6082-T6铝板型材静态力学性能及本构关系试验仿真分析
时间：2023-01-16 13:40:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
张琴敏，黄晓敏，郭然，陈所坤，陈东宇
（1.昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650500；
2.中铝国际云南铝应用工程有限公司，云南 曲靖 655335）
铝是地壳中含量最多的金属元素之一，铝相比于其他金属具有自身优点，低密度、色泽光亮、延展性好、耐自然腐蚀、强度范围广、易成型等优点。随着铝合金行业的发展，建筑、航空、制造、运输等部门早已把铝合金作为原材料用于生产建设。在建筑结构中常以钢筋混凝土和钢结构为主，自1940起，美国等西方国家就将铝合金用在土木工程中[1-4]。我国于2007年颁布了第一部铝合金结构规范GB 50429—2007《铝合金结构设计规范》[5]，推动了我国铝合金行业的发展，并衍生出2-7系铝合金牌号。近年来，国内越来越多的学者对铝合金展开研究[6-11]。在我国建筑业和制造业中，常以6系T6（耐机械加工）型铝合金为结构材料。6061-T6是目前国内铝合金建筑结构采用率最高的热处理强化合金，GB 50429—2007中铝合金使用标准也是基于对该铝合金的力学性能和本构关系进行理论及试验研究衍生到其他铭牌号的铝合金。6系铝合金中6082-T6铝合金是较新的型号，其焊接性、耐腐蚀性、挤压性能优异，相比于6061-T6铝合金，其名义屈服应力和抗拉强度分别提高了8%和17%[5]，在欧洲和美国等国家，该铝合金的应用非常广泛。我国最近几年才引入该型号铝合金，虽然已应用于运输业和制造业，但在建筑业应用较少。此外，在GB 50429—2007中没有对该铝合金的本构关系描述，只给出了部分力学参数标准值。因此，本文对建筑用6082-T6铝合金铝板构件进行准静态材性试验，对其力学性能参数和本构关系进行研究。
1.1 构件设计
通过拉伸试验可以获得材料的拉伸性能参数，为研究国产6082-T6铝合金由板材力学性能和本构关系，按照GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》设计比列试样，所有试样均取自于厚度为5 mm的6082-T6铝板，共10个试样，尺寸如图1所示。
1.2 试验加载方式
试验采用WDW-200电子万能试验机，实验环境为室温，拉伸变形采用与试样标距相同规格的引伸仪进行测量并配合电阻应变片测量应变变化情况，贴片方式为沿试样中间对称位置的横向和纵向各贴2片应变片（见图2）；
通过引伸仪的变形速率控制加载速度，控制材料纵向应变速率为0.7×10-4s-1左右，并控制应变区间为[0，1%]。
1.3 试验现象及结果
所有试样在拉断后断口处均有颈缩现象，但颈缩程度不如低碳钢拉断时显著。图3为部分试样拉断后的照片，均在标距内断裂。图4为所有试样真实的应力-应变曲线。
由图4可以看出，铝合金的拉伸应力-应变曲线均连续且趋势相同，相比于低碳钢，铝合金拉伸没有明显的屈服现象，大致分为4个阶段：（1）弹性阶段，应力应变为线性正比关系，峰值为比例极限即塑性应变为0.1%时对应的应力f0.1；
（2）弹塑性阶段及曲线拐弯，应力由比例极限到规定非比例延伸强度（f0.2）；
（3）应变硬化阶段，硬化指数n是影响该阶段变化规律的主要因素；
（4）破坏阶段，材料形变加快，应力达到最大值后略微下降，最后试件断裂。
根据GB/T 32498—2016《金属基复合材料 拉伸试验室温试验方法》，取试样面标距内3处截面积测量值的均值来计算应力。并获得所有试样的力学性能参数（弹性模量E、规定非比例延伸强度f0.2、比例极限f0.1、抗拉强度fu、断裂伸长率ef、泊松比υ、应变硬化系数n）的实测值。所有试样的力学性能参数实测值和统计值如表1所示。
表1 试件的拉伸性能测试和统计结果
1.4 力学性能参数统计
根据表1试样的弹性模量E、泊松比υ、断裂伸长率ef、f0.2/n的实测值与统计值的变化情况分析可知，所有试样的弹性模量E浮动稳定在70 GPa左右，均值为71.54 GPa与规范值（70 GPa）[5]误差为2.2%；
泊松比υ除了A1-3为0.41外，其余均在0.3左右，均值为0.31，与规范值（0.3）[5]仅相差0.01；
断裂伸长率均大于10%，最大值为15.4%，均值为13.8%，其延伸性能好，f0.2的概率分布函数的0.05分位值为264.03 MPa，与规范值（260 MPa）[5]相差4.03 MPa，且f0.2/n的变化没有规律，其浮动范围在[4.35，9.77]之间，文献[12]建议f0.2/n=10，其实测值和均值小于建议值。可以看出，本试验结果与规范值非常接近。
