2022年 42卷 第9期
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2022, 42(9): 091401.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0416
摘要:
金属材料在冲击、爆炸等高应变率加载下的塑性流动行为具有不同于静载下的率-温耦合性和微观机制。航空航天、航海、能源开采、核工业、公共安全、灾害防治等方面的金属结构设计与性能评估需要进行大量的动载实验和数值模拟，建立准确的材料动态本构模型是结构数值模拟可靠性的基础和关键。本文中，总结了金属材料的率-温耦合变形行为及内在机理，回顾了金属动态本构关系研究的起源与发展脉络，分别针对唯象模型、具有物理基础的模型和人工神经网络模型进行了详细介绍和横向比较。唯象模型和人工神经网络模型分别因易应用和高预测精度而受到青睐，基于物理概念的宏观连续介质模型可以描述体现内部演化的真实物理量，从而涵盖更大的应变范围，更好地反映应变率、温度和应变的影响机制。
金属材料在冲击、爆炸等高应变率加载下的塑性流动行为具有不同于静载下的率-温耦合性和微观机制。航空航天、航海、能源开采、核工业、公共安全、灾害防治等方面的金属结构设计与性能评估需要进行大量的动载实验和数值模拟，建立准确的材料动态本构模型是结构数值模拟可靠性的基础和关键。本文中，总结了金属材料的率-温耦合变形行为及内在机理，回顾了金属动态本构关系研究的起源与发展脉络，分别针对唯象模型、具有物理基础的模型和人工神经网络模型进行了详细介绍和横向比较。唯象模型和人工神经网络模型分别因易应用和高预测精度而受到青睐，基于物理概念的宏观连续介质模型可以描述体现内部演化的真实物理量，从而涵盖更大的应变范围，更好地反映应变率、温度和应变的影响机制。
2022, 42(9): 091402.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0443
摘要:
金属材料的塑性流动行为依赖于温度和应变率，温度和应变率敏感性是金属材料塑性流动的最重要的本质特性之一，建立合适的热黏塑性本构关系来准确描述金属塑性流动行为的温度和应变率依赖性，是金属材料能被广泛应用的必要前提。为此，对金属热黏塑性本构关系的最新研究进展进行了综述，介绍了常见的几种金属热黏塑性本构关系并进行了详细讨论，给出了各本构关系的优势与不足，最后系统介绍了包含金属塑性流动行为中出现的第三型应变时效、或K-W锁位错结构引起的流动应力随温度变化出现的反常应力峰以及拉压不对称等行为的金属热黏塑性本构关系的研究进展。
金属材料的塑性流动行为依赖于温度和应变率，温度和应变率敏感性是金属材料塑性流动的最重要的本质特性之一，建立合适的热黏塑性本构关系来准确描述金属塑性流动行为的温度和应变率依赖性，是金属材料能被广泛应用的必要前提。为此，对金属热黏塑性本构关系的最新研究进展进行了综述，介绍了常见的几种金属热黏塑性本构关系并进行了详细讨论，给出了各本构关系的优势与不足，最后系统介绍了包含金属塑性流动行为中出现的第三型应变时效、或K-W锁位错结构引起的流动应力随温度变化出现的反常应力峰以及拉压不对称等行为的金属热黏塑性本构关系的研究进展。
2022, 42(9): 091403.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0461
摘要:
