基于有限元的低应力多碰宏观累积塑性变形研究

摘要

低应力多碰累积塑性变形问题因其重要的理论和工程意义引起广泛的关注。目前低应力多碰累积塑性变形问题的研究已经取得了阶段性的成果，对其基础理论进行了较系统的归纳，总结了低应力多碰载荷的特点，得到了宏观累积塑性变形问题的一般分析及其求解方法。本论文针对低应力多碰下的宏观塑性变形问题，在以下方面进行了研究：
　　 根据已知材料的低应力多碰试验数据和变形规律，以长方体试件为对象建立有限元仿真模型，将测得的仿真结果与试验结果进行比较，验证有限元仿真结果是否正确，并根据两者差距修正有限元仿真模型。然后由仿真模型推测新材料在低应力多碰下的塑性行为及其规律。最后，对新材料进行低应力多碰试验观察其是否遵循仿真模型推测的变形规律，最终达到试验仿真相互促进的目的。
　　 根据试件的设计特点与分析要求，利用ANSYS提供的参数化语言(APDL)将输入量（试件特征尺寸，材料密度、弹性模量、屈服应力、剪切模量、泊松比，碰撞应力，加载时间等参数）设定为指定的函数、变量，加载求解，得出试件的变形图、等效应力场分布等值线图以及选定节点塑性变形量随碰撞次数、时间变化关系曲线。并在建立有限元模型与分析时，以参数表征其过程，从而实现可变参数的有限元分析。并从中掌握计算参数的调节作用，建立更加直观、高效的仿真模型。
　　 以试验数据与有限元仿真结果相结合，分别建立同一材料在不同碰撞应力下的累积塑性应变随碰撞次数关系的数学模型；不同材料在相同冲击应力下累积塑性应变随碰撞次数关系的数学建模；塑变终止深度与碰撞应力关系数学模型。并利用VB软件建立塑性变形数学模型的人机交流界面，利用VB内置函数弥补数学模型运算复杂的不足。根据数值分析法对数学模型进行误差分析，得出所建数学模型的计算精度。
　　 最后从长方体试件的低应力多碰仿真研究中发现：不同材料的试件在高度Z方向变形趋势相同，服从函数式εz=a×1n(Xn)+b的对数分布。试件宽度Y方向的塑性变形呈两端小中间大的鼓性，变形量远小于Z方向变形量；变形趋势与Z方向不同，变形量随冲击次数呈锯齿形增大；各层变形率不同，高度Z方向变形率从高至低逐渐变小，宽度Y方向变形率先增大，后减小。塑变终止深度随碰撞应力的变化趋势与高度方向相似，服从对数分布。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 选题的依据和意义

1.2 课题的国内外背景

1.3 本文研究内容

第二章 低应力多碰实验设计

2.1 引言

2.2 试验分析

2.3 试验系统

2.3.1 多碰试验机结构及工作原理

2.3.2 试验测试硬件

2.3.3 低应力多碰环境

2.3.4 试件制备

2.3.5 冲击力的测定

2.3.6 试件宏观塑性变形量测量

2.4 本章小结

第三章 低应力多碰宏观塑变有限元仿真

3.1 低应力多碰及宏观塑性变形特点

3.2 试件有限元模型分析

3.2.1 几何模型简化

3.2.2 单元类型选择

3.2.3 有限元模型网格划分

3.2.4 模型载荷及边界条件

3.2.5 力的加载方式

3.3 参数化建模

3.3.1 参数化有限元分析原理

3.3.2 参数化有限元分析步骤

3.4 结果分析

3.4.1 试验与有限元计算结果比较

3.4.2 冲头冲击速度

3.4.3 试件节点加速度

3.4.4 试件应变

3.4.5 塑变终止深度

3.4.6 塑性变形与硬度的关系

3.4.7 塑性变形与材料属性的关系

3.4.8 试验法与有限元法塑变数据对比

3.4.9 层宽Y方向塑变规律

3.5 阈值参数求解

3.6 本章小结

第四章 低应力多碰累积塑变分析及建模

4.1 引言

4.2 低应力多碰塑性累积数学建模准备

4.2.1 问题的分析

4.2.2 现有塑性变形模型回顾

4.3 低应力多碰塑性累积数学建模假设

4.3.1 基本假设

4.3.2 符号约定

4.4 低应力多碰累积塑性数学建模建立

4.4.1 不同应力下45号钢Z方向累积塑性建模

4.4.2 相同应力下不同材料试件Z方向塑变建模

4.4.3 试件层宽Y方向累积应变

4.4.4 试件塑变终止深度

4.5 数学模型误差分析

4.5.1 误差来源

4.5.2 100MPa应力下45号钢数学模型误差分析

4.6 本章小结

第五章 展望与总结

5.1 总结

5.2 不足之处

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

附录

致谢