本文關(guān)鍵詞： 功能梯度多層金屬板 雙剪切試驗 穿甲試驗 表面機械研磨 Hopkinson桿　出處：《西北工業(yè)大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：針對航空航天飛行器、高速列車和汽車發(fā)生撞擊時,耐撞結(jié)構(gòu)的抗墜撞或碰撞設(shè)計問題以及防彈衣的抗沖擊性能等問題(例如,功能梯度多層金屬材料應(yīng)用于汽車防撞結(jié)構(gòu)中遇到的沖擊問題等),本文研究了由表面機械研磨處理方法得到的功能梯度多層金屬板在動態(tài)雙剪切和反向穿甲條件下的力學響應(yīng),旨在研究梯度材料在動態(tài)加載條件下的力學特性和抗穿甲能力。本文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面:(1)功能梯度多層金屬板的雙剪切試驗技術(shù)研究。首先,為了實現(xiàn)功能梯度多層金屬板的動態(tài)雙剪切力學性能的測試,系統(tǒng)地分析了大直徑Hopkinson桿在實驗測試中的誤差問題及其解決途徑,設(shè)計了可進行雙剪切試驗的試樣和夾具。其次,采用表面機械研磨方法制備了功能梯度多層板的剪切試樣,利用萬能試驗機和Hopkinson壓桿進行了在準靜態(tài)和動態(tài)加載下的雙剪切試驗,分析了平面剪切等效應(yīng)變和等效應(yīng)力的計算公式;最后,對雙剪切動態(tài)和準靜態(tài)的試驗結(jié)果進行了對比分析。(2)雙剪切試驗的數(shù)值模擬。為了更加詳細地描述雙剪切試驗過程和得到更為準確的試驗數(shù)據(jù),采用ABAQUS有限元軟件,系統(tǒng)地研究了剪切區(qū)域內(nèi)的應(yīng)變和應(yīng)力狀態(tài),分析了剪切區(qū)域長度對模擬結(jié)果的影響,得到了夾具裝置對剪切區(qū)域的變形均勻性的影響規(guī)律。分析了大變形剪切時,有限元軟件中對名義應(yīng)變的定義。研究結(jié)果表明,在數(shù)值模擬中,可由累積歐拉應(yīng)變法計算等效應(yīng)變和由柯西應(yīng)力法計算等效應(yīng)力。(3)多層金屬功能梯度材料中各層材料本構(gòu)參數(shù)的研究。通過梯度不銹鋼板的壓痕試驗,得到了試樣沿厚度方向上的梯度分布規(guī)律。采用加權(quán)平均的方法,得到了每一個梯度層的彈塑性本構(gòu)關(guān)系表達式。采用數(shù)值模擬的方法,構(gòu)建了彈塑性延性破壞數(shù)值模型,得到了每一個梯度層的破壞應(yīng)變。(4)功能梯度多層金屬板抗穿甲特性的研究。制備了具有功能梯度的試樣,設(shè)計了試驗夾具,分別采用MTS810靜態(tài)試驗機和改進的Hopkinson壓桿實驗裝置,對制備的試樣進行了準靜態(tài)和沖擊載荷下的穿甲試驗,并結(jié)合試驗結(jié)果進行了穿甲的數(shù)值模擬。得到了兩種加載條件下的穿甲位移和穿甲力曲線,通過穿甲模擬驗證了該梯度材料中每一個梯度層的破壞應(yīng)變。最后,分析了經(jīng)過表面機械研磨處理的材料的應(yīng)變率敏感性,對比研究了經(jīng)過表面機械研磨處理的靶板和未經(jīng)過表面機械研磨處理的靶板的抗穿甲能力。(5)材料梯度的優(yōu)化設(shè)計。采用ABAQUS/Explicit數(shù)值模型,分別從梯度分布和鋪層順序兩個方面對梯度靶板進行了優(yōu)化設(shè)計,評估了梯度靶板的吸能效果和抗穿甲能力。
[Abstract]:For aerospace vehicles, high-speed trains and cars, the impact resistance of crash-resistant structures and the impact resistance of bulletproof jackets are discussed (for example, the impact resistance of bulletproof jackets). The impact problems encountered in the application of functionally graded multilayer metal materials to automotive anti-collision structures are discussed in this paper. The mechanical responses of functionally graded multilayer metal plates obtained by surface mechanical grinding under dynamic double shear and reverse armour-piercing conditions are studied in this paper. The purpose of this paper is to study the mechanical properties and armour-piercing ability of gradient materials under dynamic loading. The main contents of this paper include the following aspects: 1) double shear test of functionally graded multilayer metal plates. In order to test the dynamic double shear mechanical properties of functionally graded multilayer metal plates, the error problem of large diameter Hopkinson rod in experimental test and its solution are systematically analyzed, and the specimen and fixture that can be used for double shear test are designed. The shear specimens of functionally graded multilayer plates were prepared by surface mechanical grinding, and the double shear tests were carried out under quasi-static and dynamic loading by using universal testing machine and Hopkinson compression bar. The formulas of equivalent strain and equivalent stress of plane shear are analyzed. The dynamic and quasi-static test results of double shear are compared and analyzed. The numerical simulation of double shear test is carried out. In order to describe the process of double shear test in more detail and obtain more accurate test data, ABAQUS finite element software is used. The strain and stress states in the shear region are studied systematically, the influence of the length of the shear region on the simulation results is analyzed, and the influence of the fixture on the deformation uniformity of the shear region is obtained. The definition of nominal strain in finite element software. The equivalent strain can be calculated by accumulative Euler strain method and the constitutive parameters of each layer of multilayer metal functionally gradient materials can be calculated by Cauchy stress method. The gradient distribution of the specimen along the thickness direction is obtained. The elastoplastic constitutive relation expression of each gradient layer is obtained by using the weighted average method. The numerical model of elastoplastic ductility failure is constructed by numerical simulation. The anti-armour-piercing characteristics of each functionally graded multilayer metal plate were studied. The specimens with functional gradient were prepared, the test fixture was designed, and the MTS810 static test machine and the improved Hopkinson compression bar test device were used, respectively. The armour-piercing test was carried out under quasi-static and impact loading, and the numerical simulation of the armor-piercing was carried out in combination with the test results. The displacement and force curves of armor-piercing under two loading conditions were obtained. The failure strain of each gradient layer in the gradient material is verified by armour-piercing simulation. Finally, the strain rate sensitivity of the material treated by surface mechanical grinding is analyzed. The optimum design of material gradient of target plate after surface mechanical grinding and target plate without surface mechanical lapping is studied. ABAQUS/Explicit numerical model is used. The gradient target plate was optimized from two aspects of gradient distribution and layer sequence, and the energy absorption effect and anti-armour-piercing ability of gradient target plate were evaluated.
【學位授予單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB34

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本文編號：1548754