雙相鋼激光焊接接頭的動態(tài)變形行為及機理研究

當前汽車制造業(yè)對于車身輕量化和服役安全性的要求不斷提高，使以雙相鋼（DP鋼）為代表的先進高強鋼（AHSS鋼）在車身結構件上廣泛應用。由于制造的靈活性和可靠性，激光焊接正在逐步取代傳統(tǒng)焊接，將成為汽車制造中的重要焊接方式。汽車在生產(chǎn)和高速沖撞過程中，車身的部分結構件應變速率最高可達1000/s，焊接接頭作為車身結構的重要組成部分同樣也將承受動態(tài)載荷的作用，接頭組織和性能的不均勻性會影響整個接頭的力學性能和變形行為。本工作針對廣泛應用于當今汽車制造領域的DP鋼及其激光拼接焊接頭，系統(tǒng)研究了應變速率對DP鋼及其激光焊接接頭動態(tài)拉伸變形行為的影響規(guī)律和機理，以進一步揭示動態(tài)載荷下其力學性能改變的本質。研究結果不僅可以為汽車車身材料DP鋼激光焊接接頭結構設計提供基于動態(tài)力學的理論依據(jù)，而且對于加快我國以“節(jié)能減排和保障駕乘安全”為標志的新一代汽車用AHSS鋼的發(fā)展和應用具有重要的促進作用。研究發(fā)現(xiàn)，當應變速率超過10/s后，DP780鋼的強度和應變硬化指數(shù)明顯提高；塑性在30—500/s范圍內出現(xiàn)大幅度增加的現(xiàn)象。高應變速率的變形過程中，鐵素體基體中位錯運動速度加快，導致“近程阻力”增大，使DP780鋼的變形抗力隨應變速率的增加而增大。在應變速率達到30/s之后，鐵素體中可動位錯數(shù)量的大幅度提高，是DP780鋼均勻伸長率和斷后伸長率在30—500/s范圍內得以明顯增加的主要原因。與母材相比，DP780鋼激光焊接接頭的變形行為對應變速率的敏感性更為顯著。隨應變速率的增加，DP780鋼激光焊接接頭的強度提高，塑性呈現(xiàn)整體下降趨勢。在較低應變速率（<10/s）條件下，隨應變速率增加，焊接接頭的強度有所提高，但變化幅度不大，塑性降低相對較明顯；當應變速率超過10/s后，強度的提高幅度增大，而塑性在應變速率10—100/s范圍內有所恢復后繼續(xù)降低。DP780鋼激光焊接接頭拉伸變形過程中宏觀力學行為的應變速率敏感性主要取決于DP780鋼母材在不同應變速率下變形行為及機制的改變。隨應變速率的增加，DP780鋼激光焊接接頭斷裂位置距焊縫中心線的距離顯著降低，斷裂位置由母材區(qū)轉移至熱影響區(qū)的軟化區(qū)。動態(tài)載荷下，DP780鋼激光焊接接頭不同區(qū)域組織塑性變形行為應變速率依存性存在差異，是焊接接頭斷裂位置表現(xiàn)出明顯應變率效應的本質原因。

DP鋼激光焊接接頭在沖壓成形及碰撞過程中的變形行為直接影響汽車車身焊接構件的服役可靠性。本研究通過實驗測試與理論分析相結合的方式，系統(tǒng)研究不同應變速率條件下DP鋼母材及激光對接焊接頭拉伸性能、焊縫成形性能的變化規(guī)律，確定動態(tài)載荷下焊接接頭的斷裂位置、拉伸變形吸收功與應變速率的關系；以實驗結果為依據(jù)，明確應變速率對模擬焊接熱履歷的回火DP鋼拉伸性能及變形吸收功的影響規(guī)律，闡明在不同應變速率變形過程中位錯運動與馬氏體回火程度（馬氏體軟化、碳化物析出含量及分布）的本質關系，構建動態(tài)載荷下DP鋼激光焊接接頭的變形及斷裂機理模型。研究結果不僅可以為汽車車身材料DP鋼激光焊接接頭結構設計提供基于動態(tài)力學的理論依據(jù)，而且對于加快我國以節(jié)能減排和保障駕乘安全為標志的新一代汽車用AHSS鋼的發(fā)展和應用具有重要的促進作用。

