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Ti80合金平板冲击响应与失效机理研究
| 论文题名： | Ti80合金平板冲击响应与失效机理研究 |
| 关键词： | 船舶与海洋工程;钛合金平板;低速冲击;水下爆炸;动力响应;失效机理 |
| 摘要： | 得益于低密度、高比强度、无磁性和耐腐蚀等优点,钛合金被广泛应用于船舶与海洋工程领域.目前,关于钛合金静力学性能的研究工作方兴未艾,有关其抗冲击性能的研究相对更为欠缺.因此,研究钛合金在冲击载荷下的动力学性能及其失效机理,可为钛合金在船舶与海洋工程领域的广泛应用奠定良好的基础.本文的主要研究工作如下: (1)采用落锤冲击试验机,开展了8组Ti80合金平板低速冲击试验.通过分析冲击响应过程和抗冲击性能,揭示了冲击能量对Ti80合金平板动响应的影响规律.采用数码显微镜,观察并甄别了Ti80合金平板的变形/失效模式.借助扫描电子显微镜和电子背散射衍射技术,研究了冲击能量导致Ti80合金微观组织的演变行为.试验结果表明,局部凹坑变形和整体塑性变形是 Ti80 合金平板主要的变形/失效模式,次生α相在Ti80合金产生塑性变形过程中起关键性作用. (2)建立了低速冲击载荷下Ti80合金平板动响应数值模型.基于试验结果,验证了数值模型的准确性.基于数值模型,深入分析了Ti80合金平板动响应过程,探讨了冲头形状、加筋形式、屈服强度和断裂能对Ti80合金平板动响应的影响特性.研究结果表明,锥形冲头会引起Ti80合金平板的冲塞破坏.冲击力峰值、冲头位移峰值和能量吸收量与屈服强度呈近似线性关系.断裂能越低,Ti80 合金平板的损伤程度越高. (3)开展了19组Ti80合金空背板水下爆炸试验.研究了冲击因子和热处理工艺对Ti80合金平板抗爆性能的影响规律.采用三维扫描仪和扫描电子显微镜,分析了试验后Ti80合金平板的变形/失效模式、大变形区域和断口处的组织容貌,揭示了冲击因子和热处理工艺对Ti80合金平板宏观变形和失效机理的影响特性.在本文研究的冲击因子范围内,Ti80 合金平板呈现出无明显塑性变形、整体塑性大变形、边界部分撕裂和边界完全撕裂4种典型的变形/失效模式.相比等轴和双态组织样件,魏氏组织样件的抗冲击性能最差. (4)基于有限元软件LS-DYNA,建立了水下爆炸载荷下Ti80合金空背板流固耦合模型.基于试验结果,验证了流固耦合模型的准确性.深入研究了水下爆炸载荷下Ti80合金平板的动响应过程和流固耦合效应.同时,分析了加筋形式对变形/失效模式的影响.研究结果表明,水下爆炸载荷对Ti80合金平板的加载过程分为初次加载和空化溃灭后的二次加载.强边界约束条件会限制Ti80合金平板的面内位移,导致破坏的发生. 本文研究工作为Ti80合金结构物在冲击环境下的实际应用提供了技术支撑. |
| 作者： | 叶昶 |
| 专业： | 船舶与海洋结构物设计制造 |
| 导师： | 程远胜 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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