5A06铝合金力学性能测试及其平板抗水下冲击动态响应分析

任　鹏， 田阿利， 张　伟, 黄　威

(1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江　212000;2.哈尔滨工业大学 高速撞击研究中心，哈尔滨　150080)



5A06铝合金力学性能测试及其平板抗水下冲击动态响应分析

任鹏1， 田阿利1， 张伟2, 黄威2

(1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江212000;2.哈尔滨工业大学 高速撞击研究中心，哈尔滨150080)

摘要：通过万能实验机和分离式霍普金森拉杆分别获得了5A06铝合金材料在25 ℃～250 ℃范围内的准静态及常温高应变率下的拉伸应力-应变曲线。基于实验结果，对Johnson-Cook本构模型中的温度软化项进行了修改，进而拟合得到了修改后的本构模型参数。利用动力学有限元软件AUTODYN-2D的Euler-Lagrange耦合算法，结合力学性能实验所得到的5A06铝合金本构模型，对水下冲击波作用下5A06铝合金平板的动态响应历程进行了数值仿真，仿真结果与实验结果吻合良好，证明了材料模型及其参数的有效性。进而获得了铝合金平板在水下冲击波作用下的动态响应特性。

关键词：固体力学；5A06铝合金；力学性能；Johnson-Cook本构模型；动态响应

水下爆炸冲击波作用下典型结构的动态响应是涉及流固耦合的典型非线性动力学问题[1]。数值仿真作为分析该问题的主要手段，其结果的正确性主要依赖于准确的材料模型及参数[2]。近年来，随着舰艇轻量化概念的普及，铝合金材料被越来越多的应用于舰艇结构设计中。5A06镁铝合金作为一种重要的结构材料，以优异的机械性能和可焊性得到了船舶制造业的广泛关注[3]。目前，国产5A06铝合金性能的研究主要集中在抗腐蚀方面[4]，对于常温准静态及高应变率条件下的力学性能测试也已有一些成果见诸报端。如王礼立等[5]对LF6(5A06)铝合金的应变率效应进行的研究；林木森等[6]对三种不同热处理状态5A06铝合金的准静态及动态压缩性能进行的实验研究，这些工作均证明了5A06铝合金材料对应变率的不敏感性，为其本构模型的建立奠定了基础。但由于上述研究均未考虑温度软化效应的影响，因此对5A06铝合金力学性能的考虑尚存欠缺，导致用以描述该材料动态力学性能的高精度本构模型尚未有效建立。进而无法准确得到动载条件下相应材料结构的动态响应特点。

本文利用万能试验机对5A06铝合金材料在室温至250 ℃条件下的准静态力学行为进行了研究，同时利用Hopkinson拉杆实验获得了高应变率条件下的拉伸应力-应变关系。基于实验结果，在文献[7]的研究基础上修改了Johnson-Cook强度模型中的温度软化项，并拟合得到了相应的模型参数。进而使用Euler-Lagrange耦合算法对非药式水下冲击波作用下5A06铝合金气背固支板的动态响应特性进行了数值研究，修改后的Johnson-Cook模型得出的预测结果与实验数据吻合良好，证明了模型及其参数的有效性。并据此获得了铝合金板在水下冲击波作用下的动态响应特性。

1动态力学性能试验及结果

Johnson-Cook本构关系形式简单，且考虑了应变率效应和温度效应的影响，是描述金属材料力学行为的主要分析模型[8]，其表达式为

(1)

1.1常温准静态拉伸力学性能

5A06铝合金材料在常温准静态条件下的拉伸应力应变曲线如图1所示。其中以0°、45°和90°为时间在板材中的取材方向。根据文献[9]所述，试件的标距段长度取为40 mm，标距段宽度为10 mm，厚度为3 mm。为了更为准确的测量试件的变形情况，准静态实验过程中使用了标距长度为40 mm的引伸计，试验机的加载速度为3 mm/min，即名义应变率为1.25×10-3s-1，试件的破坏形貌如图2所示。

