45钢动态塑性本构参量与验证

　第25卷　第5期

　2005年9月

文章编号:100121455(2005)0520451206爆炸与冲击EXPLOSIONANDSHOCKWAVESVol.25,No.5　Sept.,2005　

45钢动态塑性本构参量与验证

陈　刚,陈忠富,陶俊林,牛　伟,张青平,黄西成

(中国工程物理研究院结构力学研究所,四川绵阳621900)3

　　摘要:运用静态实验机和SHPB装置,对45钢在常温～750°C、应变率为10-4～103s-1下的力学行为进

行了研究,拟合得到了Johnson2Cook本构模型参量。开展了Taylor圆柱撞击的火炮实验,运用LS2DYNA进行了相应的数值模拟,通过二者的比较对本构模型参量进行了验证,表明所得模型参量可以较好地描述材料在高速变形下的大应变力学行为。

　　关键词:固体力学;塑性本构参量;Taylor实验;45钢;　　中图分类号:O347.3　　　国标学科代码:130 15:1　引　言

　　、、,结构材料将发生高速变形。材料的屈服应力、,因此,在分析工程结构在冲击载荷下的响应时,需要能描述材料在大应变、宽应变率范围以及宽温度范围力学行为的本构模型。典型的本构模型通常定义等效应力为等效塑性应变、等效塑性应变率和温度的函数关系,高应变率下金属材料的本构关系包括:基于有效实验数据的纯经验性的本构模型(如G.R.Johnson和W.

[1][2][3]H.Cook;A.S.Khan等等)和基于材料变形机制的物理本构模型(如F.J.Zerilli等)。

　　45钢是一种中碳优质结构钢,具有良好的综合力学性能,在机械制造、交通运输、国防等方面得到

[4]了广泛应用,人们从许多方面对其力学行为进行了研究。段占强等开展了钨合金圆柱体垂直冲击

60mm厚的45热轧钢板实验,利用扫描电镜和光学金相显微镜研究了45钢高速冲击穿孔的显微组织;许云华等以退火45钢为研究对象,考察冲击接触载荷下亚表层微观形变特征与损伤;王丽娟等采

[7]用人工预制内部裂纹法分析了45钢高速冲击下裂纹扩展的动态响应行为;胡昌明等对45号钢在不

同环境温度和应变率下的压缩应力应变关系进行研究,给出了改进应变率项的修正Johnson2Cook模型参数拟合,但没有考虑静动态实验曲线中应变强化的差异,也没有其他实验论证所获得参数的合理性。

本文中运用材料试验机对45钢进行了拉、压、扭的静态力学性能测试,并进行了静态高温(常温～750°C)拉伸力学性能测试,得到了45钢准静态载荷下的应力应变曲线,然后利用SHPB实验装置获得了其动态压缩应力应变曲线,拟合获得了相应的Johnson2Cook本构模型参数。然后通过Taylor圆柱撞击实验及相应的数值模拟对本构参量进行了验证。[5][6]

2　材料力学性能实验结果

2.1　静态实验

　　运用MTS810试验机和NDS21扭转试验机开展了45钢实心柱形试件的静态拉伸、压缩和扭转实验及常温～750°C的静态拉伸实验,得到了准静态条件下材料大变形的应力应变关系及其随温度的变化规律。常温的等效应力应变曲线(见图1)比较显示,在材料的均匀变形段,3种应力状态下的结果吻

收稿日期:2004211215;修回日期:2005201219

　　　基金项目:国家自然科学基金项目(10232040)

　　　作者简介:陈　刚(1971—　),男,博士研究生,助理研究员。3