金属材料在冲击荷载下局部变形的数值模拟及分析

摘要

高应变率载荷作用下金属材料的变形集中于很窄的区域内,即剪切变形局部化.局部化变形带内产生严重的塑性变形,削弱材料的承载能力,甚至导致材料断裂破坏.基于有限元分析软件FEAP (Finite Element Analysis Program),采用混合有限元方法,用Fortran语言编译适用于金属材料在高应变率下的剪切局部化问题的新单元;计算过程中采用与应变、应变率及温度相关的塑性本构关系来描述剪切带现象,同时在能量平衡方程中考虑剪切带形成过程中的热传导作用;同时考虑显式算法与隐式算法的时间离散方法,并将两种算法的结果进行对比.结果表明,虽然剪切带形成过程很短,一般为微秒量级,但剪切带形成过程中的热扩散项与塑性变形产生的热能量级相同,有效地缓解剪切带模拟的网格敏感性;对于金属材料热塑性剪切带问题,为了满足计算精度要求,显式算法需要的时间步太小,计算成本比隐式迭代高很多;而基于该单元采用隐式算法模拟热塑性剪切带问题迭代收敛稳定,计算精度高,且因为考虑了热传导作用,网格敏感性小.