双相钢激光焊接接头的动态变形行为及机理研究

当前汽车制造业对于车身轻量化和服役安全性的要求不断提高，使以双相钢（DP钢）为代表的先进高强钢（AHSS钢）在车身结构件上广泛应用。由于制造的灵活性和可靠性，激光焊接正在逐步取代传统焊接，将成为汽车制造中的重要焊接方式。汽车在生产和高速冲撞过程中，车身的部分结构件应变速率最高可达1000/s，焊接接头作为车身结构的重要组成部分同样也将承受动态载荷的作用，接头组织和性能的不均匀性会影响整个接头的力学性能和变形行为。本工作针对广泛应用于当今汽车制造领域的DP钢及其激光拼接焊接头，系统研究了应变速率对DP钢及其激光焊接接头动态拉伸变形行为的影响规律和机理，以进一步揭示动态载荷下其力学性能改变的本质。研究结果不仅可以为汽车车身材料DP钢激光焊接接头结构设计提供基于动态力学的理论依据，而且对于加快我国以“节能减排和保障驾乘安全”为标志的新一代汽车用AHSS钢的发展和应用具有重要的促进作用。研究发现，当应变速率超过10/s后，DP780钢的强度和应变硬化指数明显提高；塑性在30—500/s范围内出现大幅度增加的现象。高应变速率的变形过程中，铁素体基体中位错运动速度加快，导致“近程阻力”增大，使DP780钢的变形抗力随应变速率的增加而增大。在应变速率达到30/s之后，铁素体中可动位错数量的大幅度提高，是DP780钢均匀伸长率和断后伸长率在30—500/s范围内得以明显增加的主要原因。与母材相比，DP780钢激光焊接接头的变形行为对应变速率的敏感性更为显著。随应变速率的增加，DP780钢激光焊接接头的强度提高，塑性呈现整体下降趋势。在较低应变速率（<10/s）条件下，随应变速率增加，焊接接头的强度有所提高，但变化幅度不大，塑性降低相对较明显；当应变速率超过10/s后，强度的提高幅度增大，而塑性在应变速率10—100/s范围内有所恢复后继续降低。DP780钢激光焊接接头拉伸变形过程中宏观力学行为的应变速率敏感性主要取决于DP780钢母材在不同应变速率下变形行为及机制的改变。随应变速率的增加，DP780钢激光焊接接头断裂位置距焊缝中心线的距离显著降低，断裂位置由母材区转移至热影响区的软化区。动态载荷下，DP780钢激光焊接接头不同区域组织塑性变形行为应变速率依存性存在差异，是焊接接头断裂位置表现出明显应变率效应的本质原因。

DP钢激光焊接接头在冲压成形及碰撞过程中的变形行为直接影响汽车车身焊接构件的服役可靠性。本研究通过实验测试与理论分析相结合的方式，系统研究不同应变速率条件下DP钢母材及激光对接焊接头拉伸性能、焊缝成形性能的变化规律，确定动态载荷下焊接接头的断裂位置、拉伸变形吸收功与应变速率的关系；以实验结果为依据，明确应变速率对模拟焊接热履历的回火DP钢拉伸性能及变形吸收功的影响规律，阐明在不同应变速率变形过程中位错运动与马氏体回火程度（马氏体软化、碳化物析出含量及分布）的本质关系，构建动态载荷下DP钢激光焊接接头的变形及断裂机理模型。研究结果不仅可以为汽车车身材料DP钢激光焊接接头结构设计提供基于动态力学的理论依据，而且对于加快我国以节能减排和保障驾乘安全为标志的新一代汽车用AHSS钢的发展和应用具有重要的促进作用。

针对金属泡沫循环变形行为实验研究和本构描述方面的不足，通过系统的实验研究，了解材循环过程中的变形行为特征和演化规律，并讨论加载应力、孔隙率和孔洞结构的影响，揭示其循环变形变形的内在机理；基于实验揭示的规律，在多机制本构模型的框架下，将塑形变形分为基体材料变形和孔洞结构变形两部分，引入相对密度来反映位孔洞结构对变形行为的影响，建立一个基于变形机理的循环本构模型；基于周期性边界条件，对泡沫铝压缩行为进行有限元模拟，讨论了孔隙率、孔的形状、孔的分布对泡沫铝力学性能的影响。还对泡沫铝夹芯板的三点弯行为进行了有限元模拟，对泡沫铝拉压弹性模量差异对夹芯板变形行为的影响和粘合夹芯板在三点弯加载下的脱粘破坏行为进行了模拟和讨论。研究成果将完善泡沫金属材料的力学性能研究，对于促进泡沫金属结构件的设计和应用具有重要意义。

通过系统的细宏观实验研究，了解泡沫铝材料及其夹芯板复合结构的循环变形行为特征，观察泡沫铝材料在循环变形过程中的孔洞微结构演化情况，揭示泡沫铝金属循环变形行为的规律和循环变形的细观机理；通过细观有限元分析，研究微结构参数对泡沫铝宏观力学响应的影响；基于细观机理，在唯象粘塑性本构框架下，提出新的泡沫铝循环本构关系；结合泡沫铝循环本构关系和面板材料循环本构关系，利用有限元软件对泡沫铝夹芯板的循环变形行为进行数值模拟和分析。该研究针对泡沫金属及其复合结构的力学问题这一固体力学研究的热点和难点问题，研究成果将是对泡沫金属这一细观非均匀材料本构关系的重要突破，具有重要的理论意义；同时，研究成果可用于循环加载条件下泡沫铝结构的设计以及安全性和寿命评估中，对于促进泡沫铝在轻质化结构中的工程应用，具有重要的应用价值。

本项目围绕高速铁路散体道床力学行为、状态劣化机理及累积变形规律等关键科学问题，开展了道砟颗粒三维几何形态重构及其离散元模拟方法研究，道砟颗粒静态压碎力学行为及细观机理研究，道砟材料剪切力学行为的室内试验与离散元模拟，高速铁路道砟振动特性的室内试验与离散元模拟，400万次循环作用下散体道床累积变形与道砟劣化的1:1实尺模型试验研究，荷载工况和道砟参数对道床累积变形的影响机制与规律研究，高速铁路有砟轨道几何状态预测分析与控制方法研究。本项目研究建立了高速铁路道砟几何样本库和道砟离散元模型样本库，发展了铁路道砟力学性能试验技术，提出了综合运用离散元、有限元、车辆-轨道耦合动力学的散体道床力学行为模拟新方法与新技术。通过实验研究和数值模拟分析，获得了道床累积变形规律及道砟颗粒磨损与破损劣化统计数据，给出了道砟破碎力学行为的统计特性和细观力学机制，获得了含沙道砟、土工格栅强化道砟直剪力学性能与参数影响机制，揭示了行车速度、荷载条件、道砟级配以及格栅加固等对铁路道砟振动和累积变形的影响规律。项目研究还提出了有砟轨道道床不均匀沉降与钢轨变形映射关系的求解方法，给出了道床沉降导致的轨枕空吊以及车辆通过时轨枕与道床间动态的接触/空吊的状态阈值，提出了基于列车运行动力学品质的不平顺敏感波长及波深控制建议限值。项目研究成果为高速铁路有砟轨道工程设计与养护维修提供了理论支撑和应用参考，其中，关于有砟轨道不平顺的研究成果在中国铁路总公司技术标准《高速铁路有砟轨道不平顺谱》的制订中得到体现。 2100433B