两栖飞机铝合金的中低应变率力学性能

倪磊， 惠旭龙， 陈翠红， 张欣玥， 曾毅

(1.中航通飞华南飞机工业有限公司， 珠海 519040; 2.中国飞机强度研究所结构冲击动力学航空科技重点实验室， 西安 710065)

飞机在正常使用过程中会面临大量的外来物撞击威胁，如飞鸟、轮胎爆破及转子非包容产生的各种碎片等[1-3]。对于水陆两栖飞机，除上述外来物撞击威胁外，还需重点考虑在着/滑水过程中水面对飞机机体结构的冲击[4]。航空铝合金作为水陆两栖飞机结构最广泛使用的一种先进轻质材料，在着/滑水过程中铝合金结构的冲击变形一般处于中低应变率区间内，其中低应变率下材料力学性能及本构模型的准确性是开展着/滑水及其他响应分析的关键因素。因此，针对水陆两栖飞机上可能遭受水冲击部位所采用的铝合金材料，开展相关的研究工作获得准确的需求应变率下的材料力学性能及本构模型是非常有必要的。关于铝合金材料在各种应变率下的力学性能及本构模型，一些中外专家和学者开展了一些相关的研究工作。Lee等[5]利用Hopkinson 压杆对7075铝合金开展1×103～5×103s-1区间内及不同温度下的动态压缩试验，结果表明压缩应力、应变与应变率和测试温度有一定的相关性，提出了基于应变率、温度和率敏感性等多种因素的本构关系，能够合理地描述7075铝合金的动态冲击变形行为。李娜等[6]对3种铝合金2024-T351、7050-T7451和LY12-CZ进行了不同温度和应变率下的压缩和拉伸实验，发现3种铝合金材料随着温度的升高，其塑形流动应力会降低，应变率的敏感性会增加。Lin等[7]基于不同温度下的宽应变率压缩实验，提出一种修正模型来描述2124-T851铝合金流动应力、应变率与温度之间关系，修正模型预报的应力-应变曲线与实验结果基本一致。谢灿军等[8]针对7075-T6铝合金的动态力学性能研究表明该铝合金应变率强化效应较为显著，颈缩现象随着应变率的提高越明显。惠旭龙等[9]从应变率、热处理状态角度对2A16铝合金的率敏感性进行研究，发现2A16铝合金的热处理状态对率敏感性有一定的影响，但对于应变硬化效应影响不显著。Meysam[10]针对6061-T6铝合金开展了准静态和动态拉伸实验，发现6061-T6铝合金的屈服和极限强度、断裂伸长率和单位体积断裂能均高于已发表的文献中数据，修正Johnson-Cook模型提高了预测材料的拉伸失效应变的能力。张宇等[11]针对2024-T42铝合金开展不同应变下的拉伸实验以及本构研究，发现该铝合金具有较强的应变硬化效应以及较弱的率敏感性。冯振宇等[12]采用7075-T7351铝合金来标定铝合金材料3种本构及失效模型，3种模型均可准确表征铝合金塑性应变强化力学行为。Seidt等[13]研究了2024-T351铝合金在应变率(1×10-4～1×104s-1)和温度(-50～450 ℃)区间内的单轴拉伸和压缩以及纯剪切实验，确定了由拉、压、剪实验得到的应力-应变曲线，与基于J2流动理论的塑性模型的预测的曲线不一致。

尽管中外学者针对铝合金材料的力学性能及本构模型有一些研究，但主要研究成果并不能够完全涵盖飞机常用铝合金和研究需求的应变率区间。某大型水陆两栖飞机为了承受着/滑水等过程中的动态水载荷对船底结构冲击，船底/壁板蒙皮采用7475-T761铝合金，长桁采用7055-T76511铝合金，目前为止，鲜见在水上飞机所处于中低应变率区间内，关于7475-T761和7055-T76511铝合金的动态力学性能相关的研究报道。因此，在中低应变率区间内，即应变率从0.005～500 s-1研究7475-T761和7055-T76511铝合金的动态力学性能，现使用Johnson-Cook本构模型表征两种铝合金的塑性应变强化力学性能，并通过误差分析和实验仿真进行验证。

1 动态力学性能实验

1.1 准静态和低应变率实验

7475-T761和7055-T76511铝合金准静态和低应变率拉伸实验采用LE5105型电子式万能材料试验机(图1)，按照文献[14]中的方法开展，通过试验机自带传感器和在试件标距段安装接触式引伸计分别测得拉伸载荷和应变。

