基于GTN模型的20钢孔洞扩张比数值模拟

孔洞扩张比VG可以作为描述钢材损伤时微孔洞演化情况的细观损伤变量,GTN模型可用于金属塑性材料的细观损伤有限元模拟。应用GTN模型模拟20钢圆棒型缺口试件拉伸过程的不同阶段,得到细观损伤参量应力三轴度Rσ、等效塑性应变εp、孔洞体积百分数f及孔洞扩张比VG在试件中心截面的变化规律。结果表明:在整个拉伸过程中,上述参数的数值随着载荷的增加而增大,且εp对VG的影响较大。当试件断裂时,试件缺口截面中心位置的细观损伤参量值大于缺口根部的值,此时20钢的临界孔洞扩张比VGC为3.134。     

3D-C/SiC复合材料的高温拉伸性能

研究了 3D C/SiC复合材料从室温到 15 0 0℃真空条件的拉伸性能。试验材料用T30 0碳纤维编织为三维四向编织体 ,编织角为 2 2° ,用CVI法在 95 0℃～ 10 0 0℃沉积热解碳界面层、SiC基体。最终得到纤维体积分数约为4 0vol%、热解碳界面层厚度约 0 .2 μm和空隙率为 17vol%的复合材料 ,表面SiC涂层厚度为 5 0 μm。试验在超高温拉伸试验机上进行 ,真空度为 10 -3 Pa ,夹头位移速率为 0 .5 95mm/min。结果表明 ,拉伸应力 应变曲线是非线性的 ,大部分拉伸曲线基本由三段折线组成 ,对应着三段模量。第一阶段的模量和基体裂纹饱和应力对应的应变εsa 基本不随温度的升高而改变 ;第二和第三阶段的模量、损伤开始应力σmc、基体裂纹饱和应力σsa、断裂应力σf 和损伤开始应变εmc随温度有相似的变化规律 ,即随温度升高而增加 ,在 110 0℃ ～ 130 0℃范围内出现最大值 ,尔后随温度增加而下降 ;但是断裂应变的变化规律正好与此相反。试样机械加工后 ,由于残余应力部分得到松弛 ,并去除了表面SiC涂层开裂后引起的应力集中 ,因此材料断裂强度和断裂应变明显升高。高温和室温的拉伸断裂应变小于0 .6 % ,不能有效地松弛材料切口处的应力集中。测量了拉伸过程中试样的电阻相对变化率 ,它与载荷的关系曲线总的走势与拉     

截面形状对材料微孔洞损伤破坏的影响

为探讨截面形状对金属材料微孔洞损伤破坏的影响,针对圆形、矩形横截面缺口试样进行了拉伸破坏、预拉伸低温冲断试验,断口扫描电镜观察及有限元计算;用细观力学模型计算了缺口试样断裂时微孔洞长大体积率沿断口的分布和断口的起裂位置,并模拟了断口上起裂处微孔洞长大。结果表明：截面形状对材料微孔洞损伤演化有较大的影响,圆形、矩形横截面缺口试样断裂时起裂处微孔洞长大体积率相差较大,微孔洞长大的临界值不是材料常数;用R-T模型、GTN模型模拟非轴对称三轴应力状态下材料微孔洞损伤演化有较大的误差。     

CrMnFeCoNi高熵合金拉伸断裂的晶体塑性有限元模拟

CrMnFeCoNi高熵合金的优异力学性能使其具有广阔的工程应用前景。材料力学行为的本构描述对其工程服役行为的安全评估至关重要,但是描述CrMnFeCoNi高熵合金拉伸断裂行为的本构模型少见报道。基于晶体塑性本构模型,利用Cohesive单元在多晶代表性体积单元内部植入含损伤破坏机制的晶界,模拟了CrMnFeCoNi高熵合金在单轴拉伸下的晶间断裂过程。模拟结果与试验所得的应力-应变曲线吻合较好,且能准确描述断裂发生时的应力下降过程,说明采用晶体塑性本构模型与Cohesive本构模型可以有效描述材料的宏观响应行为和断裂失效行为。进一步分析表明：裂纹从应力集中处开始萌生;随着应变的持续增加,裂纹沿着晶界扩展,最终造成断裂;晶粒随机取向对裂纹萌生位置与扩展路径有显著影响,但对宏观拉伸应力-应变曲线几乎没有影响。     