基于Ginzburg-Landau动力学控制方程建立了NiTi形状记忆合金非等温相场模型，实现了对NiTi合金内应力诱导马氏体相变的数值模拟。同时将晶界能密度引入系统局部自由能密度，从而考虑多晶系统中晶界的重要作用。数值计算了单晶和多晶NiTi形状记忆合金在单轴机械载荷作用下微结构的动态演化过程和宏观力学行为，并重点研究了晶粒尺寸为60 nm的NiTi纳米多晶在低应变率下（0.0005～15 s−1）力学行为的本征应变率敏感性。研究结果表明，单晶NiTi合金系统高温拉伸-卸载过程中马氏体相变均匀发生，未形成奥氏体-马氏体界面。而纳米多晶系统在加载阶段出现了马氏体带的形成-扩展现象，在卸载阶段出现了马氏体带的收缩-消失现象。相同外载作用过程中，NiTi单晶系统的宏观应力-应变曲线具有更大的滞回环面积，拥有更优的超弹性变形能力。计算结果显示，在中低应变率下纳米晶NiTi形状记忆合金应力-应变关系表现出较明显的应变率相关性，应变率升高导致材料相变应力提升。这一应变率相关性主要源于相场模型中外加载荷速率与马氏体空间演化速度的相互竞争关系。
基于Ginzburg-Landau动力学控制方程建立了NiTi形状记忆合金非等温相场模型，实现了对NiTi合金内应力诱导马氏体相变的数值模拟。同时将晶界能密度引入系统局部自由能密度，从而考虑多晶系统中晶界的重要作用。数值计算了单晶和多晶NiTi形状记忆合金在单轴机械载荷作用下微结构的动态演化过程和宏观力学行为，并重点研究了晶粒尺寸为60 nm的NiTi纳米多晶在低应变率下（0.0005～15 s−1）力学行为的本征应变率敏感性。研究结果表明，单晶NiTi合金系统高温拉伸-卸载过程中马氏体相变均匀发生，未形成奥氏体-马氏体界面。而纳米多晶系统在加载阶段出现了马氏体带的形成-扩展现象，在卸载阶段出现了马氏体带的收缩-消失现象。相同外载作用过程中，NiTi单晶系统的宏观应力-应变曲线具有更大的滞回环面积，拥有更优的超弹性变形能力。计算结果显示，在中低应变率下纳米晶NiTi形状记忆合金应力-应变关系表现出较明显的应变率相关性，应变率升高导致材料相变应力提升。这一应变率相关性主要源于相场模型中外加载荷速率与马氏体空间演化速度的相互竞争关系。
2022, 42(9): 091404.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0308
摘要:
工程应用中，金属材料和结构往往处于复杂应力状态。材料的塑性行为会受到应力状态的影响，要精确描述材料在复杂应力状态下的塑性流动行为，必须在本构模型中考虑应力状态效应的影响。然而，由于在动态加载下材料的应变率效应和应力状态效应相互耦合、难以分离，给应力状态效应的研究和模型的建立造成很大困难。通过对Ti-6Al-4V钛合金材料开展不同加载条件下的力学性能测试，提出了一个包含应力三轴度和罗德角参数影响的新型本构模型，并通过VUMAT用户子程序嵌入ABAQUS/Explicit软件。分别采用新提出的塑性模型和Johnson-Cook模型对压剪复合试样的动态实验进行了数值模拟。结果表明，新模型不仅在对材料本构曲线的拟合方面具有较强的优势，而且由该模型所得到的透射脉冲和载荷-位移曲线均更加准确。因此，该模型能够更精确地描述和预测金属材料在复杂应力状态下的塑性流变行为。
工程应用中，金属材料和结构往往处于复杂应力状态。材料的塑性行为会受到应力状态的影响，要精确描述材料在复杂应力状态下的塑性流动行为，必须在本构模型中考虑应力状态效应的影响。然而，由于在动态加载下材料的应变率效应和应力状态效应相互耦合、难以分离，给应力状态效应的研究和模型的建立造成很大困难。通过对Ti-6Al-4V钛合金材料开展不同加载条件下的力学性能测试，提出了一个包含应力三轴度和罗德角参数影响的新型本构模型，并通过VUMAT用户子程序嵌入ABAQUS/Explicit软件。分别采用新提出的塑性模型和Johnson-Cook模型对压剪复合试样的动态实验进行了数值模拟。结果表明，新模型不仅在对材料本构曲线的拟合方面具有较强的优势，而且由该模型所得到的透射脉冲和载荷-位移曲线均更加准确。因此，该模型能够更精确地描述和预测金属材料在复杂应力状态下的塑性流变行为。
2022, 42(9): 091405.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0227
摘要:
