基于数字图像相关法的6系铝合金变形及断裂行为研究

摘要

汽车轻量化是解决能源消耗和环境污染问题以及经济发展的需要，铝合金以其密度较小、塑性较好、比强度较高以及较好的耐腐蚀性能和容易成型的优点，已经成为汽车车身轻量化最为重要的材料之一。本文选用6016板材和6061挤压型材作为研究对象，通过大量的实验研究表征铝合金材料在拉伸过程中应力应变的变化情况以及研究三轴应力度对6系铝合金断裂失效行为的影响。本文主要内容和结论为：　　(1)针对6016-T4板材采用烘烤的热处理方式，模拟实际生产中的烤漆过程获得强度有所提高的6016-T6态铝合金材料。而针对6061挤压型材采用离线淬火和人工时效的热处理方式，得到初始性能基本一致的6061-T6态铝合金拉伸试样；　　(2)在力学性能测试时，避免传统网格测试应变的诸多弊端，结合数字图像相关法(DIC)获得烘烤6016板材和6061-T6挤压型材两种铝合金在整个拉伸过程的应力场变化情况。同时设计平板、缺口R5、缺口R20、剪切0°和剪切45°拉伸试样，得到准静态条件下三轴应力度范围较为广泛的拉伸试样的应力应变曲线，并结合断口扫描来分析研究不同应力状态下拉伸试样的断裂模式；　　(3)结合力学性能实验结果和对准静态平板拉伸试样进行数值仿真，得到Johnson-Cook本构方程和Swift-Hockett-Sherby(SHS)加权硬化准则中的参数。通过对比仿真与实验结果发现Johnson-Cook本构方程和Swift-Hockett-Sherby(SHS)加权硬化准则都能很好地描述烘烤6016板材和6061-T6挤压型材在拉伸过程中产生颈缩前应力应变的变化。在颈缩到断裂阶段，对于烘烤6016板材和6061-T6挤压型材，加权系数α分别为0.25和0.75时，能最好地反映材料在拉伸过程中流变应力的变化情况；　　(4)使用LS-DYNA有限元提取不同应力状态试样的断裂应变、三轴应力度和罗德角，分别研究三轴应力度对烘烤6016板材和6061-T6挤压型材铝合金断裂行为的影响并得到MMC断裂曲线。使用GISSMO断裂失效准则建立相应数值仿真模型，仿真结果与实验结果吻合良好。

目录

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第 1 章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 DIC 方法在材料性能测试的应用

1.2.1 DIC 方法的介绍

1.2.2 DIC 方法在韧性断裂中的应用

1.3 材料变形本构方程的研究

1.3.1 Johnson-Cook 本构方程

1.3.2 Swift-Hockett-Sherby 加权硬化准则

1.4 韧性断裂准则的发展

1.4.1 韧性断裂准则研究现状

1.4.2 不同应力状态下的韧性断裂准则的研究

1.5 本文主要研究内容

第 2 章 基于 DIC6 系铝合金力学性能研究

2.1 试验材料

2.2 DIC 试验方法

2.2.1 散斑制作

2.2.2 DIC 测试系统标定

2.2.3 试验结果分析

2.3 不同应力状态各试样的试验方法

2.3.1 平板拉伸试验

2.3.2 缺口拉伸试验

2.3.3 剪切拉伸试验

2.3.4 冲孔试验

2.3.5 不同应力状态试样的断口观察

2.4 本章小结

第 3 章 6 系铝合金本构方程研究

3.1 力学性能参数确定

3.1.1 塑性真实应力应变

3.1.2 颈缩阶段材料硬化行为表征

3.2 两种本构方程参数求解

3.2.1 Johnson-Cook 本构方程参数求解

3.2.2 Swift-Hockett-Sherby 加权硬化准则参数求解

3.3 本章小结

第 4 章 不同应力状态下 6 系铝合金断裂行为研究

4.1 断裂失效参数求解

4.1.1 失效应变确定

4.1.2 三轴应力度和罗德角确定

4.2 GISSMO 断裂失效准则

4.2.1 失效参数求解

4.2.2 MMC 曲线求解

4.3 不同应力状态下铝合金变形行为仿真研究

4.3.1 不同应力状态下试样的仿真模型

4.3.2 网格尺寸影响

4.3.3 仿真结果分析

4.4 GISSMO 失效准则验证

4.4.1 剪切 60°拉伸

4.4.2 圆孔试样拉伸

4.4.3 冲孔试验

4.5 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致 谢