平面应力状态下铝合金板的织构演化规律

为掌握铝合金5052织构演化规律,通过双向拉伸试验模拟铝合金板材受平面应力作用下的单向拉伸、平面应变、等双拉三种典型应变状态,获得取向分布函数并进行了定量分析.结果表明:该板材中轧制织构密度普遍较弱而再结晶织构立方取向、R取向及D取向密度较强;在不同应力状态下织构随着应变比绝对值增加而聚集;织构体积分数随应变比的变化不大,随机织构占有较大的体积分数.     

低应力三轴度下孔洞行为的有限元研究

基于有限元计算研究了低应力三轴度下,三维孔洞体胞模型的应力应变分布规律和变化趋势,分析了孔洞和基体体积的变化规律,指出用孔洞体积分数表征材料损伤的理论在低应力三轴度下的应用存在局限性。引入断裂应变作为单元失效判据,通过比较单轴拉伸试验和模拟结果,验证了其在材料失效模拟中的可靠性。最后将断裂应变应用到有限元模拟中获得不同应力三轴度下基体失效时的临界等效塑性应变,以临界等效塑性应变为表征参量研究孔洞变形规律和材料的失效行为。     

6N01铝合金中厚板三点弯曲变形行为的数值模拟

通过拉伸试验获得T5热处理态6N01铝合金中厚板的拉伸性能和应力-应变曲线,在此基础上采用ANSYS-LSDYNA有限元软件对其三点弯曲变形行为进行了数值模拟,并进行了试验验证。结果表明:不同厚度铝合金板的拉伸性能不同,且与厚度的关联性不强;三点弯曲过程中不同节点位置的应力三轴度变化不大,模拟得到的弯曲极限角在150°到154°之间,与试验结果符合;用所选的材料模型和基于应力三轴度得到的失效应变准则可以模拟铝合金中厚板的弯曲行为。     

铝合金薄壁方管轴向冲击变形及断裂行为研究

对6016铝合金进行单向拉伸试验,分析不同应变速率对铝合金力学性能的影响,建立了6016铝合金Johnson-Cook本构模型及其断裂应变模型,并对铝合金薄壁方管轴向冲击载荷下的吸能特性进行分析,研究铝合金方管的壁厚、长度和冲击速度对其吸能特性的综合影响。结果表明,铝合金流动应力对应变率敏感性较低,但断裂应变对应变率具有一定的敏感性。在轴向冲击载荷下,铝合金薄壁方管出现渐进屈曲变形,具有较好的吸能特性。但随着厚度、长度和冲击速度的增加,铝合金方管容易出现混合变形模式,吸能特性有所降低。     

7075T651铝合金板材内部初始残余应力分布研究

针对材料内部残余应力分布的传统剥层测量方法,对底部贴片的剥层法进行改进,通过测量底部释放的应变,结合有限元方法模拟残余应力释放过程中得到的各剥除层的应变释放系数,计算出了剥除层释放的残余应力。运用弹性力学理论推导得到了材料内部初始残余应力的修正公式。随后基于两种方法对典型7075T651航空铝合金预拉伸板的内部残余应力进行了测量,并对测量结果进行了分析和比较。结果表明,改进法能够有效评估材料内部初始残余应力分布规律,但是在个别深度处测量精度有待进一步提高。     