图1　常温准静态单轴拉伸得到的应力-应变曲线Fig.1 Engineering stress-strain curve

图2　室温拉伸试件的断裂形式Fig.2 The fracture patterns of specimens in room temperature

1.2动态拉伸力学性能

高应变率条件下的拉伸力学性能可利用Hopkinson拉伸试验获得。基于文献[10]所述，动态拉伸实验的试样尺寸确定为标距段长度10 mm，标距段宽度4 mm，标距段厚度1.2 mm，试件的材料均来自于7 mm厚5A06铝合金板。实验的应变率范围为102s-1～103s-1，实验过程中，每个应变率进行3次重复实验以确定实验结果的有效性。霍普金森拉杆与实验试件采用卡口式连接，该连接方式可有效减少传统螺纹式连接所导致的波形弥散[10]。动态拉伸试件加载前后的形貌如图3所示。

图3　Hopkinson拉伸实验Fig.3 Hopkinson tensile tests

试验得到的5A06铝合金材料在不同应变率条件下的典型应力-应变曲线如图4所示。由该图可见，5A06铝合金的应变率敏感性较弱，准静态拉伸时的屈服强度约为168 MPa，当加载应变率增加到1 733 s-1时，材料的屈服强度仅增加了约30%，约为215 MPa。

图4　高应变率条件下的应力-应变关系Fig.4 The true stress-true strain relations under high strain rates

1.3温度对力学性能的影响

金属材料的流动应力会随着温度的升高而降低， J-C本构模型中包含的温度效应项，可对该现象进行准确描述。因此，对5A06铝合金材料进行了100 ℃、150 ℃、200 ℃和250 ℃条件下的准静态拉伸试验。高温拉伸实验试件的标定段长度为30 mm，标定段宽度为6 mm，厚度为3 mm，试件均从板材中取得。图5为实验得到不同温度条件下的单向拉伸应力-应变关系。由该图可见，随着加载环境温度的升高，材料的抗拉强度逐渐变小，延伸率逐渐增大。

图5　不同温度条件下的应力-应变关系Fig. 5 Stress-strain curves under different temperatures

1.4Johnson-Cook本构模型拟合

对于本文所关注的Johnson-Cook本构模型，5A06铝合金材料在塑性段的应力-应变关系可以表示为

σ=A+B(εeq)n

(2)

在进入颈缩阶段后，材料系数A、B、n的关系存在

(3)

式中：εj=0.223 9为进入颈缩阶段时的等效塑性应变。利用式(2)对图1中常温准静态条件下材料的应力应变曲线进行拟合可得模型参数A=166.97 MPa，B=443.65 MPa，n=0.439。

基于J-C模型中应变率相关项的特点，利用

(4)

图6　屈服应力随*的变化关系Fig.6 Variation of yield stress with *

5A06铝合金材料的抗拉屈服强度随无量纲温度变化规律如图7所示。利用Johnson-Cook强度模型中的温度项进行拟合，其中温度项的表达形式为

σ=A(-T*m)

(5)

拟合得到m=2.313。但不难看出，J-C模型的温度项函数并不能对实验数据进行精确拟合[11]。因此，在原模型的基础上对温度项函数进行了修改，引入新的无量纲参量m1，使得温度项的表达式变为

σ=A(-m1T*m)

(6)

利用式(6)对实验数据进行拟合，由图7可见，修改后的Johnson-Cook强度模型中的温度项可以准确的描述5A06铝合金材料在不同温度条件下屈服应力变化趋势，拟合得到的参数m1=0.64，m=1.98。

图7　屈服应力随无量纲温度的变化趋势Fig.7 Variation of the yield stress with dimensionless temperature

基于对上述5A06铝合金材料力学性能的测试分析，得到了修改后的Johnson-Cook本构模型，其表示形式如下

(7)

其中,应变硬化项、应变率强化项及修改后的温度软化项的对应参数如表1所示。

表1　修改后的Johnson-Cook本构模型参数

2铝合金平板的水下冲击波加载仿真及验证

2.1数值仿真

基于有限元软件AUTODYN-2D，结合上文得到的5A06铝合金材料模型及参数，对非药式水下冲击波加载条件下铝合金平板的动态响应特性进行仿真及试验研究。仿真模型采用1/2轴对称形式，其中靶板的厚度为2 mm，受冲击部分半径为76 mm。仿真所用加载水舱及水的相关材料参数见表2，其中c表示常温条件下水中声速，具体仿真模型及网格划分形式如图8所示。仿真中水与靶板及加载水舱采用Euler-Lagrange耦合[12]。

