轻薄型金属材料破碎机理及破碎模型研究

"轻薄型金属材料（壁厚 ≤10mm）破碎机理及破碎模型研究"旨在解决报废汽车及家用电器的再生循环利用问题。为提高报废汽车及家用电器的回收处理水平，轻薄型金属材料的破碎机理及模型成为亟待深入细致研究的新问题。本项目的成功研究，将为建立具有我国自主知识产权的轻薄型金属材料破碎理论体系奠定基础。.损伤模式研究：以理论分析及计算机仿真为指导，研究轻薄型金属材料可能产生的各种破碎损伤模式；机理研究：以损伤模式为依据，研究冲击载荷作用下轻薄型金属材料初始细观缺陷失稳、扩展、直至宏观断裂的机制，用有限元法研究轻薄型金属材料细观和宏观层面的碎断行为特点，探讨Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型及复合型裂纹对轻薄型金属材料破碎的影响及贡献规律，寻找影响轻薄型金属材料碎断的敏感因素，研究宏观损伤变量表征细观损伤综合效应的方法；模型研究：研究细观及宏观层面的轻薄型金属材料破碎模型，研究模型与破碎过程物理参数间的相互关系及模型表征方法。

在破碎过程研究基础上，对轻薄型回收金属覆盖件进行摆锤式冲击破碎试验、拉伸试验、裤形反平面撕裂试验、拉伸及撕裂试件断口扫描电镜观测及相关破碎基础理论的研究分析。研究表明，在轻薄型金属材料破碎过程中，Ⅰ、Ⅲ型反平面撕裂起到了主要破坏作用，轻薄型金属材料的撕裂破坏过程可分为起裂、扩展及断裂三个阶段；三裤腿反平面撕裂试验所获得的载荷位移曲线变化趋势表明，试样起裂前后所需载荷较大，扩展过程中载荷逐渐减小，说明轻薄型金属的撕裂破碎需要突破某一临界状态。.通过拉伸试验，将材料的本构关系简化为双线性模型。通过破碎试验过程分析，将其划分为初始、中间、终了三个阶段；在三个阶段中，轻薄型金属材料发生了局部凹陷、整体弯曲和局部折弯变形，在凹陷变形处失稳、扩展、贯穿的裂纹不断扩展，直至大块的轻薄型回收金属被从其母体上撕裂下来。能量分析表明：整个破碎工具的能量主要被回收金属的弹塑性变形和破碎所消耗；通过简化模型，计算得到三部分弯曲变形的弹塑性弯曲功和回收金属破碎功。结果表明报废汽车回收金属破碎过程中，破碎工具的能量仅有部分用于回收金属破碎。.根据拉伸试验应力应变关系曲线变化趋势与理想弹塑性材料基本一致的现象，将材料简化为理想弹塑性模型；裤形撕裂试验所获得的载荷—位移曲线变化趋势表明试样起裂前后所需载荷较大，扩展过程中载荷逐渐减小；对反平面撕裂过程研究可知，在载荷作用下裂尖塑性区逐渐向外扩展，当其达到最大尺寸后，随着载荷继续增加，裂纹则开始扩展，而塑性区也逐渐向前推移直至试样断裂。裂纹尖端场的解表明起裂前及扩展过程中尖端应力应变场均存在奇异性，且扩展过程中尖端场奇异性比起裂前弱，即起裂前裂尖的应力应变集中程度比扩展过程中要大，这表明裂纹在起裂阶段比扩展阶段所需载荷更大。.利用非线性有限元分析工具，对报废汽车轻薄型回收金属覆盖件的破碎试验过程进行了数值仿真，并对仿真模型及方法进行了修改和完善，最终得到一整套适合于轻薄型金属材料破碎过程仿真研究方法。研究表明：报废汽车轻薄型回收金属破碎试验结果与该过程的计算机仿真结果非常接近，完全可以使用相同的仿真方法对其它轻薄型金属材料的破碎过程进行仿真分析。利用上述仿真理论及方法，对载重汽车槽形断面主梁、多层箱式轻薄型金属材料、带窗轻薄型金属矩形箱体、轻薄型金属材料撕裂等破碎过程进行了大量计算机仿真，得出了与试验结果类似的结论。