Ramber-Osgood幂硬化型本构模型[12]常用于材料的本构关系预测，其预估性与材料本构关系的实际情况接近。该模型被广泛用于本构关系的描述，其通用形式为：
式中：E——弹性模量，GPa；
fε0——惯用弹性极限，MPa；
ε0——对应的塑性变形；
n——材料应变硬化程度（非热处理铝合金的n取值范围约为8～15，一般热处理铝合金的n值大于20）[5]。其本质代表一条通过点（ε0+fε0/E，fε0）的光滑曲线。
以6061-T6为例来揭示硬化指数n对本构关系的影响作用，6061-T6的力学参数E=68.9 GPa，ε0=0.002，fε0=f0.2=240 MPa。如图5所示，其应力-应变曲线均经过点（0.54%，240 MPa），当n=1时，本构模型是一条经过P点的直线；
当n＞1时，本构模型为经过P点的连续曲线，曲线变化趋势受n影响，随着硬化指数n增大，本构模型曲线在P点左侧应力会逐渐变大且线弹性段斜率和弹性区间同时增大，P点左侧应力会减小并趋于平缓；
当n趋于无穷大时，模型曲线为双折线，即理想模型。一般热处理铝合金的硬化指数高于非热处理铝合金，热处理铝合金的硬化指数n取值范围为20～40。
2.1 两点法拟合
将惯用弹性极限fε0和对应的塑性应变ε0、另一应力fx和对应的塑性应变εx代入式（1），则硬化指数n可表示为：
参考点（fε0，ε0）、（fx，εx）的选取有很多种方式[12]。若fε0采用f0.2，则R-O模型表达式为：
式（3）是铝合金材料常用的本构模型。将f0.1和塑性应变0.1%代入式（3），得到铝合金小变形分析中硬化指数的常用两点法，表达式为：
式（4）的物理意义很明确且形式非常简单，nL的大小由应力比f0.2/f0.1确定。根据试验数据分析得到应力比范围为1.008～1.023，由式（4）求得应变硬化指数n取值范围（见表1）为30.381～77.368，均值为46.164。在获得材料弹性模量E，规定非比例延伸强度f0.2后，本构参数采取试验值，将试样的真实应力-应变曲线与其相应的R-O本构曲线对比可知：所有试样的真实应力-应变曲线与R-0模型曲线吻合度较高。以试样A1-5为例，对比效果如图6所示。在拐弯处，即弹塑性阶段，R-O本构模型曲线大于真实应力-应变曲线；
后应变硬化阶段，R-O本构模型应力略大于真实应力。本构参数E、f0.2采取标准值与真实应力-应变曲线对比发现，在弹性阶段R-O本构曲线与真实应力-应变曲线拟合较好，在弹塑性阶段和应变硬化阶段，R-O本构曲线都低于真实应力-应变曲线。
2.2 ABAQUS仿真
基于上述通过遗传算法获得的本构模型，为验证模型的准确性，通过工程软件Abaqus对试样进行拉伸试验仿真分析，控制应变范围在0～1%。有限元模型如图7所示，为减小仿真误差，网格划分时对危险部分进行加密，弹性模量、泊松比、延性损伤采用试验数据，约束模型底端6个自由度和上端5个自由度，通过控制上端纵向形变量控制拉伸，如图8所示。
对所有试样进行仿真试验，得到试样仿真力-位移曲线，变换后得到应力-应变曲线，与本构模型对比，仿真曲线与通过两点法获得的本构模型也基本吻合。以试样A1-5为例，其模型应力云图和运行结果和仿真拉伸试验的力-位移曲线如图9和图10所示。
将试样A1-5的仿真模型本构曲线与R-O本构模型对比，结果见图11。
由图11可见，弹性阶段，两者基本吻合；
塑性阶段，模型曲线高于仿真曲线；
塑性后期，模型曲线低于仿真曲线，在应变为1%时两者相差10.06 MPa。仿真曲线与真实曲线对比，在应变变化范围为0～1%时，仿真数据均略大于真实数据，在应变为1%时，两者相差3.57 MPa。由此可见，仿真数据与真实数据相差不大且通过两点法求得的本构模型同时适用于仿真试验。
（1）通过对国产建筑用6082-T6铝合金试样进行准静态拉伸试验，得到国产6082-T6铝合金试样的弹性模量E为71.54 GPa、泊松比υ为0.31、规定非比例延伸强度f0.2为295MPa、标准值为264.03 MPa，均大于规范值，误差分别为2.2%、0.01和4.03 MPa，与我国铝合金结构设计规范规定值接近。
（2）两点法计算6082-T6铝合金的应变硬化系数约为40，Steinhsrdt建议值大于规定非比例延伸强度f0.2与应变硬化指数n之比。6082-T6铝合金板材具有较优的抗拉强度和拉伸延性，但其弹性模量较小（约为钢材的1/3），在土木工程领域应用时需要重点关注其刚度影响。
（3）通过两点法获得6082-T6铝合金的Ramber-Osgood幂硬化型本构模型也适用于仿真实验，模型有较好的预测性，可用于工程中的材料本构关系描述。
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