7475-T761和7055-T76511铝合金准静态和低应变率试件为扁平哑铃状(图2)，厚度分别为1.6、1.8 mm，每种材料分别进行两种应变率(0.005 s-1、0.05 s-1)下的拉伸实验，每个应变率重复3次。

图1 LE5105电子式万能材料试验机Fig.1 LE5105 electronic universal tensile test machine

图2 准静态和低应变率实验件尺寸Fig.2 Test piece size of quasi-static state and low strain rate

(1)

(2)

7475-T761和7055-T76511铝合金3次实验结果具有很好的一致性，图3给出了7475-T761在应变率0.05 s-1时3个试件的真实应力-应变曲线。

图4给出了应变率0.005 s-1、0.05 s-1下的真实应力-应变曲线，7475-T761和7055-T76511铝合金在塑性段均有一定的应变硬化效应。7475-T761铝合金试件断裂切口呈斜45°，表明发生剪切破坏且未表现出显著的颈缩现象，断裂试件如图5所示。7055-T76511铝合金试件断裂切口与拉伸方向垂直，表明发生拉伸破坏且未表现出显著的颈缩现象，断裂试件如图6所示。

图3 7475铝合金真实应力-应变曲线Fig.3 True stress-strain curves of 7475 aluminum alloy

图6 7055-T76511铝合金试件断裂图Fig.6 Fracture of 7055-T76511 aluminum alloy

1.2 中应变率实验

7475-T761和7055-T76511铝合金中应变率实验采用图7中的INSTRON VHS 160/100-20高速液压伺服试验机进行。因中应变率试件标距段尺寸不足以安装引伸计，故本次实验采用一种非接触方法(图8)，即在试件标距段实施数字散斑图像，并结合分析软件统计散斑场实验前后的差异性来获取试件的位移和应变数据。

7475-T761和7055-T76511铝合金中应变率试件如图9所示，厚度与准静态试件相同，各进行3种应变率(10、100、500 s-1)下的拉伸实验，每个应变率重复6次实验。图10给出了7475-T761铝合金在应变率100 s-1下6件试样的真实应力-应变曲线，最大均方根误差为9.9 MPa，表明试验具有较好的重复性。

将准静态实验对应的应变率0.005 s-1作为参考应变率来得到屈服应力，在该屈服应力位置将实验获得真实应力-应变曲线进行截取且应变进行归零来获得铝合金在0.005～500 s-1应变率区间内的真实应力-塑性应变曲线。

从7475-T761铝合金真实应力-塑性应变曲线(图10)可以看出，7475-T761铝合金应变硬化效应。

图7 高速液压伺服试验机Fig.7 High velocity testing system

图8 非接触分析系统Fig.8 The digital image correlation system

图9 中应变率实验件尺寸Fig.9 Test piece size of medium strain rate

较为显著图11给出了应变为0.02、0.04和0.07时该铝合金在各应变率下的流动应力关系曲线，表明当应变率从0.005 s-1增加至500 s-1时流动应力先轻微降低后随应变率增加。从该铝合金失效应变与应变率的关系曲线(图12)可以看出失效应变随着应变率的增加而明显增加。从应变率100 s-1下的试件断裂形貌(图13)来看，试件断口为剪切破坏，未出现明显的颈缩现象，与准静态和低应变率拉伸试验一致。

图10 7475铝合金真实应力-应变(塑形应变)曲线Fig.10 True stress-strain(plastic strain) curves of 7475 aluminum alloy

图11 7475铝合金不同应变率下的流动应力Fig.11 Flow stress of 7475 aluminum alloy under different strain rate

图14为7055-T76511铝合金的真实应力-塑性应变曲线，当应变增加时7055-T76511铝合金硬化效应较弱。图15给出了应变为0.02、0.04和0.07时铝合金在各应变率下的流动应力关系曲线，表明当应变率从0.005 s-1增加至500 s-1时流动应力亦随着增加，即表现出一定的应变率强化效应。图16中失效应变与应变率关系曲线表明失效应变随着应变率的增加先轻微降低后增加，说明该铝合金的韧性在低应变率下基本无变化，在中应变率下韧性会随应变率增加而提高。从应变率100 s-1下的试件断裂形貌来看，试件断口为拉伸破坏，未出现明显的颈缩现象(图17)，与准静态和低应变率拉伸试验一致。

图12 7475铝合金应变率-失效应变曲线Fig.12 Failure strain curve of 7475 aluminum alloy under different strain rate

