啞鈴狀扁平形試件拉伸試驗(yàn)圓角誤差分析
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秦 偉1,2，田曉麗1
（1．中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051;2．中國(guó)人民解放軍66075部隊(duì)，山西 大同 037034）
摘要：運(yùn)用ANSYS軟件基于AUTODYN平臺(tái)對(duì)動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值仿真，分析由于圓角的存在給啞鈴狀試件中應(yīng)力均勻性帶來的影響，從數(shù)值仿真的角度為處理試驗(yàn)結(jié)果提供參考。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)♀彔畋馄叫卧嚰�；拉伸；圓角；誤差中圖分類號(hào)：TP3 91.7
0 引言
影響拉伸試驗(yàn)結(jié)果的因素有很多，包括加載條件、加載速率和測(cè)試精度等，有些是可以消除的，而有些是無法避免的。
對(duì)于扁平形試件，沖擊拉伸試驗(yàn)的基礎(chǔ)是一維實(shí)驗(yàn)原理的有效性，要使一維試驗(yàn)原理近似成立本質(zhì)上是要形成試驗(yàn)段中部的均勻區(qū)以及減小和抵消在圓角過渡段由于應(yīng)力波的復(fù)雜作用而造成的各種影響。由于圓角的存在必然會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，為此本文通過數(shù)值仿真來分析啞鈴狀扁平形試件在沖擊拉伸試驗(yàn)中的應(yīng)力均勻性問題。
1 材料拉伸試件模型
理想情況下，將如圖1所示的材料A、B兩端分別施加對(duì)稱力F，就可以得到材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。但是在實(shí)際試驗(yàn)中，這種形狀的試件無法夾持，無法完成試驗(yàn)，必須得有一個(gè)連接段，如圖2所示。
2 數(shù)值仿真結(jié)果分析
只考慮應(yīng)力、應(yīng)變?cè)谠嚰L(zhǎng)度、寬度方向上的變化，忽略其在厚度方向上的變化，計(jì)算時(shí)采用2D平面對(duì)稱計(jì)算方法。網(wǎng)格大小為0.2 mm×0.2 mm，計(jì)算時(shí)應(yīng)變率為1 000/s。在模型右端面添加向右2 m/s的速度邊界，左端面添加向左2m／s的速度邊界，下端面施加y方向速度為零的約束。觀測(cè)點(diǎn)位置分布如圖3所示，采集x方向應(yīng)力( stressXX)及x方向應(yīng)變率( EXXDOT)數(shù)據(jù)，每10個(gè)循環(huán)保存一次。計(jì)算時(shí)采用AUTODYN材料庫(kù)中的AL5083H116為計(jì)算材料。材料的狀態(tài)方程為linear，并采用JC本構(gòu)方程，應(yīng)力為：
對(duì)于連接段長(zhǎng)度l3=0、試件連接段寬度b=19 mm、測(cè)量端寬度a=4 mm、測(cè)量段長(zhǎng)度l1=4 mm、圓角半徑r=2 mm的試件，幾何模型2如圖8所示。
各截面應(yīng)力一時(shí)間曲線如圖9～圖11所示，各截面應(yīng)力一應(yīng)變曲線如圖12～圖14所示。
對(duì)于連接段長(zhǎng)度l3=0、試件連接段寬度b=19 mm、測(cè)量端寬度a=4 mm、測(cè)量段長(zhǎng)度l1=4 mm、圓角半徑r=3 mm的試件，幾何模型3如圖15所示。各截面應(yīng)力一時(shí)間曲線如圖16～圖18所示。各截面應(yīng)力一應(yīng)變曲線如圖19～圖21所示。
3結(jié)論
從圖4～圖7中可以看出，在幾何模型1中，對(duì)于沒有圓角的試件，顯然應(yīng)力是均勻的，這是理想情況，但對(duì)于實(shí)際情況來說，由于連接段的存在必然在拐角處產(chǎn)生應(yīng)力集中。從圖9～圖14可以看出，幾何模型2中，對(duì)于有圓角過渡區(qū)的試件，在圓角區(qū)域同一截面的應(yīng)力出現(xiàn)了不均勻的現(xiàn)象，且在靠近中間的區(qū)域應(yīng)力值要大于靠近圓角處的值，這是圓角的存在導(dǎo)致應(yīng)力不均勻產(chǎn)生的結(jié)果。隨著圓角區(qū)域的增大，對(duì)比幾何模型2和幾何模型3各截面應(yīng)力一應(yīng)變和應(yīng)力 時(shí)間曲線可以看出，這種不均勻性的問題表現(xiàn)得更為明顯。因此，如何選擇既能保證不產(chǎn)生根部應(yīng)力集中又滿足應(yīng)力均勻性是合理選擇試件尺寸的關(guān)鍵。
