雙相鋼激光焊接接頭的動(dòng)態(tài)變形行為及機(jī)理研究中文摘要

DP鋼激光焊接接頭在沖壓成形及碰撞過(guò)程中的變形行為直接影響汽車(chē)車(chē)身焊接構(gòu)件的服役可靠性。本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論分析相結(jié)合的方式，系統(tǒng)研究不同應(yīng)變速率條件下DP鋼母材及激光對(duì)接焊接頭拉伸性能、焊縫成形性能的變化規(guī)律，確定動(dòng)態(tài)載荷下焊接接頭的斷裂位置、拉伸變形吸收功與應(yīng)變速率的關(guān)系；以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，明確應(yīng)變速率對(duì)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(yīng)變速率變形過(guò)程中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(zhì)關(guān)系，構(gòu)建動(dòng)態(tài)載荷下DP鋼激光焊接接頭的變形及斷裂機(jī)理模型。研究結(jié)果不僅可以為汽車(chē)車(chē)身材料DP鋼激光焊接接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供基于動(dòng)態(tài)力學(xué)的理論依據(jù)，而且對(duì)于加快我國(guó)以節(jié)能減排和保障駕乘安全為標(biāo)志的新一代汽車(chē)用AHSS鋼的發(fā)展和應(yīng)用具有重要的促進(jìn)作用。

當(dāng)前汽車(chē)制造業(yè)對(duì)于車(chē)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(jìn)高強(qiáng)鋼（AHSS鋼）在車(chē)身結(jié)構(gòu)件上廣泛應(yīng)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(chē)制造中的重要焊接方式。汽車(chē)在生產(chǎn)和高速?zèng)_撞過(guò)程中，車(chē)身的部分結(jié)構(gòu)件應(yīng)變速率最高可達(dá)1000/s，焊接接頭作為車(chē)身結(jié)構(gòu)的重要組成部分同樣也將承受動(dòng)態(tài)載荷的作用，接頭組織和性能的不均勻性會(huì)影響整個(gè)接頭的力學(xué)性能和變形行為。本工作針對(duì)廣泛應(yīng)用于當(dāng)今汽車(chē)制造領(lǐng)域的DP鋼及其激光拼接焊接頭，系統(tǒng)研究了應(yīng)變速率對(duì)DP鋼及其激光焊接接頭動(dòng)態(tài)拉伸變形行為的影響規(guī)律和機(jī)理，以進(jìn)一步揭示動(dòng)態(tài)載荷下其力學(xué)性能改變的本質(zhì)。研究結(jié)果不僅可以為汽車(chē)車(chē)身材料DP鋼激光焊接接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供基于動(dòng)態(tài)力學(xué)的理論依據(jù)，而且對(duì)于加快我國(guó)以“節(jié)能減排和保障駕乘安全”為標(biāo)志的新一代汽車(chē)用AHSS鋼的發(fā)展和應(yīng)用具有重要的促進(jìn)作用。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)變速率超過(guò)10/s后，DP780鋼的強(qiáng)度和應(yīng)變硬化指數(shù)明顯提高；塑性在30—500/s范圍內(nèi)出現(xiàn)大幅度增加的現(xiàn)象。高應(yīng)變速率的變形過(guò)程中，鐵素體基體中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度加快，導(dǎo)致“近程阻力”增大，使DP780鋼的變形抗力隨應(yīng)變速率的增加而增大。在應(yīng)變速率達(dá)到30/s之后，鐵素體中可動(dòng)位錯(cuò)數(shù)量的大幅度提高，是DP780鋼均勻伸長(zhǎng)率和斷后伸長(zhǎng)率在30—500/s范圍內(nèi)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(duì)應(yīng)變速率的敏感性更為顯著。隨應(yīng)變速率的增加，DP780鋼激光焊接接頭的強(qiáng)度提高，塑性呈現(xiàn)整體下降趨勢(shì)。在較低應(yīng)變速率（<10/s）條件下，隨應(yīng)變速率增加，焊接接頭的強(qiáng)度有所提高，但變化幅度不大，塑性降低相對(duì)較明顯；當(dāng)應(yīng)變速率超過(guò)10/s后，強(qiáng)度的提高幅度增大，而塑性在應(yīng)變速率10—100/s范圍內(nèi)有所恢復(fù)后繼續(xù)降低。DP780鋼激光焊接接頭拉伸變形過(guò)程中宏觀力學(xué)行為的應(yīng)變速率敏感性主要取決于DP780鋼母材在不同應(yīng)變速率下變形行為及機(jī)制的改變。隨應(yīng)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(zhuǎn)移至熱影響區(qū)的軟化區(qū)。動(dòng)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(yīng)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(yīng)變率效應(yīng)的本質(zhì)原因。

