高应变率下金属材料动态断裂韧性的数值模拟分析及其实验研究

摘要

金属材料因自身具有高强度、高硬度、良好的塑性和较好的冲击韧性等众多优良机械特性，在航空航天、武器装备、交通运输和机械加工成形等军事和民用领域的应用中扮演着无可代替的角色。但现今科学技术发展迅速，金属构件自身的结构越来越复杂，精度要求越来越高，使用环境也越来越苛刻恶劣，因此在服役期间不可避免要承受冲击载荷作用。尤其是在航空航天领域中，航空发动机的涡轮叶片和涡轮盘通常工作在高温高压的环境中还时常承受冲击载荷作用，冲击载荷的作用会使材料处在一个高应变率下，而在高应变率下金属构件极易发生精度受损、失效甚至发生断裂，结构断裂对机械构件来说是灾难性的。而动态断裂韧性是评价金属材料断裂性能的重要标准。因此，研究高应变率下金属材料的动态断裂韧性具有十分重要的工程意义。　　本文选用GH4169镍基合金这种在制造航空发动机涡轮叶片和涡轮盘应用最为广泛的材料为研究对象，采用实验-数值法研究在高应变率下金属材料的动态断裂韧性。本文主要研究内容有：　　（1）基于本文所使用的改进式Hopkinson压杆设备进行一维应力波整形技术的研究，为了抑制应力波在入射杆中传播的几何弥散，得到光滑的入射波和反射波信号，保证测点处应变与加载点实际应变的一致性，在入射杆加载端粘贴整形器，找到了更加适合本实验使用的整形器尺寸。　　（2）利用改进式Hopkinson压杆对GH4169镍基合金三点弯曲试样进行了冲击实验，得到了载荷时程曲线和试样的起裂时间，为之后的数值计算材料的动态断裂韧性提供必要的建模数据和边界条件；采用高速摄像机对三点弯曲试样的断裂过程进行了全程跟踪拍摄，并利用图像处理软件分析断裂过程中的应变云图，获得了更加准确合理的贴片方式。　　（3）为了给数值模拟提供材料在高应变率下的本构，根据冲击动力学知识在利用数值法对冲击实验进行模拟时，试样的材料本构需要畸变率和容变率共同描述。本文利用分离式Hopkinson压杆（SHPB）分别对GH4169镍基合金进行了不同高应变率下的压缩实验，获得不同应变率下的应力-应变曲线，后利用MATLAB软件拟合出GH4169镍基合金的Johnson-Cook本构模型，为数值模拟提供材料的畸变律；利用分子动力学（MD）采用MSST计算出GH4169镍基合金的Grüneisen状态方程，为数值模拟提供材料的容变律。　　（4）利用ANSYS/LS-DYNA软件结合三点弯曲实验得到数据采用虚拟裂纹闭合法（VCCT）法计算出GH4169镍基合金三点弯曲试样的动态断裂韧性，发现GH4169镍基合金的动态断裂韧性随着加载速度的增加有逐渐增加的趋势表现出率敏感性和止裂性；利用内聚力模型（CZM）对三点弯曲实验进行数值模拟，数值模拟结果与实验结果对比发现，内聚力模型可很好的对冲击断裂实验进行模拟分析。　　本文研究结果表明，在考虑材料高应变率下的本构模型后，再利用实验-数值法对高应变率下金属材料的动态断裂韧性计算是可行的。同时，得到的GH4169镍基合金的动态断裂韧性可为人们在高应变率下使用GH4169镍基合金进行结构设计时的安全评估提供参考。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题来源与背景

1.2 研究背景及意义

1.3 动态断裂韧性的国内外研究现状

1.4 本文研究的技术路线和内容

1.4.1 技术路线

1.4.2 研究内容

2 GH4169镍基合金三点弯曲冲击实验

2.1 分离式Hopkinson压杆实验测试原理及实验设备改进

2.1.1 分离式Hopkinson压杆实验的基本原理

2.1.2 分离式Hopkinson压杆加载设备的改进

2.1.3 一维应力波整形技术研究

2.2 三点弯曲冲击实验

2.2.1 试样尺寸的确定

2.2.2 冲击载荷时程曲线的确定

2.2.3 动态起裂时间的确定

2.3 本章小结

3 冲击加载下GH4169镍基合金的本构模型研究

3.1 冲击加载下材料的本构模型

3.1.1 Johnson-Cook本构方程

3.1.2 Grüneise状态方程

3.2 Johnson-Cook本构模型参数的确定

3.2.1 GH4169镍基合金动态压缩实验

3.2.2 实验结果与分析

3.2.3 Johnson-Cook本构模型的绝热温升修正和参数的确定

3.3 Grüneise状态方程参数的确定

3.3.1 MD数值模拟

3.3.2 Grüneise状态方程参数的拟合

3.3.3 Grüneise状态方程参数的验证

3.4 本章小结

4 动态断裂韧性的数值计算

4.1 VCCT法求解动态断裂韧性

4.1.1 虚拟裂纹闭合法

4.1.2 数值模拟

4.1.3 模拟结果与分析

4.1.4 弹簧质量模型与实验-数值法结果对比分析

4.2 基于内聚力模型对裂纹扩展路径的模拟

4.2.1 内聚力模型

4.2.2 数值模拟

4.2.3 结果与分析

4.3 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果