材料损伤开裂的数值模拟方法

针对数值模拟材料损伤开裂的现有方法——空单元技术和嵌入过程区中结点力释放方法,提出了释放空单元内结点力的新模拟方法,既可解决原有空单元技术未曾明确的残余应力的释放问题,又可避免采用嵌入过程区方法时所引入的大量重叠结点。己有算例表明,本方法具有模型简明,操作便利的特点。     

高密度聚乙烯材料在大变形条件下的数值模拟研究

针对高密度聚乙烯(HDPE)在大变形条件下有限元模型不易收敛、本构关系较为复杂的问题,对HDPE片材进行了单轴拉伸试验和数值模拟研究。通过对比试验结果和模型计算结果发现:非线性粘弹性本构模型与小变形条件下HDPE的单轴拉伸试验结果较为吻合,但与大变形条件下的试验结果相差较大;而Kwon模型的计算结果与大变形和小变形条件下的试验结果均较为吻合。同时,对Kwon模型的参数选择进行了优化,得到了100mm/min和150 mm/min拉伸速率下的优化参数,对大变形下片材的数值模拟具有较好的参考价值。此外,通过对条带单元的应力应变分析,可知HDPE条带在单轴拉伸下的应力应变呈不均匀分布,中心点区域是片材最大应力应变的集中点,这也解释了HDPE条带断裂多出现在中心区域的原因。     

板材激光弯曲成形数值模拟的研究现状及展望

板材的激光弯曲成形是一种利用高能激光束扫描金属板材表面产生非均匀分布的热应力,从而使板材发生塑性变形的金属板材柔性成形新工艺.数值模拟已逐渐成为板材激光弯曲成形研究中的热点内容.综述了近年来国内外对激光弯曲成形过程的温度场及变形场进行数值模拟的研究现状,并对其应用范围和发展前景作了展望.     

复合材料叠层板横向开裂的研究

在Talreja提出的研究复合材料横向开裂的损伤力学方法的基础上,文中引进了一种更合理的计算约束系数的方法,并将其用于研究复合材料叠层板的横向开裂,预估了其弹性模量的变化。经试验结果的验证,其理论的预估结果是正确的。     

板材超塑性拉延过程的数值模拟

板料超塑性成形是一种全新的成形方法.用刚塑性有限元法对Zn-22Al合金U形拉延过程进行了数值模拟,分析了变形过程中工件的应力、应变、摩擦和厚度分布,揭示了成形过程中金属的塑性变形规律,为成形工艺设计提供了有效的分析工具.     

预裂爆破数值模拟及其应用研究

将所建立的岩石动态损伤模型嵌入到DYNA程序的用户材料子程序中,对预裂爆破中不耦合装药条件下的爆破过程进行了数值计算,并通过实验对数值模拟结果进行了验证和校核,所得结果与理论分析基本吻合。     

基于格构模型的岩石类材料开裂数值模拟

采用二维格构模型模拟岩石类材料的开裂过程。格构模型将连续介质离散为由弹性杆或梁单元组成的二维格构网格,单元采用简单的本构关系和破坏准则,单元之间的参数可互有差异,以引入材料的非均质性。在外载作用下对整体网格进行线弹性分析,计算出格构中各单元的局部应力,超过断裂阈值的单元将破坏,材料的破坏过程通过单元的依次破坏来模拟。使用格构模型分析了单轴拉伸破坏和单边切口梁的剪切破坏。数值模拟结果表明,格构模型可作为岩石、混凝土类材料开裂分析的一种有效方法。     

椭圆孔扩孔性能的实验研究

通过对椭圆孔的扩孔实验，认为椭圆孔的扩孔性能与其长短轴的比例有关．在长短轴比ａ／ｂ不大于１．２时．对扩孔性能的影响不大．但当ａ／ｂ大于１．２时．对扩孔性能影响较为显著。     

聚碳酸酯透明板材的高温力学行为实验研究

在温度为175～200℃、应变率为0.001～0.1s-1的范围内通过Meissner新型拉伸流变仪对聚碳酸酯进行了恒应变率下的高温单轴拉伸实验.结果表明:聚碳酸酯的高温力学行为具有明显的温度效应和应变率效应,其真应力-真应变曲线存在明显的非线性.     