航空铝合金7050-T7451毛坯初始残余应力测试

为提高裂纹柔度法测试铝合金预拉伸板材毛坯初始残余应力的测试效率和测试精度,从应变采集精度和柔度函数计算效率等方面展开研究,采用基于ABAQUS有限元软件Load Case功能对柔度函数的算法进行了优化。对铝合金预拉伸板7050-T7451的毛坯初始残余应力进行了测试,建立了裂纹柔度法残余应力高效、高精度测量的测试规程,给出了突发状况应对机制。结果表明:柔度函数的计算效率得到显著提升,获得了该板材轧制方向和横向方向的残余应力均呈明显"M型曲线"的分布规律。     

Cracking evolution behaviors of lightweight materials based on <Emphasis Type="Italic">in situ</Emphasis> synchrotron X-ray tomography: A review

Damage accumulation and failure behaviors are crucial concerns during the design and service of a critical component, leading researchers and engineers to thoroughly identifying the crack evolution. Third-generation synchrotron radiation X-ray computed microtomography can be used to detect the inner damage evolution of a large-density material or component. This paper provides a brief review of studying the crack initiation and propagation inside lightweight materials with advanced synchrotron three-dimensional (3D) X-ray imaging, such as aluminum materials. Various damage modes under both static and dynamic loading are elucidated for pure aluminum, aluminum alloy matrix, aluminum alloy metal matrix composite, and aluminum alloy welded joint. For aluminum alloy matrix, metallurgical defects (porosity, void, inclusion, precipitate, etc.) or artificial defects (notch, scratch, pit, etc.) strongly affect the crack initiation and propagation. For aluminum alloy metal matrix composites, the fracture occurs either from the particle debonding or voids at the particle/matrix interface, and the void evolution is closely related with fatigued cycles. For the hybrid laser welded aluminum alloy, fatigue cracks usually initiate from gas pores located at the surface or sub-surface and gradually propagate to a quarter ellipse or a typical semi-ellipse profile.     

7075铝合金板预拉伸工艺研究

采用直接热力耦合的方法,引入7075铝合金高温下的流变应力特征曲线,对不同厚度的7075铝合金板材在实际淬火工艺下的淬火过程进行数值模拟,揭示铝合金板材淬火残余应力分布规律;考虑铝合金板材拉伸过程中的实际夹持方式,对不同厚度7075铝合金板材实际拉伸过程进行数值模拟,分析对比拉伸后残余应力分布规律,并对拉伸工艺进行优化,确定最佳拉伸率和锯切量,揭示厚度变化对淬火残余应力、拉伸后残余应力以及锯切量的影响规律.利用钻孔法对实际拉伸的7075铝合金板材进行拉伸后残余应力的试验测试,数值模拟结果与试验测试结果相吻合.研究结果表明,随着厚度的增加,淬火残余应力、最佳拉伸率以及锯切量都相应增大,锯切量中过渡区长度为板材厚度的60％～70％.     

6061-T651铝合金动态力学性能及J-C本构模型的修正

为合理描述6061-T651铝合金的应力流动行为,利用万能材料试验机和霍普金森压杆,分别进行准静态、高温和高应变率下的材料力学性能测试,获得材料在不同条件下的应力应变曲线。基于试验结果,修正Johnson-Cook本构模型得到MJC(Modified Johnson-Cook)模型,并标定MJC模型各项参数。为校验MJC模型及参数的有效性,利用一级气炮发射直径为5.95 mm的圆柱弹体冲击刚性靶的Taylor杆试验以及直径为12.68 mm的刚性弹撞击厚度为2 mm靶板的试验。最后,采用ABAQUS/Explicit有限元软件建立Taylor杆和弹靶冲击试验的三维模型,基于MJC本构模型进行Taylor杆冲击、以及结合MMC(Modified Mohr-Coulomb)断裂准则进行弹靶冲击的数值模拟计算。研究结果表明,修正的MJC本构模型能够有效地描述6061-T651铝合金材料在大应变、高应变率和高温下材料的应力流动行为和变形行为。     

