復(fù)雜條件下高強(qiáng)度低合金鋼板的動(dòng)力學(xué)行為研究.pdf

1、高強(qiáng)度低合金(High Strength and Low Alloy，簡(jiǎn)稱HSLA)鋼在強(qiáng)度、剛度、韌性、抗碰撞性能、耐腐蝕性能和成本等方面具有優(yōu)良的性能，在汽車、機(jī)械、航空航天、船舶和建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用也逐年增加。因此，深入了解HSLA鋼板在低速?zèng)_擊、U型沖壓回彈和激光加工等復(fù)雜加工實(shí)際的動(dòng)力學(xué)行為，對(duì)其在應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用具重要的指導(dǎo)意義。
　　本論文研究工作主要分為三大部分：
　　第一部分工作研究了在一維溫度場(chǎng)和低速?zèng)_擊

2、作用下HSLA鋼板熱彈塑性動(dòng)力響應(yīng)的問(wèn)題?；谝痪S熱傳導(dǎo)理論、彈塑性力學(xué)和經(jīng)典非線性薄板理論，建立了低速?zèng)_擊下HSLA鋼板的增量型熱彈塑性非線性運(yùn)動(dòng)控制方程；借助熱彈塑性接觸準(zhǔn)則，獲得了剛性沖頭在沖擊HSLA鋼板瞬間的相對(duì)位移和接觸半徑的表達(dá)式，進(jìn)一步得到了發(fā)生彈塑性變形的接觸力。在求解過(guò)程中，分別采用有限差分法和Newmark法對(duì)未知位移函數(shù)在空間域和時(shí)間域離散，對(duì)整個(gè)問(wèn)題進(jìn)行迭代求解。分析了剛性沖擊物的半徑和初速度、板的周邊溫度和長(zhǎng)

3、厚比等參數(shù)對(duì)低速?zèng)_擊下HSLA鋼板的熱彈塑性動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和接觸力的影響。
　　在第二部分工作中，(1)研究了阻尼效應(yīng)和高階幾何非線性對(duì)HSLA鋼板回彈動(dòng)力特性影響的問(wèn)題。引入成形-回彈反耦聯(lián)系統(tǒng)的概念，考慮板自身阻尼效應(yīng)的和高階幾何非線性的影響，得到了低速?zèng)_擊下HSLA鋼板的成形-回彈反耦聯(lián)系統(tǒng)的非線性運(yùn)動(dòng)控制方程。采用有限差分法、Newmark法和迭代法相結(jié)合的方法，確定了HSLA鋼板回彈體的位移分布形式。分析了板的邊界條件、長(zhǎng)厚

4、比和高階幾何非線性以及沖擊物的初始沖擊速度等對(duì)HSLA鋼板的回彈量和幅頻響應(yīng)的影響規(guī)律；(2)研究了U型沖壓下HSLA鋼板的時(shí)效回彈行為以及損傷演化對(duì)其回彈行為影響的問(wèn)題。建立綜合考慮與材料屈服應(yīng)力有關(guān)的初始屈服應(yīng)變、拉伸-彎曲耦合應(yīng)變和各向同性強(qiáng)化等因素的力學(xué)模型，分析了U型沖壓下H S LA鋼板的回彈與時(shí)效回彈行為?；诿枋霭粮裥?yīng)、瞬態(tài)行為和永久軟化等多種特性的混合塑性硬化準(zhǔn)則，建立綜合考慮變彈性卸載模量、非線性彈性恢復(fù)、初始各

5、向異性屈服準(zhǔn)則和損傷演化等的力學(xué)回彈模型，研究了損傷演化對(duì)HSLA鋼板的U型時(shí)效回彈的影響。分析了硬化指數(shù)、各向異性系數(shù)、彎曲徑厚比、摩擦系數(shù)、壓延力和損傷量對(duì)HSLA鋼板回彈量和切向應(yīng)力的影響。
　　在第三部分工作中，(1)研究了三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)中基于修正理論的HSLA鋼板彎曲靜力響應(yīng)的問(wèn)題。基于三維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)理論，采用分離變量法，求解得到板的三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。基于修正理論，將位移表示為由彎曲和剪切兩部分組成的函數(shù)，借助變分原理，得

6、到了HSLA鋼板的非線性彎曲靜力響應(yīng)的控制方程。采用Galerkin法和雙重 Fourier級(jí)數(shù)法確定待求的未知位移量。分析了HSLA鋼板的長(zhǎng)厚比、幾何非線性以及溫度場(chǎng)函數(shù)的幅值和分布形式對(duì)HSLA鋼板的撓度和正應(yīng)力的影響；(2)研究了激光加工下 HSLA鋼板的三維熱動(dòng)力學(xué)行為的問(wèn)題。針對(duì)激光加工HSLA鋼板的問(wèn)題，建立了其三維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)模型和三維熱動(dòng)力學(xué)控制方程。采用分離變量法，將溫度場(chǎng)在空間域和時(shí)間域上離散進(jìn)行求解，通過(guò)使用狀態(tài)空間

7、法，確定了HSLA鋼板的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。分析了激光移動(dòng)加工速度、板的長(zhǎng)厚比以及外加載荷形式對(duì)其溫度場(chǎng)、位移和應(yīng)力場(chǎng)的影響；(3)研究了高能量激光加工下 HSLA鋼板的固-液-氣三相熱動(dòng)力學(xué)行為的問(wèn)題?；诟吣芰考す饧庸は?HSLA鋼板產(chǎn)生固-液-氣三相相變機(jī)理，研究了其相關(guān)三相相變熱動(dòng)力學(xué)行為。采用分離變量法，求解得到了激光加工下HSLA鋼板的三維瞬態(tài)相變溫度場(chǎng)、液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氣相質(zhì)量分?jǐn)?shù)，同理采用狀態(tài)空間法，確定了高能量激光加工下HS

8、LA鋼板的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布形式。分析了高能量激光的加工時(shí)間和加工速度以及板的長(zhǎng)厚比等對(duì)HSLA鋼板的三維相變溫度、液相溫度的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及板的振動(dòng)頻率、位移和應(yīng)力分量等的影響規(guī)律。
　　本論文工作創(chuàng)新點(diǎn)主要包括：
　　(1)基于彈塑性力學(xué)和非線性薄板理論，建立了一個(gè)與應(yīng)力球張量有關(guān)的HSLA鋼板的混合硬化屈服準(zhǔn)則；
　　(2)基于時(shí)效回彈角與應(yīng)變強(qiáng)化相關(guān)的概念，描述了時(shí)效回彈角和總回彈角隨加工參數(shù)和損傷演化的變化規(guī)律

9、；
　　(3)基于板的修正理論，給出了HSLA鋼板在三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)中和載荷作用下的非線性彎曲靜力響應(yīng)的解析形式；
　　(4)基于高能量激光加工下HSLA鋼板的固-液-氣三相相變機(jī)理，得到了板的液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氣相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的三維分布形式。
　　本論文研究?jī)?nèi)容系統(tǒng)地研究了HSLA鋼板在低速?zèng)_擊下的熱彈塑性動(dòng)力學(xué)行為、U型沖壓下受損時(shí)的時(shí)效回彈行為以及激光加工下的三維熱動(dòng)力學(xué)行為等問(wèn)題，揭示了HSLA鋼板的非線性動(dòng)力學(xué)和三維傳