【摘要】：高強度低合金(High Strength and Low Alloy,簡稱HSLA)鋼在強度、剛度、韌性、抗碰撞性能、耐腐蝕性能和成本等方面具有優(yōu)良的性能,在汽車、機械、航空航天、船舶和建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用也逐年增加。因此,深入了解HSLA鋼板在低速沖擊、U型沖壓回彈和激光加工等復(fù)雜加工實際的動力學(xué)行為,對其在應(yīng)用領(lǐng)域的實際應(yīng)用具重要的指導(dǎo)意義。本論文研究工作主要分為三大部分:第一部分工作研究了在一維溫度場和低速沖擊作用下HSLA鋼板熱彈塑性動力響應(yīng)的問題�；谝痪S熱傳導(dǎo)理論、彈塑性力學(xué)和經(jīng)典非線性薄板理論,建立了低速沖擊下HSLA鋼板的增量型熱彈塑性非線性運動控制方程;借助熱彈塑性接觸準(zhǔn)則,獲得了剛性沖頭在沖擊HSLA鋼板瞬間的相對位移和接觸半徑的表達式,進一步得到了發(fā)生彈塑性變形的接觸力。在求解過程中,分別采用有限差分法和Newmark法對未知位移函數(shù)在空間域和時間域離散,對整個問題進行迭代求解。分析了剛性沖擊物的半徑和初速度、板的周邊溫度和長厚比等參數(shù)對低速沖擊下HSLA鋼板的熱彈塑性動力學(xué)響應(yīng)和接觸力的影響。在第二部分工作中,(1)研究了阻尼效應(yīng)和高階幾何非線性對HSLA鋼板回彈動力特性影響的問題。引入成形-回彈反耦聯(lián)系統(tǒng)的概念,考慮板自身阻尼效應(yīng)的和高階幾何非線性的影響,得到了低速沖擊下HSLA鋼板的成形-回彈反耦聯(lián)系統(tǒng)的非線性運動控制方程。采用有限差分法、Newmark法和迭代法相結(jié)合的方法,確定了HSLA鋼板回彈體的位移分布形式。分析了板的邊界條件、長厚比和高階幾何非線性以及沖擊物的初始沖擊速度等對HSLA鋼板的回彈量和幅頻響應(yīng)的影響規(guī)律;(2)研究了U型沖壓下HSLA鋼板的時效回彈行為以及損傷演化對其回彈行為影響的問題。建立綜合考慮與材料屈服應(yīng)力有關(guān)的初始屈服應(yīng)變、拉伸-彎曲耦合應(yīng)變和各向同性強化等因素的力學(xué)模型,分析了U型沖壓下HSLA鋼板的回彈與時效回彈行為�；诿枋霭粮裥�(yīng)、瞬態(tài)行為和永久軟化等多種特性的混合塑性硬化準(zhǔn)則,建立綜合考慮變彈性卸載模量、非線性彈性恢復(fù)、初始各向異性屈服準(zhǔn)則和損傷演化等的力學(xué)回彈模型,研究了損傷演化對HSLA鋼板的U型時效回彈的影響。分析了硬化指數(shù)、各向異性系數(shù)、彎曲徑厚比、摩擦系數(shù)、壓延力和損傷量對HSLA鋼板回彈量和切向應(yīng)力的影響。在第三部分工作中,(1)研究了三維穩(wěn)態(tài)溫度場中基于修正理論的HSLA鋼板彎曲靜力響應(yīng)的問題�；谌S穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)理論,采用分離變量法,求解得到板的三維穩(wěn)態(tài)溫度場。基于修正理論,將位移表示為由彎曲和剪切兩部分組成的函數(shù),借助變分原理,得到了HSLA鋼板的非線性彎曲靜力響應(yīng)的控制方程。采用Galerkin法和雙重Fourier級數(shù)法確定待求的未知位移量。分析了HSLA鋼板的長厚比、幾何非線性以及溫度場函數(shù)的幅值和分布形式對HSLA鋼板的撓度和正應(yīng)力的影響;(2)研究了激光加工下HSLA鋼板的三維熱動力學(xué)行為的問題。針對激光加工HSLA鋼板的問題,建立了其三維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)模型和三維熱動力學(xué)控制方程。采用分離變量法,將溫度場在空間域和時間域上離散進行求解,通過使用狀態(tài)空間法,確定了HSLA鋼板的位移場和應(yīng)力場。分析了激光移動加工速度、板的長厚比以及外加載荷形式對其溫度場、位移和應(yīng)力場的影響;(3)研究了高能量激光加工下HSLA鋼板的固-液-氣三相熱動力學(xué)行為的問題�；诟吣芰考す饧庸は翲SLA鋼板產(chǎn)生固-液-氣三相相變機理,研究了其相關(guān)三相相變熱動力學(xué)行為。采用分離變量法,求解得到了激光加工下HSLA鋼板的三維瞬態(tài)相變溫度場、液相質(zhì)量分數(shù)和氣相質(zhì)量分數(shù),同理采用狀態(tài)空間法,確定了高能量激光加工下HSLA鋼板的位移場和應(yīng)力場的分布形式。分析了高能量激光的加工時間和加工速度以及板的長厚比等對HSLA鋼板的三維相變溫度、液相溫度的質(zhì)量分數(shù)以及板的振動頻率、位移和應(yīng)力分量等的影響規(guī)律。本論文工作創(chuàng)新點主要包括:(1)基于彈塑性力學(xué)和非線性薄板理論,建立了一個與應(yīng)力球張量有關(guān)的HSLA鋼板的混合硬化屈服準(zhǔn)則;(2)基于時效回彈角與應(yīng)變強化相關(guān)的概念,描述了時效回彈角和總回彈角隨加工參數(shù)和損傷演化的變化規(guī)律;(3)基于板的修正理論,給出了HSLA鋼板在三維穩(wěn)態(tài)溫度場中和載荷作用下的非線性彎曲靜力響應(yīng)的解析形式;(4)基于高能量激光加工下HSLA鋼板的固-液-氣三相相變機理,得到了板的液相質(zhì)量分數(shù)和氣相質(zhì)量分數(shù)的三維分布形式。本論文研究內(nèi)容系統(tǒng)地研究了HSLA鋼板在低速沖擊下的熱彈塑性動力學(xué)行為、U型沖壓下受損時的時效回彈行為以及激光加工下的三維熱動力學(xué)行為等問題,揭示了HSLA鋼板的非線性動力學(xué)和三維傳熱行為,不僅豐富和發(fā)展了接觸力學(xué)、材料力學(xué)、損傷力學(xué)和熱力學(xué)等理論,而且將為HSLA鋼板的理論研究和實踐應(yīng)用提供重要的理論依據(jù)。
【圖文】：

