面面接触。如图410图410创建固定接触（TIE）点击CONSTRAINTMANAGERCREATE,弹出CREATECONSTRAINT对话框，命名为RUSHEGANBA，选着TIE类型，单击CONTINUE。在命令行中单击SURFACE，选择第一个表面，
48、在模型中为靶的上表面，单击DONE。再次单击命令行中的SURFACE，选择第二个表面，在模型中为入射杆的下表面，单击DONE，完成靶与入射杆的固定连接。试样与入射杆之间的连接和试样与透射杆之间的连接性，可以执行与创建靶与入射杆之间的连接步骤。定义完连接后模型如图411,412。33图411靶与入射杆之间的连接图412入射杆与试样之间的连接和试样与透射杆之间的连接STEP6定义边界条件与载荷LOAD从MODULE列表中选着LOAD模块，单击PREDEFINEDFIELDMANAGER，在出现的对话框中单击CREATE，命名为ZIDANSUDU，在STEP中选择INITIAL，CATEGORY中选
49、择MECHANICAL，TYPEFORSELECTEDSTEP中选着VELOCITY，单击CONTINUE，选择子弹作为其速度的载体，单击OK，在弹出的对话框中输入V210。完成载荷的定义。如图41334图413定义子弹的速度STEP7网格的划分（MESH）从MODULE下拉列表中选择MESH，进入MESH模块，在环境栏中OBJECT中选着入射杆，单击工具箱中的SEEDEDGEBYNUMBER。选中入射杆的两个长边，单击DONE，在命令行中输入所要分成的段数200，回车，单击DONE。同理，在入射杆的短边撒上种子，段数为15。选择单元类型在MESH模块中点击ASSIGNMESHCONTROL，弹出MESHCONTROL对话框，在ELEMENTSHAPE中选着QUADDOMINATED选项、TECHNIQUE中选择STRUCTURED，单击OK结束。回到MESH模块，执行MESHPART，在命令行中选择YES，完成入射杆的网格划分。透射杆的网格划分跟入射杆的一样，子弹的网格划分步骤跟入射杆的一样，而其中的长边种子的段数为40，短边为8。靶和铜片采用的是SEEDPART来划分网格，其主要参数见图4。14。图41435试样采用三角形网格对其进行了划分，主要参数见图415图415网格划分完成后的模型如图416,
