应变率和应力三轴度对q345b钢动态力学性能的影响研究

钢结构抗冲击设计与评估提供模型和应用方法遥
关键词院 Q345B 钢曰 动态力学性能曰 本构模型曰 失效模型
中图分类号院 O346.1
文献标识码院 A
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2019.10.007
Influence of strain rate and stress triaxiality on the dynamic mechanical behavior of Q345B steel
第 10 期
孟利平等院 应变率和应力三轴度对 Q345B 钢 噎
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越重要袁而材料模型和相关参数的正确与否直接关系到仿真结果的正确性袁进而影响结构抗爆抗冲击 性能评估结论的正确性[1-3]遥 Q345B 钢是工程结构中广泛使用的低合金钢袁是船舶领域中军辅船尧民船 的主要结构材料袁还是舰艇设备的结构用材料遥所以针对 Q345B 钢动态力学性能的研究对于军民用船 结构的均衡设计尧准确评估和防护优化等都具有很重要的意义遥
MENG Li-ping, CHENG Y uan-zheng, ZHA NG Lun-ping, W A NG Hai-kun, W A NG Jun, LIU Jian-hu
(China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China)
Abstract院 Q345B steel is a low alloy steel which is extensively used in the engineering structures, its dy鄄 namic mechanical properties including dynamic constitutive equation and dynamic failure criterion are valuable to anti-explosion design of military and civilian steel structure. Uniaxial tensile tests at different strain rates were conducted using MTS quasi-static test machine, Instron high-speed test machine and split Hopkinson tensile bar apparatus, tests at different initial stress triaxiality were performed using electronic universal test machine and electronic torsion test machine. According to test results, a correctional consti鄄 tutive equation was proposed for Q345B steel based on Cowper-Symonds(CS) model and Johnson-Cook(JC) model. The finite element simulations of all the stress triaxiality tests were implemented with ABAQUS/Stan鄄 dard, then a certain fracture strain and stress triaxiality relationship was determined, and a modified John鄄 son-Cook failure model involving size of grid effects was also proposed. The results can provide models and application method for Q345B steel structural anti-shock design as well as safety evaluation. Key words: Q345B steel; dynamic mechanical behavior; constitutive model; failure model
0引 言
随着计算方法和计算程序的不断完善袁通过数值仿真进行舰船结构抗爆抗冲击性能研究已越来
收稿日期院 2019-04-26
基金项目院国防 973 项目渊No.613279冤曰国防基础科研项目渊B0820132045冤曰国防基础科研项目渊JCKY2017207B054冤 作者简介院孟利平渊1991-冤袁男袁助理工程师袁E-mail: 809887303@曰 程远征渊1989-冤袁男袁工程师遥
渊中国船舶科学研究中心袁 江苏 无锡 214082冤
摘要院Q345B 钢是工程结构中广泛使用的低合金钢袁 其动态力学性能包括动态本构和动态破坏判据对于军民用
钢结构的抗爆设计具有非常实用的价值遥 本文分别运用 MTS 准静态材料试验机尧Instron 高速材料试验机以及
Hopkinson 拉杆袁对 Q345B 钢试件进行了不同应变率的单向拉伸试验曰运用电子万能试验机和电子扭转试验机
对 Q345B 钢进行了不同初始应力三轴度的试验遥根据试验结果袁基于 Cowper-Symonds渊CS冤和 Johnson-Cook渊JC冤
模型修正得到了适用于 Q345B 钢的本构模型遥 利用 ABAQUS/Standard 对ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ应力三轴度试验过程进行了模拟袁确
定了断裂应变与应力三轴的关系袁 并修正得到考虑单元尺寸影响的 JC 失效模型遥 本文的研究结果可为 Q345B
2曰扭转试验试件标距段尺寸为10mm伊70mm曰带缺口试件的平行段直径准10mm袁缺口中心半径a3mm袁缺口半径r分别为2mm袁6mm袁8mm和18mm袁以及光滑圆棒渊r寅肄冤袁各种试件如图2所示袁引伸计标距为50mm遥渊a冤压缩尧扭转试件渊b冤带缺口和光滑圆棒试件图2压缩尧扭转及带缺口试件图fig2testspecimensofpressuretorsionandthenotched2不同应变率试验结果及对本构模型修正21不同应变率拉伸试验结果与分析由q345b钢不同应变率拉伸试验袁得到0002s3040s之间共七个应变率下的工程应力应变曲线袁如图3所示遥可见q345b钢具有明显的应变率效应袁随着应变率增大袁屈服强度和抗拉强度均明显增大遥与准静态相比袁应变率达到100s时袁屈服强度增大将近50袁强化比渊滓d滓0冤达到142曰应变率达到103s的量级时袁动态屈服强度将近准静态时的两倍遥当应变率大于103s时袁应变率1680s和3040s两条曲线几乎重合在一起袁说明在本文试验范围内袁q345b钢存在一个应变率饱和值袁达到该值后袁应变率效应不再显著遥图3各应变率下的工程应力应变曲线fig3engineeringstressstrainatdifferentrates图4滓d滓0及滓d滓b与对数应变率的关系fig4滓d滓0and滓d滓basfunctionofstrainrate表1给出了q345b钢主要力学性能的试验结果遥其中袁滓d渊mpa冤为钢材各应变率下的屈服强度曰滓0渊mpa冤为准静态渊应变率0002s1冤时的屈服强度袁此时有滓d滓0曰滓b渊mpa冤为抗拉强度曰强化比为滓d滓0渊准静态时为1冤曰屈强比为滓d滓b曰a为断裂延伸率曰着b为颈缩前的均匀延伸率袁对应最大载荷时试件的伸长率遥将数据绘于图中袁如图4可清楚看出袁q345b钢的强化比和屈强比随着应变率的对数呈近似线性关系增大遥屈强比增大袁直观上反映出应变率增大时q345b钢塑性变形的应变硬化能力减弱遥图5中袁q345b钢的均匀伸长率随着应变率对数的增大而逐渐减小袁表现为塑性失稳不断提前遥材料的塑性变形和应力应变曲线的形状是应变硬化和动态回复竞争的结果7袁应变率提高后袁塑性变形rrrrrengineeringstrain着觶滓d滓0滓d滓b1212船舶力学第23卷第10期ssssss过程逐渐趋于绝热过程袁变形功产生的热量来不及传出去袁引起材料内部温度升高袁温升软
第 23 卷第 10 期 2019 年 10 月
船舶力学 Journal of Ship Mechanics
Vol.23 No.10 Oct. 2019
文章编号院 1007-7294渊2019冤10-1210-11
应变率和应力三轴度对 Q345B 钢 动态力学性能的影响研究
孟利平袁 程远征袁 张伦平袁 王海坤袁 汪 俊袁 刘建湖