表2　相关材料参数

图8　水下冲击波加载仿真模型Fig.8 Finite element model of the underwater explosive shock loading experiments

2.2结果讨论

水下冲击波加载强度为26.48 MPa时，靶板的动态变形历程如图9所示，其中0时刻为冲击波波阵面到达靶板位置时刻。由该图可见，在0.1 ms时，靶板的形状近似为类圆台型，但该类圆台的上表面并非为一平面，而是在离靶板中心25～50 mm位置处出现了一定的凹陷，该现象在试验中也可观察到。当靶板变形到0.2 ms时，靶板变形后产生的塑性铰中间区域基本平齐，此后靶板的变形主要以类圆台上表面的减少为主，直至成为类球冠形。当冲击波的作用时间超过0.4 ms后，靶板中心点的变形基本不再发生变化，此时靶板的变形主要为类球冠侧面的轻微扩张及振动，该现象与实验过程中高速相机拍摄到的结果基本相同。

图9　靶板动态变形历程Fig.9 Dynamic deformation history of target plate

数值仿真计算得到的靶板最终变形形貌与实验结果对比如图10(a)所示，其中δ为靶板的面外位移，R为靶板受冲击部分半径，δ/R表示靶板去除靶板受冲击部分尺寸效应后的面外位移。从该图可见，靶板的整体变形形貌基本相同。当水下冲击波加载强度分别为10.78 MPa和20.62 MPa时，数值仿真计算的靶板无量纲最终变形结果与实验测量的结果吻合良好。但当冲击波强度达到26.48 MPa时，仿真结果要明显小于实验测量结果，见图10(b)。靶板中心点的最大变形误差达到7.38%，造成靶板该项误差的主要原因为仿真过程中设置的边界条件为理想边界。而实验过程中，虽然在目标靶板外部加装了压板，但在较强水下冲击波作用下，靶板和压板之间仍然会出现一定的滑移，从而造成了数值仿真结果的偏差[13]。基于以上对比可以发现，利用改进后的Johnson-Cook本构模型得到的靶板变形仿真结果与实验结果吻合良好，从而验证了5A06铝合金材料参数的有效性。

图10　实验和仿真结果对比Fig.10 Comparison of the experimental and simulation results

图11为数值仿真得到的水下冲击波强度为26.48 MPa时靶板在不同时间点的典型变形历程，其中0时刻为冲击波波阵面到达靶板位置时刻。由该图可见，在0.1 ms时，靶板的形状近似为类圆台型，但该类圆台的上表面并非为一平面，而是在离靶板中心25～50 mm位置处出现了一定的凹陷。当靶板变形到0.2 ms时，靶板变形后产生的塑性铰中间区域基本平齐，此后靶板的变形主要以类圆台上表面的减少为主，直至成为类球冠形。当冲击波的作用时间超过0.4 ms后，靶板中心点的变形基本不再发生变化，此时靶板的变形主要为类球冠侧面的轻微扩张及振动。

图11　铝合金平板在水下冲击波作用下的变形历程Fig.11 Deflection profile evolution of a 5A06 aluminum alloy plate subjected to underwater shock loading

水下冲击波加载作用下靶板不同位置处加速度历程曲线如图12所示。其中0 mm位置为靶板的中心，0 ms对应冲击波达到靶板的时刻。由该图可见，在水下冲击波的作用下，靶板不同位置处的加速度历程存在一定的差异。其中，靶板中心位置处的加速度振荡较大，而其它位置处的加速度历程相对比较平稳，在0.05 ms时5A06铝合金平板的横向加速度达到了最大值，进而出现震荡。这是由于该水下冲击波的衰减时间常数约为0.045 ms，当冲击波逐渐作用到靶板上时，靶板的加速度增大，但随着反射波的产生，靶板受到了反向拉伸力的作用造成的。

图12　铝合金平板的加速度历程Fig.12 Acceleration histories of target plate

由局部放大图可见，在铝合金平板响应初期，各观测位置的加速度变化趋势基本相同，这表明加载冲击波在该时间段内保持了良好的平面性，在靶板的边缘并未出现明显的衰减。同时也可发现，冲击波波阵面到达靶板后，靶板的瞬时加速度增加到9×106m/s2，并在5 μs内降为负值，这说明随着冲击波加载强度的减弱，反射波的强度明显增强。