晶圆边缘离子平均入射角度数值模拟研究

针对晶圆边缘非垂直刻蚀剖面问题,对300mm双频容性耦合等离子体刻蚀机晶圆边缘离子平均入射角度的分布特性进行了数值模拟研究。采用流体动力学模型求解等离子体宏观特性,氩气作为工艺气体,以一个射频周期内平均离子通量的矢量方向近似为离子平均入射角度,研究发现:边缘效应导致的晶圆边缘鞘层畸变是引起离子平均入射角度偏斜垂直方向的主要原因;晶圆外伸量与可利用半径近似呈负相关关系,且只会影响晶圆边缘向内约10~15mm区域的离子平均入射角度分布;上接地板半径和喷淋头半径影响范围较大,在晶圆半径超过100mm外均有较大影响;适当增大上接地板半径有利于提高离子平均入射角度的垂直性和增大晶圆的有效利用面积,而喷淋头半径在略小于晶圆半径时较佳。     

拉伸状态下碳纤维复合材料T型接头的断裂行为

建立了碳纤维复合材料T型接头数值模型,模拟了其在拉伸载荷下的损伤产生、扩展及失效过程,并对碳纤维复合材料T型接头试件进行了静态拉伸试验。结果表明,接头的初始损伤载荷为9.8~12.0 kN,损伤发生后接头的载荷值发生突降（降低约27%~38%）,此时接头仍具有一定承载能力;试件完全脱胶载荷较初始损伤载荷略有降低（载荷范围为8.0~8.6 kN）。数值计算和试验结果吻合,结果均显示填料区是碳纤维复合材料T型接头最薄弱的部位,易发生破坏;填料区破坏后裂纹迅速向填料区周围的胶层扩展,导致胶层的剥离,这是导致碳纤维复合材料T型接头失效的最主要原因。     

Numerical simulation of residual stress relaxation around a cold‐expanded fastener hole under longitudinal cyclic loading using different kinematic hardening models

Cold expansion of fastener holes creates compressive residual stresses around the hole. This well‐known technique improves fatigue life by reducing tensile stress around the holes. However, cyclic loading causes these compressive residual stresses to relax, thus reducing their beneficial effect. Estimation of the fatigue life without considering the residual stress relaxation might lead to inaccurate results. In this research, numerical studies were carried out using 2D finite element (FE) models to determine the initial tangential and radial residual stress distributions generated by cold expansion and their relaxation under cyclic loading. To predict the stress relaxation, four nonlinear kinematic hardening models were applied in simulation of stress/strain path. The results obtained from the FE analysis were compared with available experimental results. A good agreement between the numerical and experimental results was observed.     

冲裁工艺对超高强钢边部拉伸性能影响的试验研究

目的 冲裁加工后的超高强钢板材在成形过程中会因边部开裂而显著影响生产的稳定性,针对这一问题,对超高强钢板材冲裁边部开裂行为的影响因素进行研究.方法 选用 DP980 与 QP980 材料,采用模具冲裁拉伸试样,用 DIC 的剪切边拉伸试验研究了不同的冲裁间隙以及打磨试样边部、模具磨损情况对超高强度钢力学性能和边部拉伸能力的影响,并采用 DIC 方法追踪拉伸试验的断裂过程,分析边部裂纹的扩展过程和断口形貌.结果 通过对比试验结果发现,冲裁试样很容易发生边部开裂,冲裁间隙越大,断裂时刻越提前,断裂伸长率越小,边部成形性能越低,在冲裁间隙为材料厚度的9%～10%时,2 个钢种断裂应变均最大,边部拉伸性能相对优异,材料的边部断裂也容易受到轧制方向的影响,边部断裂最先沿着轧制方向出现在边界处.模具磨损使冲裁的试样在拉伸试验过程中更容易断裂,打磨冲裁试样边部可以提高拉伸性能.在断裂形式上,2 个钢种的冲裁试样均容易从边部开裂,QP980 形成横-斜裂纹,冲裁间隙增大使横向裂纹变长,而DP980 试样断口则均为斜裂纹.结论 相同强度等级QP980 钢和DP980 钢均对冲裁边敏感,冲裁边对边部拉伸性能的影响较大,可以通过选择良好的模具工况、合适的冲裁工艺参数以及增加打磨工艺等,提高材料的力学性能和边部拉伸性能.     

