电磁脉冲高应变率材料拉伸测试装置的设计与试验研究

作     者：郑月 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李光耀;唐霄汉

授予年度：2022年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：AA5052 磁脉冲成形 高应变率 拉伸测试 断裂极限 

摘      要：随着新能源汽车的不断普及与市场需求的不断增加,汽车轻量化的需求变得尤为迫切。其中,铝、镁合金等轻质材料由于其密度低强度高等特点被广泛应用。而其室温成形性差,成形过程中易发生局部颈缩、断裂等缺陷。研究表明,高速率成形能有效改善铝合金塑性缺陷的问题。因此,铝合金在高应变率下的力学响应引起人们的关注,这就对材料测试设备提出了更高的要求,特别是高速拉伸测试设备的开发。因此,设计开发一套高应变率测试装置,获得材料在不同应变率和不同应力状态下的颈缩和断裂极限,对于材料性能的测试和数据库的建立具有重大意义。本文主要研究内容如下:首先,建立了适用于AA5052-O铝合金高速成形的本构模型以及电磁高应变率材料测试装置:建立了不同应变率下的修正Johnson-Cook本构方程,得到材料的基本参数。针对高速拉伸机测试应变率有限、测试成本昂贵、技术壁垒高等问题提出基于电磁成形原理的高应变率材料拉伸装置,包括通用台架模块、单拉模块、双拉模块,由工装台架、测量系统、线圈和夹持装置组成。结果表明,铁网加坡莫合金的组合材料能有效减少电磁场对测量系统的电磁干扰,屏蔽效果良好。其次,研究了材料在电磁高速拉伸下的应变率影响因素并构建了真实应变率数学模型:根据材料基本参数和应力波传播特性,设计了电磁单拉试样,并在电磁单拉工装上开展试验,对电磁拉伸过程的影响因素进行分析。针对试样宽度和放电能量两因素建立应变率的数学模型,对电磁拉伸曲线和断裂极限的研究进行了应用。结果表明,高应变率的电磁拉伸曲线与修正Johnson-Cook模型基本吻合,单拉断裂极限随应变率的增加而提高。再次,结合LS-DYNA有限元软件进行电磁双拉试样的设计:讨论分析了槽缝到中心区的距离、槽缝数量、减薄区形状对双拉试样中心区断裂模式和应变分布的影响,最终确定了单槽、扇形减薄的电磁等双拉试样。并在等双拉试样结构的基础上开发其它电磁双拉路径的试样。最后,通过试验验证电磁双拉试样的可行性以及对材料的极限应变进行研究:基于电磁双拉工装平台展开试验,得到稳定的双拉应变路径且断裂是从中心区开始,验证了电磁双拉试样的可行性。颈缩应变关于应变率的敏感性不大,主要受应力状态影响,而断裂极限对应变率具有较强的正敏感性。