相应的靶板运动速度历程如图13所示。由该图可见，在0～0.03 ms时，靶板的运动速度出现了近似线性的增长。之后速度随着靶板加速度出现振颤而出现了较为明显的波动，该波动现象在靶板的中心位置尤其明显。当观测位置距中心点16 mm时，靶板的运动速度虽然也出现了明显的二次增加，但其幅度要明显减弱。同时，其它检测点处的靶板速度已逐渐趋于零，这说明靶板的整体变形结束后，中心区域出现了较强的二次拉伸变形，该拉伸区域的半径范围要大于16 mm，该现象在图12中得到了更为直观的体现。

图13　靶板不同位置处的速度历程曲线Fig.13 Velocity history of different locations

图14　靶板各检测位置的位移历程Fig.14 Deformation history of different locations

图14为靶板不同位置处的变形历程，可以看到，随着水下冲击波的加载，靶板各位置处的变形逐渐加大直至保持平衡。其中，在0.3 ms之后靶板中心位置处的变形量能够明显看出存在二次变形，该变形量产生的原因与靶板中心位置处速度的二次增加相同，均是由于靶板整体变形完成后，在靶板的中心区域出现了二次拉伸造成的。该现象的出现使得靶板中心点处的永久变形量增加了29%，而该二次拉伸变形对靶板其它位置的永久变形量影响很小，在距靶板中心56 mm处，该影响几乎为零。这说明该二次拉伸变形的作用位置主要集中在靶板的中心区域，即当冲击波的强度增加到一定值时，靶板的中心位置将会出现拉伸撕裂破坏。

3结论

通过常温、高温准静态拉伸及霍普金斯杆动态拉伸实验，对5A06铝合金材料的准静态、动态及高温本构关系进行了研究。实验结果表明：5A06铝合金的应变强化效应不明显，应变率敏感性较弱，但具有较强的温度软化效应，失效应变随温度的升高而增加。基于实验结果，对Johnson-Cook本构模型中的温度软化项进行了修改，并拟合得到了相关参数。

利用Euler-Lagrange耦合算法，结合5A06铝合金本构模型对水下冲击波作用下5A06平板的动态响应历程进行了模拟，仿真结果与实验结果吻合良好，验证了模型及参数的可靠性。进而获得了铝合金平板在水下冲击波作用下的动态响应特性。

参 考 文 献

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基金项目：国家自然科学基金资助项目(51509115;11372088);江苏省高校自然科学研究面上项目资助(15KJB580005);江苏科技大学学科建设项目

收稿日期：2015-04-07修改稿收到日期：2015-07-21

中图分类号:O347

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.14.012

Mechanical property tests and dynamic response analysis for 5A06 aluminum alloy plates subjected to underwater shock loading

REN Peng1, Tian A-li1, ZHANG Wei2, HUANG Wei2

(1. Jiangsu University of Science and Technology, School of Naval Architecture & Ocean Engineering, Zhenjiang 212000,China；2. Harbin Institute of Technology, Hypervelocity Impact Research Center, Harbin 150080,China)

Abstract:The mechanical properties and dynamic constitutive relation of 5A06 aluminium alloy material were investigated. The quasi-static and dynamic uniaxial tension experiments were conducted at the temperature ranging from 25 ℃ to 250 ℃ by using a universal testing machine and a split Hopkinson tension bar. As a result, the mechanical behaviors of 5A06 aluminium alloy under different temperatures and strain rates were obtained. Based on the experimental results, the temperature softening item of the Johnson-Cook strength model was modified and the material constants were calibrated by a combination of experimental tests and numerical simulations with the finite element software AUTODYN-2D. Finally, the dynamic response histories and dynamic responding characteristics of 5A06 aluminum alloy plates subjected to underwater shock loading were investigated by using numerical simulations. The results of numerical calculation agree well with the test results. It is shown that the numerical calculation model is reasonable and reliable.

Key words:solid mechanics; 5A06 aluminium alloy; mechanical properities; Johnson-Cook constitutive relation; dynamic response

第一作者 任鹏 男，博士，讲师，1984年3月生