Micromechanics modelling of ductile fracture in tensile specimens using computational cells

This study extends the computational cell framework to model ductile fracture behaviour in tensile specimens. In the computational cell model, ductile damage occurs through void growth and coalescence (by cell extinction) within a thin layer of material located well inside the fracture process zone for the ductile process. Laboratory testing of a high strength structural steel provides the experimental stress–strain data for round bar and circumferentially notched tensile specimens to calibrate the cell model parameters for the material. Numerical simulations employing the micromechanics model reproduce the essential features of the ductile behaviour for the tensile specimens, including the development of intense necking and void growth in the centre of the specimen cross section. The resulting methodology enables the detailed study of ductile failure in small‐scale tensile specimens.     

Identifying the residual stress field developed by hole cold expansion using finite element analysis

The split sleeve cold expansion process is a cost effective method of enhancing the fatigue performance of aircraft fastener holes. However, the 3‐D nature of the induced residual stress fields is not fully understood. For this research, 2‐D and 3‐D models with uniform hole expansion and 3‐D models with expansion produced by contact with a rigid mandrel were developed. The models’ relative capabilities of capturing the residual stress fields were then evaluated. The residual stress profiles varied significantly through the thickness of the workpiece and were also strongly influenced by the direction of mandrel motion. Therefore the uniform expansion models were inadequate. The 3‐D contact models indicate that the mandrel entry face is the critical fatigue location, reporting the lowest circumferential compressive stresses adjacent to the hole. The effect of varying the frictional coefficient and plastic hardening laws were also investigated using the 3‐D contact models.     

5A06管材力学性能测试及其缩口成形性的有限元分析

目的研究直径Φ20 mm、壁厚2 mm的5A06铝合金管在单向拉伸试验下的表现以及其在外支承球形缩口成形中的变形特点。方法利用管材准静态单向拉伸试验测试其力学性能,获得真实应力-应变曲线,再结合有限元软件ABAQUS分析管缩口成形的应力应变特征。结果 5A06管在拉伸中表现出良好的应变硬化能力,并呈明显的锯齿波动屈服特性。模拟结果显示缩口中的管坯整体处于周向、轴向压应力状态;主变形区内,轴向应变从缩口口边的拉应变逐渐变为主变形区向直壁过渡区域的压应变;除主变形区外,直壁部分的壁厚也有所增加。Φ20 mm×2 mm的5A06管在模拟中的极限缩口系数约为0.410。结论Φ20 mm×2 mm的5A06管在外支承球形缩口中的模拟成形极限较高,有限元分析作为缩口成形模具和工艺设计的前一步工作,其结果有一定的参考价值。     

孔挤压过程中孔边应力应变演化规律的试验与模拟研究

该文采用挤压棒直接挤压的方法对LY12CZ铝合金进行孔挤压试验,测试了在不同过盈量、不同润滑条件下挤压时挤压力和孔边应变变化曲线。建立三维有限元模型,对挤压过程开展了数值模拟。结合试验和模拟结果,揭示了挤压过程中孔边应力应变的演化和分布规律;挤压力的变化特征以及摩擦系数和过盈量对挤压力的影响;孔的深度方向切向应力在挤压过程中的分布及孔边残余压应力的来源与演变。模拟值与试验测量值吻合良好,验证了有限元模拟的可靠性。     

用非比例试样获取比例试样断后伸长率的方法

根据金属材料均匀塑性变形阶段单位长度塑性伸长相同,以及颈缩变形只在局部长度内发生这一规律,建立了一种用标距小于标准比例试样标距的非标准试样获得标准比例试样断后伸长率的方法。经过试验验证,用该方法测得的断后伸长率与GB/T 228-2002标准规定的方法获得的伸长率相吻合。     

Predicting fracture from the tensile properties of a composite biomaterial

Fracture and tensile tests were conducted on a composite biomaterial consisting of polycarbonate matrix and calcium phosphate fibers. The fibers were short and randomly oriented. Test results were compared for composites with and without a surface treatment of the fibers.

A nonlinear finite element method was used to predict the maximum loads on pre-cracked panels. The method used the unnotched stress–strain behavior to predict the failure process in notched panels. A cohesive stress zone near the crack tip was used to model damage, stable crack growth, and failure. As in the experiments, the predicted loads were lower for the composite with coated fibers. For both materials, the predicted maximum loads were within the 6% of the experimental loads.