基于SHPB高应变率冲击加载下的GH4169合金动态力学性能实验与仿真

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GH4169合金在较广的温度范围内具有良好的综合性能,凭借其优异的力学性能和长期组织稳定性,在航空航天、兵器装备和机械制造以及石油化工等领域中发挥着不可取代的作用,广泛应用于航空发动机的核心热端部件,如涡轮叶片和涡轮盘等。这些热端部件在飞机飞行过程中通常处于高温、高压和高负荷的特殊环境,反复承受冲击载荷作用。而作为主结构承力件的GH4169合金还常常受到高应变率的作用,这对其在高应变率、高温下的动态力学性能提出了更高的要求。因此,通常对高应变率、高温下GH4169合金的动态力学性能进行研究,尤其是在实验和数值模拟层次展开研究,对于工程结构的安全设计、加工与标定,特别是航空发动机的热端部件的更新换代是很有实用价值的。为研究GH4169在高应变率冲击加载下的动态力学性能,本文采用实验-本构-仿真相结合的研究思路,利用理论分析、实验与仿真主要完成了以下研究内容:(1)分离式霍普金森杆实验技术是研究高应变率(102~104 s-1)下材料力学性能最主要的实验方法,本文基于分离式霍普金森压杆(SHPB)实验平台采用入射波整形技术对入射波波形信号进行整形,改变入射波波形形状,实现了GH4169合金在冲击加载过程中的变形均匀和应力平衡。同时利用整形器的低通滤波效应抑制了应力波的几何弥散效应,得到较为光滑的入射波和反射波波形,从而保证了SHPB实验的准确性和有效性;通过合理的整形器材料和尺寸设计以及适当改变加载速度,可以使得本文中的SHPB实验基本处于恒应变率加载,这对于分析SHPB实验结果时具有较好的一致性和可比性。(2)利用SHPB实验平台和温度控制设备对GH4169合金压缩试样在温度20~800℃、应变率1000~10000 s-1条件下进行动态力学性能测试实验,得到GH4169应力-应变曲线等实验结果,这为材料本构模型的建立和仿真模拟提供必要的实验数据及对比验证;提取分析实验结果后发现GH4169合金具有与应变、应变率和温度相关的力学性能以及不错的抗冲击性能。(3)利用有限元软件研究动态力学性能时,模拟的关键和核心就是材料的本构模型关系,这对于有限元模拟的成败以及正确反映材料内在力学性能至关重要。传统Johnson-Cook本构模型能够描述材料在大变形、高应变率和高温条件下的动力学行为,因此本文选用J-C本构模型作为GH4169合金的动态本构模型。利用最小二乘法和MATLAB多目标遗传算法得到传统J-C本构模型参数,并对该模型进行了高应变率域、高温域的绝热温升修正,以符合材料在高应变率和高温下的力学响应;对修正后的J-C本构模型进行了不同温度和不同应变率条件下的拟合验证及预测,结果表明构建的修正JC本构模型可以较好的描述GH4169合金的动态力学性能。(4)利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,结合修正的J-C本构模型对GH4169在高应变率、高温下的SHPB实验过程进行数值仿真研究,通过设置不同的加载速度和温度来控制应变率和温度的影响。提取数值模拟结果与实验结果进行对比分析,发现与实验结果吻合较好,说明修正的J-C本构模型可以较好地描述GH4169合金在高应变率、高温下的动态力学性能,并能较好的反映出材料的动态压缩实验过程,这拓展GH4169合金在动态拉伸、动态切削和动态断裂等实验以及相应的数值模拟的研究思路,提供了可以参考的材料本构模型。
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