为了开展激光选区熔化（SLM）增材制造钛合金的动态力学性能研究，分别采用热模拟材料试验机、分离式霍普金森压杆装置对激光选区熔化钛合金在不同温度下进行了准静态和动态压缩实验，并基于实验结果拟合Johnson-Cook本构模型，同时对钛合金在高温、高应变率下的力学行为进行了有限元模拟。结果表明，相对于铸造或锻造钛合金，激光选区熔化钛合金具有更细小、均匀的组织，使其屈服强度有明显的提升，且表现出明显的应变率强化效应和热软化效应。有限元模拟结果与实验有着较高的重合度，进一步验证了本构参数的有效性，为扩大激光选区熔化技术及其产品的应用提供了理论基础。
为了开展激光选区熔化（SLM）增材制造钛合金的动态力学性能研究，分别采用热模拟材料试验机、分离式霍普金森压杆装置对激光选区熔化钛合金在不同温度下进行了准静态和动态压缩实验，并基于实验结果拟合Johnson-Cook本构模型，同时对钛合金在高温、高应变率下的力学行为进行了有限元模拟。结果表明，相对于铸造或锻造钛合金，激光选区熔化钛合金具有更细小、均匀的组织，使其屈服强度有明显的提升，且表现出明显的应变率强化效应和热软化效应。有限元模拟结果与实验有着较高的重合度，进一步验证了本构参数的有效性，为扩大激光选区熔化技术及其产品的应用提供了理论基础。
2022, 42(9): 091406.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0315
摘要:
为更加准确地计算93钨合金弹超高速撞击Q345钢板问题，构建了修正的金属本构模型。引入GRAY三相物态方程描述材料相态变化，采用Johnson-Cook强度模型描述撞击后期材料的力学行为。结合封加波损伤演化模型以及Johnson-Cook失效模型描述不同应力三轴度下材料的拉伸、剪切失效行为；引入曹祥提出的断裂演化模型，描述材料失效后应力归零的过程。通过对比超高速撞击数值模拟结果与实验结果，验证了本构模型的适用性，并进一步分析了典型弹靶撞击条件下破片群的空间分布特征。研究结果表明：基于修正金属本构模型获得的超高速撞击靶板穿孔直径、弹体侵蚀长度、破片群扩展速度结果与实验结果一致；GRAY三相物态方程能够相对准确地给出弹体撞击首层靶板以及剩余弹体、破片群撞击第2层靶板时弹靶材料的熔化情况；封加波损伤演化模型能够准确判断超高速撞击过程中靶板是否产生层裂破坏；综合封加波损伤演化模型、Johnson-Cook失效模型以及曹祥提出的断裂演化模型后，数值模拟获得的破片群撞击后效靶板的穿孔面积与累积数量的统计曲线结果与实验结果一致；获得了典型条件下的柱形93钨弹体超高速撞击Q345靶板破片群空间分布结果，破片群的前端具有较高的质量、轴向动量以及横向动量（绝对值）。
为更加准确地计算93钨合金弹超高速撞击Q345钢板问题，构建了修正的金属本构模型。引入GRAY三相物态方程描述材料相态变化，采用Johnson-Cook强度模型描述撞击后期材料的力学行为。结合封加波损伤演化模型以及Johnson-Cook失效模型描述不同应力三轴度下材料的拉伸、剪切失效行为；引入曹祥提出的断裂演化模型，描述材料失效后应力归零的过程。通过对比超高速撞击数值模拟结果与实验结果，验证了本构模型的适用性，并进一步分析了典型弹靶撞击条件下破片群的空间分布特征。研究结果表明：基于修正金属本构模型获得的超高速撞击靶板穿孔直径、弹体侵蚀长度、破片群扩展速度结果与实验结果一致；GRAY三相物态方程能够相对准确地给出弹体撞击首层靶板以及剩余弹体、破片群撞击第2层靶板时弹靶材料的熔化情况；封加波损伤演化模型能够准确判断超高速撞击过程中靶板是否产生层裂破坏；综合封加波损伤演化模型、Johnson-Cook失效模型以及曹祥提出的断裂演化模型后，数值模拟获得的破片群撞击后效靶板的穿孔面积与累积数量的统计曲线结果与实验结果一致；获得了典型条件下的柱形93钨弹体超高速撞击Q345靶板破片群空间分布结果，破片群的前端具有较高的质量、轴向动量以及横向动量（绝对值）。
2022, 42(9): 091407.