針對金屬泡沫循環(huán)變形行為實驗研究和本構描述方面的不足，通過系統(tǒng)的實驗研究，了解材循環(huán)過程中的變形行為特征和演化規(guī)律，并討論加載應力、孔隙率和孔洞結構的影響，揭示其循環(huán)變形變形的內在機理；基于實驗揭示的規(guī)律，在多機制本構模型的框架下，將塑形變形分為基體材料變形和孔洞結構變形兩部分，引入相對密度來反映位孔洞結構對變形行為的影響，建立一個基于變形機理的循環(huán)本構模型；基于周期性邊界條件，對泡沫鋁壓縮行為進行有限元模擬，討論了孔隙率、孔的形狀、孔的分布對泡沫鋁力學性能的影響。還對泡沫鋁夾芯板的三點彎行為進行了有限元模擬，對泡沫鋁拉壓彈性模量差異對夾芯板變形行為的影響和粘合夾芯板在三點彎加載下的脫粘破壞行為進行了模擬和討論。研究成果將完善泡沫金屬材料的力學性能研究，對于促進泡沫金屬結構件的設計和應用具有重要意義。

通過系統(tǒng)的細宏觀實驗研究，了解泡沫鋁材料及其夾芯板復合結構的循環(huán)變形行為特征，觀察泡沫鋁材料在循環(huán)變形過程中的孔洞微結構演化情況，揭示泡沫鋁金屬循環(huán)變形行為的規(guī)律和循環(huán)變形的細觀機理；通過細觀有限元分析，研究微結構參數(shù)對泡沫鋁宏觀力學響應的影響；基于細觀機理，在唯象粘塑性本構框架下，提出新的泡沫鋁循環(huán)本構關系；結合泡沫鋁循環(huán)本構關系和面板材料循環(huán)本構關系，利用有限元軟件對泡沫鋁夾芯板的循環(huán)變形行為進行數(shù)值模擬和分析。該研究針對泡沫金屬及其復合結構的力學問題這一固體力學研究的熱點和難點問題，研究成果將是對泡沫金屬這一細觀非均勻材料本構關系的重要突破，具有重要的理論意義；同時，研究成果可用于循環(huán)加載條件下泡沫鋁結構的設計以及安全性和壽命評估中，對于促進泡沫鋁在輕質化結構中的工程應用，具有重要的應用價值。

本項目圍繞高速鐵路散體道床力學行為、狀態(tài)劣化機理及累積變形規(guī)律等關鍵科學問題，開展了道砟顆粒三維幾何形態(tài)重構及其離散元模擬方法研究，道砟顆粒靜態(tài)壓碎力學行為及細觀機理研究，道砟材料剪切力學行為的室內試驗與離散元模擬，高速鐵路道砟振動特性的室內試驗與離散元模擬，400萬次循環(huán)作用下散體道床累積變形與道砟劣化的1:1實尺模型試驗研究，荷載工況和道砟參數(shù)對道床累積變形的影響機制與規(guī)律研究，高速鐵路有砟軌道幾何狀態(tài)預測分析與控制方法研究。本項目研究建立了高速鐵路道砟幾何樣本庫和道砟離散元模型樣本庫，發(fā)展了鐵路道砟力學性能試驗技術，提出了綜合運用離散元、有限元、車輛-軌道耦合動力學的散體道床力學行為模擬新方法與新技術。通過實驗研究和數(shù)值模擬分析，獲得了道床累積變形規(guī)律及道砟顆粒磨損與破損劣化統(tǒng)計數(shù)據(jù)，給出了道砟破碎力學行為的統(tǒng)計特性和細觀力學機制，獲得了含沙道砟、土工格柵強化道砟直剪力學性能與參數(shù)影響機制，揭示了行車速度、荷載條件、道砟級配以及格柵加固等對鐵路道砟振動和累積變形的影響規(guī)律。項目研究還提出了有砟軌道道床不均勻沉降與鋼軌變形映射關系的求解方法，給出了道床沉降導致的軌枕空吊以及車輛通過時軌枕與道床間動態(tài)的接觸/空吊的狀態(tài)閾值，提出了基于列車運行動力學品質的不平順敏感波長及波深控制建議限值。項目研究成果為高速鐵路有砟軌道工程設計與養(yǎng)護維修提供了理論支撐和應用參考，其中，關于有砟軌道不平順的研究成果在中國鐵路總公司技術標準《高速鐵路有砟軌道不平順譜》的制訂中得到體現(xiàn)。 2100433B