应变率对金属孔板应力应变集中影响的研究

应变率对金属孔板应力应变集中影响的研究含孔金属板结构广泛应用于工程领域中。在远端载荷的作用下,孔的根部会产生应力应变集中,从而导致裂纹的产生,降低了金属含孔板的承载能力和疲劳寿命。

因此,对于含孔板的应力应变集中问题的研究一直是结构安全评估领域的重点课题。对于承受准静态载荷的线弹性含孔板的应力应变集中,已有的研究已经给出了较为全面且精度较高的结果,并得到了广泛的应用。

然而,工程中大量的结构需要承受动态载荷。对于金属含孔板结构,动载荷引起的材料应变率效应对孔口根部应力应变集中的数值与空间分布往往具有显著影响,从而导致基于线弹性准静态得到的结果不再适用。

因此,针对此问题,本文选取45钢和LYP225钢这两种典型钢材作为研究对象,采用试验与数值仿真分析的方法,对金属含孔板应力应变集中的应变率效应展开研究。其主要研究内容和结果总结如下:(1)对于LYP225钢,本文采用20吨微机控制电子方式万能试验机和英国英斯特朗公司的INSTRON VHS 80/20高速率试验机对LYP225钢进行准静态和动态试验拉伸研究。

获得LYP225钢在不同拉伸速度下的应力应变曲线,根据实验获取的数据拟合出Johnson-Cook模型中的材料参数。(2)采用JC损伤模型来研究不同速度对LYP225钢断裂性能的影响。

将实验获得的不同速度下的力-位移曲线和模拟的力-位移曲线进行对比,结果表明,前后两者吻合的较好。验证了本文建立的LYP225钢JC模型的可靠性。

(3)利用ABAQUS仿真软件数值分析了含孔板应力应变集中的应变率效应。在应变率范围为0.01~100/s下,研究了椭圆形状因子、厚度和远端加载应变等因素

对45号钢和LYP225钢应力应变集中分布的影响。

随着应变率的增加,45钢的应力和应变集中系数分别急剧增大和减小,当应变率达到20/s时,应力和应变集中系数分别匀速增长和趋于稳定值;LYP225钢的应力和应变集中系数先是分别急剧减小和增大,应变率达到5/s时,应力和应变集中系数都保持不变,应变率继续增大到80/s时,两者分别又匀速增大。基于上述研究,建立了LYP225钢在应变率范围为0.01~100/s下的Johnson-Cook本构模型,验证了LYP225钢JC模型的可靠性,揭示了应变率对45钢和LYP225钢含孔板应力应变集中的影响。

本文得到的结果为以后研究塑性阶段下的动应力应变集中问题提供了理论和技术支撑。