doi: 10.11883/bzycj-2022-0154
摘要:
采用HMH-206高速材料试验机开展了6061-T6铝合金在0.001～100 s−1应变率范围内的静、动态拉伸力学性能实验，分析了其应力-应变响应特征和应变率敏感性，讨论了应变率对6061-T6铝合金流动应力和应变率敏感性指数的影响，并基于实验结果对Johnson-Cook本构模型进行了修正。结合缺口试件的实验结果和模拟数据，得到了材料的Johnson-Cook失效模型参数，并对模型的准确性和适用性进行了验证。结果表明，在拉伸载荷作用下，6061-T6铝合金表现出明显的应变硬化特征和应变率敏感性，其流动应力随应变率的升高而提高，修正的Johnson-Cook本构模型可以描述材料的动态塑性流动行为，建立的Johnson-Cook失效模型能够表征材料的断裂失效行为。
采用HMH-206高速材料试验机开展了6061-T6铝合金在0.001～100 s−1应变率范围内的静、动态拉伸力学性能实验，分析了其应力-应变响应特征和应变率敏感性，讨论了应变率对6061-T6铝合金流动应力和应变率敏感性指数的影响，并基于实验结果对Johnson-Cook本构模型进行了修正。结合缺口试件的实验结果和模拟数据，得到了材料的Johnson-Cook失效模型参数，并对模型的准确性和适用性进行了验证。结果表明，在拉伸载荷作用下，6061-T6铝合金表现出明显的应变硬化特征和应变率敏感性，其流动应力随应变率的升高而提高，修正的Johnson-Cook本构模型可以描述材料的动态塑性流动行为，建立的Johnson-Cook失效模型能够表征材料的断裂失效行为。
2022, 42(9): 091408.
doi: 10.11883/bzycj-2022-0037
摘要:
对混凝土类材料动态压缩应变率效应研究的发展及问题进行了概述，对比不同应力状态下混凝土类材料动态压缩应变率效应的表现特征，揭示了不同加载路径下实测动态强度提高系数的显著差异。研究表明，在高应变率下，基于初始一维应力加载路径的试件将因横向惯性效应导致的侧向围压而演化至多维应力状态，传统霍普金森杆技术无法获得高应变率下基于真实一维应力路径的动态强度提高系数，在强度模型中直接应用实测数据将过高估计材料的动态强度。鉴于应变率效应的加载路径依赖性，将仅包含应变率的强度提高系数模型扩展至同时计及应变率和应力状态的多维应力状态模型，并结合Drucker-Prager准则在强度模型中给予了实现。针对具有自由和约束边界试件开展的数值霍普金森杆实验表明，多维应力状态下的应变率效应模型可以考虑应变率效应随应力状态改变的特点，从而准确预测该类材料的动态压缩强度。研究结果可为正确应用霍普金森杆技术确定脆性材料的动态压缩强度提供参考。
对混凝土类材料动态压缩应变率效应研究的发展及问题进行了概述，对比不同应力状态下混凝土类材料动态压缩应变率效应的表现特征，揭示了不同加载路径下实测动态强度提高系数的显著差异。研究表明，在高应变率下，基于初始一维应力加载路径的试件将因横向惯性效应导致的侧向围压而演化至多维应力状态，传统霍普金森杆技术无法获得高应变率下基于真实一维应力路径的动态强度提高系数，在强度模型中直接应用实测数据将过高估计材料的动态强度。鉴于应变率效应的加载路径依赖性，将仅包含应变率的强度提高系数模型扩展至同时计及应变率和应力状态的多维应力状态模型，并结合Drucker-Prager准则在强度模型中给予了实现。针对具有自由和约束边界试件开展的数值霍普金森杆实验表明，多维应力状态下的应变率效应模型可以考虑应变率效应随应力状态改变的特点，从而准确预测该类材料的动态压缩强度。研究结果可为正确应用霍普金森杆技术确定脆性材料的动态压缩强度提供参考。
2022, 42(9): 091409.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0363
摘要:
岩石类材料的动态力学模型的建立及相应模型参数的确定，对岩石动态力学性能研究及相关仿真计算具有重要意义。以山东五莲地区花岗岩为例，基于Kong-Fang流体弹塑性损伤材料模型（KF模型），通过准静态单轴压缩、劈裂、常规三轴实验及动态分离式霍普金森杆压缩（split Hopkinson pressure bar，SHPB）实验对模型中的强度参数进行了确定，并利用基于分离式霍普金森杆的巴西圆盘（split Hopkinson pressure bar-Brazilian disk，SHPB-BD）实验对应变率相关参数的有效性进行了验证；同时，根据平板撞击实验结果对模型中的状态方程参数进行了拟合。利用实验获得的材料参数值，采用KF模型对花岗岩侵彻实验进行数值模拟，计算得到的弹体侵彻深度及成坑尺寸与实际实验结果误差均小于15%，验证了材料模型及参数值的适用性。
岩石类材料的动态力学模型的建立及相应模型参数的确定，对岩石动态力学性能研究及相关仿真计算具有重要意义。以山东五莲地区花岗岩为例，基于Kong-Fang流体弹塑性损伤材料模型（KF模型），通过准静态单轴压缩、劈裂、常规三轴实验及动态分离式霍普金森杆压缩（split Hopkinson pressure bar，SHPB）实验对模型中的强度参数进行了确定，并利用基于分离式霍普金森杆的巴西圆盘（split Hopkinson pressure bar-Brazilian disk，SHPB-BD）实验对应变率相关参数的有效性进行了验证；同时，根据平板撞击实验结果对模型中的状态方程参数进行了拟合。利用实验获得的材料参数值，采用KF模型对花岗岩侵彻实验进行数值模拟，计算得到的弹体侵彻深度及成坑尺寸与实际实验结果误差均小于15%，验证了材料模型及参数值的适用性。
2022, 42(9): 091410.