針對(duì)金屬泡沫循環(huán)變形行為實(shí)驗(yàn)研究和本構(gòu)描述方面的不足，通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，了解材循環(huán)過(guò)程中的變形行為特征和演化規(guī)律，并討論加載應(yīng)力、孔隙率和孔洞結(jié)構(gòu)的影響，揭示其循環(huán)變形變形的內(nèi)在機(jī)理；基于實(shí)驗(yàn)揭示的規(guī)律，在多機(jī)制本構(gòu)模型的框架下，將塑形變形分為基體材料變形和孔洞結(jié)構(gòu)變形兩部分，引入相對(duì)密度來(lái)反映位孔洞結(jié)構(gòu)對(duì)變形行為的影響，建立一個(gè)基于變形機(jī)理的循環(huán)本構(gòu)模型；基于周期性邊界條件，對(duì)泡沫鋁壓縮行為進(jìn)行有限元模擬，討論了孔隙率、孔的形狀、孔的分布對(duì)泡沫鋁力學(xué)性能的影響。還對(duì)泡沫鋁夾芯板的三點(diǎn)彎行為進(jìn)行了有限元模擬，對(duì)泡沫鋁拉壓彈性模量差異對(duì)夾芯板變形行為的影響和粘合夾芯板在三點(diǎn)彎加載下的脫粘破壞行為進(jìn)行了模擬和討論。研究成果將完善泡沫金屬材料的力學(xué)性能研究，對(duì)于促進(jìn)泡沫金屬結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要意義。

通過(guò)系統(tǒng)的細(xì)宏觀實(shí)驗(yàn)研究，了解泡沫鋁材料及其夾芯板復(fù)合結(jié)構(gòu)的循環(huán)變形行為特征，觀察泡沫鋁材料在循環(huán)變形過(guò)程中的孔洞微結(jié)構(gòu)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(xì)觀機(jī)理；通過(guò)細(xì)觀有限元分析，研究微結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)泡沫鋁宏觀力學(xué)響應(yīng)的影響；基于細(xì)觀機(jī)理，在唯象粘塑性本構(gòu)框架下，提出新的泡沫鋁循環(huán)本構(gòu)關(guān)系；結(jié)合泡沫鋁循環(huán)本構(gòu)關(guān)系和面板材料循環(huán)本構(gòu)關(guān)系，利用有限元軟件對(duì)泡沫鋁夾芯板的循環(huán)變形行為進(jìn)行數(shù)值模擬和分析。該研究針對(duì)泡沫金屬及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)問(wèn)題這一固體力學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，研究成果將是對(duì)泡沫金屬這一細(xì)觀非均勻材料本構(gòu)關(guān)系的重要突破，具有重要的理論意義；同時(shí)，研究成果可用于循環(huán)加載條件下泡沫鋁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及安全性和壽命評(píng)估中，對(duì)于促進(jìn)泡沫鋁在輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)中的工程應(yīng)用，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

本項(xiàng)目圍繞高速鐵路散體道床力學(xué)行為、狀態(tài)劣化機(jī)理及累積變形規(guī)律等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，開(kāi)展了道砟顆粒三維幾何形態(tài)重構(gòu)及其離散元模擬方法研究，道砟顆粒靜態(tài)壓碎力學(xué)行為及細(xì)觀機(jī)理研究，道砟材料剪切力學(xué)行為的室內(nèi)試驗(yàn)與離散元模擬，高速鐵路道砟振動(dòng)特性的室內(nèi)試驗(yàn)與離散元模擬，400萬(wàn)次循環(huán)作用下散體道床累積變形與道砟劣化的1:1實(shí)尺模型試驗(yàn)研究，荷載工況和道砟參數(shù)對(duì)道床累積變形的影響機(jī)制與規(guī)律研究，高速鐵路有砟軌道幾何狀態(tài)預(yù)測(cè)分析與控制方法研究。本項(xiàng)目研究建立了高速鐵路道砟幾何樣本庫(kù)和道砟離散元模型樣本庫(kù)，發(fā)展了鐵路道砟力學(xué)性能試驗(yàn)技術(shù)，提出了綜合運(yùn)用離散元、有限元、車(chē)輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)的散體道床力學(xué)行為模擬新方法與新技術(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(jì)數(shù)據(jù)，給出了道砟破碎力學(xué)行為的統(tǒng)計(jì)特性和細(xì)觀力學(xué)機(jī)制，獲得了含沙道砟、土工格柵強(qiáng)化道砟直剪力學(xué)性能與參數(shù)影響機(jī)制，揭示了行車(chē)速度、荷載條件、道砟級(jí)配以及格柵加固等對(duì)鐵路道砟振動(dòng)和累積變形的影響規(guī)律。項(xiàng)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(guān)系的求解方法，給出了道床沉降導(dǎo)致的軌枕空吊以及車(chē)輛通過(guò)時(shí)軌枕與道床間動(dòng)態(tài)的接觸/空吊的狀態(tài)閾值，提出了基于列車(chē)運(yùn)行動(dòng)力學(xué)品質(zhì)的不平順敏感波長(zhǎng)及波深控制建議限值。項(xiàng)目研究成果為高速鐵路有砟軌道工程設(shè)計(jì)與養(yǎng)護(hù)維修提供了理論支撐和應(yīng)用參考，其中，關(guān)于有砟軌道不平順的研究成果在中國(guó)鐵路總公司技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《高速鐵路有砟軌道不平順譜》的制訂中得到體現(xiàn)。 2100433B