图13 7475-T761铝合金试件断裂图Fig.13 Fracture of 7475 aluminum alloy

图14 7055铝合金真实应力-塑性应变曲线Fig.14 True stress-plastic strain curves of 7055 aluminum alloy

图15 7055铝合金不同应变率下的流动应力Fig.15 Flow stress of 7055 aluminum alloy under different strain rate

图16 7055铝合金应变率-失效应变曲线Fig.16 Failure strain curve of 7055 aluminum alloy

2 本构关系拟合

Johnson-Cook模型可以较为清楚地表达大部分金属材料应变和应变率强化效应，以及温度软化效应，非常适用于在冲击动力学分析与研究中描述金属结构材料从低应变率到中高应变率下的动态力学行为[15]。因此选择Johnson-Cook模型来拟合7475-T761和7055-T76511铝合金本构，具体方程表达式为

(3)

图17 7055-T76511铝合金试件断裂图Fig.17 Fracture of 7055-T76511 aluminum alloy

由于7475-T761和7055-T76511铝合金在0.005～500 s-1应变率区间内的动态拉伸实验在常温下开展，Johnson-Cook模型可不考虑温度对铝合金材料的影响，选取0.005 s-1为参考应变率，采用自编程序拟合获得Johnson-Cook本构模型A、B、n和C参数，具体参数如表1所示。

表1 Johnson-Cook模型参数Table 1 Parameters of Johnson-Cook model

3 Johnson-Cook本构模型验证

3.1 拟合误差分析

为验证拟合获得4个本构参数的合理性，对0.005～500 s-1应变率下Johnson-Cook本构拟合的真实应力-应变曲线与实验结果进行对比，两种铝合金的均方根误差如图18所示。7475-T761和7055-T76511铝合金本构参数拟合获得的曲线误差很小，

图18 Johnson-Cook模型拟合均方根误差Fig.18 RMSE of Johnson-Cook model

各应变率下流动应力拟合结果中最大均方根误差为13.7 MPa，表明拟合的本构方程对铝合金的流动应力-塑性应变特性能够准确表征。

3.2 有限元分析

拟合得到Johnson-Cook本构参数必须应用于工程实践才有意义，利用有限元软件LS-Dyna针对7475-T761铝合金模拟实验拉伸过程。试件采用四边形薄壳单元进行模拟，标距段两侧一定区间内单元尺寸为0.5 mm，其他位置为1 mm。为与实验进行更好的对比，按照实验中的约束及加载条件将模型下端固定，将各应变率下的试验恒定速度施加到端部，如图19所示。

在试件标距段中部位置提取截面内所有单元的应力、塑性应变值，取其平均值作为实验仿真的真实应力-塑性应变曲线结果。图20是仿真和实验获得的真实应力-塑性应变曲线对比，可以看出在应变率0.005～500 s-1下仿真与实验曲线一致性较好，表明拟合得到Johnson-Cook本构参数在工程实践应用的合理性。

图19 仿真约束及加载Fig.19 Simulation constraints and loading

4 结论

在常温下针对水陆两栖飞机船底壁板结构用的7475-T761和7055-T76511铝合金采用电子式万能材料试验机开展准静态及低应变率拉伸实验，采用高速液压伺服试验机开展中应变率动态拉伸实验，获得0.005～500 s-1区间内的铝合金应力-应变曲线，拟合和验证了Johnson-Cook本构模型。主要结论如下。

(1)在应变率0.005～500 s-1区间内，7475-T761和7055-T76511铝合金均呈现出了显著的应变率强化效应；从准静态向中应变率增加，7475-T761铝合金的失效应变随着增大，而7055-T76511铝合金先降低后增加。

图20 不同应变率下仿真与实验应力-应变曲线Fig.20 Simulation and experiment stress-strain curves under different strain rate

(2)在应变率0.005～500 s-1区间内，7475-T761铝合金具有一定的应变硬化效应，而7055-T76511铝合金应变硬化效应相对较弱。

(3)在应变率0.005～500 s-1区间内，从试件断裂形貌来看，7475-T761铝合金发生剪切失效，7055-T76511铝合金发生拉伸失效，两种铝合金均未出现明显的颈缩现象。

(4)拟合得到的Johnson-Cook本构模型能够较好地表征两种铝合金材料的动态力学性能，最大均方根误差为13.7 MPa。基于实验仿真获得的应力-塑性应变曲线与实验在应变率0.005～500 s-1下一致性较好。