doi: 10.11883/bzycj-2022-0201
摘要:
采用Instron 9350落锤试验机研究了中低应变率下软质聚氨酯泡沫的动态压缩力学性能，分析了其应力-应变响应特征和应变率敏感性，讨论了应变率对材料应变率敏感性指数和能量吸收特性的影响，并基于实验结果建立了可准确描述其压缩力学响应的率相关本构模型。结果表明，软质聚氨酯泡沫的静动态压缩应力-应变响应具有典型的三阶段特征，且呈现出明显的应变率强化效应。准静态加载下，材料具有较高的吸能效率但能量吸收值较小，应变率对最大吸能效率和比吸能的影响较小；动态加载下，随着应变率的增加，最大吸能效率显著减小而比吸能明显增大。考虑应变率影响的修正Sherwood-Frost模型和修正Avalle模型都能够很好地表征软质聚氨酯泡沫的静动态压缩应力-应变响应，但修正Avalle模型的参数较少，更便于工程应用。研究结果可为软质聚氨酯泡沫抗冲击结构的设计和优化提供指导。
采用Instron 9350落锤试验机研究了中低应变率下软质聚氨酯泡沫的动态压缩力学性能，分析了其应力-应变响应特征和应变率敏感性，讨论了应变率对材料应变率敏感性指数和能量吸收特性的影响，并基于实验结果建立了可准确描述其压缩力学响应的率相关本构模型。结果表明，软质聚氨酯泡沫的静动态压缩应力-应变响应具有典型的三阶段特征，且呈现出明显的应变率强化效应。准静态加载下，材料具有较高的吸能效率但能量吸收值较小，应变率对最大吸能效率和比吸能的影响较小；动态加载下，随着应变率的增加，最大吸能效率显著减小而比吸能明显增大。考虑应变率影响的修正Sherwood-Frost模型和修正Avalle模型都能够很好地表征软质聚氨酯泡沫的静动态压缩应力-应变响应，但修正Avalle模型的参数较少，更便于工程应用。研究结果可为软质聚氨酯泡沫抗冲击结构的设计和优化提供指导。
2022, 42(9): 091411.
doi: 10.11883/bzycj-2021-0475
摘要:
以典型冻土为研究对象，通过不同冻融循环次数的冻融循环实验、不同温度的冻结实验以及不同应变率的冲击动态实验，综合研究了冻融循环冻土的冲击动态力学性能。结果表明，冻土存在冻融循环效应，随着冻融循环次数的增加，冻土的峰值应力有一定程度的降低，但在达到临界冻融循环次数后，峰值应力将维持稳定；同时，冻土表现出明显的应变率效应和温度效应，其峰值应力随应变率的增加或温度的降低而增加。通过定义冻融损伤因子，推导满足Weibull分布的冲击损伤，提出了一个基于Z-W-T方程的损伤黏弹性本构模型。该模型可较好地描述冻融循环后冻土的冲击动态力学行为，为研究季节性冻土区冻土的冲击动态破坏提供参考。
以典型冻土为研究对象，通过不同冻融循环次数的冻融循环实验、不同温度的冻结实验以及不同应变率的冲击动态实验，综合研究了冻融循环冻土的冲击动态力学性能。结果表明，冻土存在冻融循环效应，随着冻融循环次数的增加，冻土的峰值应力有一定程度的降低，但在达到临界冻融循环次数后，峰值应力将维持稳定；同时，冻土表现出明显的应变率效应和温度效应，其峰值应力随应变率的增加或温度的降低而增加。通过定义冻融损伤因子，推导满足Weibull分布的冲击损伤，提出了一个基于Z-W-T方程的损伤黏弹性本构模型。该模型可较好地描述冻融循环后冻土的冲击动态力学行为，为研究季节性冻土区冻土的冲击动态破坏提供参考。