博士學(xué)位論文第 1 章 緒 論 引言高強度低合金(High Strength and Low Alloy，簡稱 HSLA)鋼是指在冶煉添總量不超過 5%合金元素的鋼材，包含 Mn，Si 和 Nb 等元素[1, 2]。加素后鋼材強度可明顯提高，使鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度、剛度和穩(wěn)定性三個主能指標(biāo)都能充分發(fā)揮[3]，尤其在大跨度或者重負荷結(jié)構(gòu)中優(yōu)點更為突出比碳素結(jié)構(gòu)鋼節(jié)約 20%左右的用鋼量。

HSLA 鋼板的動力學(xué)行為進行分析研究。(a) (b) (c)圖1.2 復(fù)雜條件下HSLA鋼板的研究(a)低速沖擊, (b)沖壓回彈, (c)激光加工另外，HSLA鋼往往被沖壓成各種形狀的汽車零部件(如圖1.2(b)所示)，沖壓過程中不可避免的會出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。由于HSLA鋼固有的高強度、低延伸率和較差的成形性等特性以及自身存在的加工硬化特征的差異，往往很難找到回彈規(guī)律。一般來說，，HSLA鋼的回彈往往是幾個方向的回彈共存。在這種情況下HSLA鋼板回彈后會發(fā)生扭曲，這樣的回彈很難通過補償?shù)姆椒ń鉀Q，所以HSLA鋼板回彈問題的處理仍較為棘手。再者，HSLA 鋼時常需要通過激光切割、焊接、打孔和修復(fù)等諸多加工實際加工成各種尺寸和形狀的金屬零部件(如圖 1.2(c)所示)。激光沖擊利用高功率密度、短脈沖激光束輻照，通過能量吸收涂層的汽化和等離子體的膨脹爆炸形成高強度沖擊波作用于金屬表面。然而
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG142.1


本文編號：2531507