Application of the GTN model to predict the forming limit diagram of IF-Steel

Forming limit diagrams (FLDs) are extensively used in industries, particularly the auto industry. The establishment of these diagrams using a predictive approach can lead to reduction in both cost and time. In the present work, Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN), a porosity-based model, was used to predict the FLD of an interstitial-free steel via finite element simulation. Optimum values of the GTN model were obtained by applying a response surface methodology (RSM) based on central composite design. Results show that RSM is a good method for an appropriate determination of the GTN model parameters, such as initial void volume fraction, effective void volume fraction, critical void volume fraction, and final void volume fraction. Furthermore, the experimental FLD of the specimen steel was considerably predicted using the obtained GTN model parameters.     

剪切修正GTN模型在小冲杆试验中的应用研究

小冲杆试验作为一种非标准的微试样测试技术,能有效地获取薄板结构的材料参数。而选用合适的损伤模型对准确表征材料变形到断裂的整个过程有着重要影响。基于NAHSHON提出的含剪切修正项的Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)模型,通过有限元软件ABAQUS及用户自定义子程序VUMAT考察不同应力三轴度对断裂失效的影响。采用有限元模拟和拉伸试验获得冷轧硅钢材料的无损伤弹塑性力学参数以及GTN损伤演化模型中的形核参数和临界断裂参数,通过纯剪切试验和数值模拟的对比确定出材料中微孔洞的剪切变形对材料损伤演化的贡献。运用剪切修正的GTN模型对小冲杆试验进行模拟,结果表明,由于修正GTN模型考虑了微孔洞剪切畸变的对材料损伤影响,模拟结果比原GTN模型更接近于试验数据,可更好地应用于小冲杆试验的研究。     

30CrMnSiA钢板表面塑性损伤的细观机理研究

采用单向拉伸试样，研究了３０ＣｒＭｎＳｉＡ钢板分别沿轧制、宽度两个方向拉伸时表面塑性损伤的发展规律。通过扫描电子显微镜观测表明，表面塑性损伤的细观机理是表面空穴形核、扩张和聚合的过程。随着塑性应变的增大，表面空穴的形核是按多级规律进行的，其总体平均意义下的面积百分数是单调增长的，且增长的速率逐渐加快。文中还提出一个表征板材抗表面损伤特性的材料参数。     

延性材料损伤孔洞尺寸效应探讨

应用有限元方法 ,对延性材料孔洞型损伤中的尺寸效应问题进行尝试性探讨。考察具有相同初始孔洞体积分数 f0 、不同孔洞尺寸 (半径比为 2 :1.6 :0 .96 )的延性材料中 ,孔洞尺寸对表征材料损伤程度的孔洞体积分数 f演化过程的影响。结果发现 :在较低应力状态下 ,孔洞尺寸的差异 ,对孔洞增长的快慢影响较小 ;但在裂纹试件所对应的高应力状态下 ,这种影响很突出 :大尺寸孔洞加速了材料中孔洞体积分数 f的增长 ,加剧了材料损伤。所以降低材料中孔洞或颗粒尺寸有助于其延性、尤其是断裂韧性的提高     

Influence of porosity on cavitation instability predictions for elastic–plastic solids

Cavitation instabilities have been found for a single void in a ductile metal stressed under high triaxiality conditions. Here, the possibility of unstable cavity growth is studied for a metal containing many voids. The central cavity is discretely represented, while the surrounding voids are represented by a porous ductile material model in terms of a field quantity that specifies the variation of the void volume fraction in the surrounding metal. As the central void grows, the surrounding void volume fractions increase in nonuniform fields, where the strains grow very large near the void surface, while the high stress levels are reached at some distance from the void, and the interaction of these stress and strain fields determines the porosity evolution. In some cases analysed, the porosity is present initially in the metal matrix, while in other cases voids nucleate gradually during the deformation process. It is found that interaction with the neighbouring voids reduces the critical stress for unstable cavity growth.