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。     

正交各向异性弹塑性材料中微孔洞的扩张

针对正交各向异性弹塑性多孔材料，用有限元方法计算分析内含球形微孔洞的三维六面体体胞在不同三轴应力状态下的变形。结果表明，在一定的应力三轴参数下，改变作用在体胞上的主尖力方向，微孔洞长大速度则发生明显的变化；其次，在较低的应力三轴参数下，当Lode参数μσ＝－1时，微孔洞长大速度较快；各向异性程度越同，微孔洞扩张越快。     

硬化模型对多晶变形织构预测的影响

基于变形梯度乘法分解 ,推导了延性单晶材料的弹性变形梯度演化方程 ,利用晶体弹粘塑性本构关系的和Taylor多晶假设 ,以面心立方晶体铝、铜作为模型材料比较分析了两种饱和型硬化模型对有限变形下多晶变形织构形成过程的影响     

延性材料损伤演化及材料软化的孔洞尺寸影响

应用有限元方法，对延性材料孔洞型细观损伤演化进行探讨。考察具有相同初始孔洞体积分数fo、不同相对尺寸孔洞长大和对材料软化的影响。三种体胞分别为简单立方体胞、体心立方体胞以及非均匀孔洞群状分布体胞。体胞基体为Mises等向强化材料。采用大变形有限元方法，简单加载，应力三维度保持定值。分析结果发现，孔洞群状分布体胞模型所代表小尺寸孔洞的长大速度较慢，且在高应力状态下具有较强的承载力和较低的裂纹敏感性。     

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。     

再结晶后面心立方金属的断裂模式及有限元分析

为了研究再结晶对面心立方(FCC)金属断裂模式的影响,以纯铝为对象采用电子背散射衍射、拉伸试验和扫描电镜分析等研究了纯铝拉伸断裂的模式,并结合3D晶体有限元模拟了变形过程中纯铝中孔洞的长大行为。结果表明:由于晶粒间不均匀变形使得大角度晶界上的等效塑性应变大于单个晶粒中的等效塑性应变,孔洞易沿着大角度晶界长大,使得再结晶后FCC结构的纯铝易发生沿晶断裂。     

基于多尺度晶体塑性有限元的GCr15轴承钢拉-压不对称性研究

将应力三轴度引入晶体塑性本构模型,从宏、细观尺度阐明了造成GCr15轴承钢拉-压不对称性的原因.首先,拓展晶体塑性本构模型,在滑移系中引入应力三轴度对屈服准则和流变准则的影响.其次,采用了基于代表性体元(RVE)的多尺度晶体塑性有限元仿真模拟,对GCr15轴承钢的准静态单向拉伸和压缩试验进行了数值实现.研究结果表明,由...     

薄壁管滚珠旋压工艺参数多元函数拟合

以薄壁管滚珠旋压变形影响区域的应力三轴度平均值作为管件塑性成型能力的判别标准,以AZ31镁合金薄壁管为对象,基于有限元仿真计算,得出了减薄量、进给比、滚珠直径三个工艺参数对变形影响区内应力三轴度平均值的影响;为了便于得出最小应力三轴度及其对应的工艺参数,采用三元三次多项式对四者之间的关系进行了多元非线性函数关系拟合;拟合结果与有限元计算结果对比表明本文所给出的拟合函数具有足够的精度。     

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。     

面心立方晶体单晶材料多轴低周疲劳寿命的估算方法

用立方晶体单晶材料的等效应变和等效应力作为参量,考虑正交各向异性材料偏轴受载时存在正应力和切应力的耦合效应,引入k参量描述非对称循环载荷对疲劳寿命的影响,建立工程上实用的幂函数形式的面心立方晶体单晶材料多轴低周疲劳寿命预测模型.将立方晶体单晶材料屈服准则及其弹塑性本构模型集成到ANSYS软件中,对DD3单晶合金在680℃温度下的低周疲劳缺口试样进行非对称载荷循环应力应变分析.对不同的模型参量进行多元回归相关分析,发现用立方晶体单晶材料等效应变和等效应力作为模型参量拟合的回归曲线的相关系数最大,κ参量与循环次数之间呈幂函数关系.利用CMSX-2镍基单晶合金薄壁圆筒试样的拉一扭循环载荷低周疲劳试验数据和DD3镍基单晶合金缺口试样的低周疲劳试验数据对模型进行验证,试验所得数据分别落在2.5倍和2.0倍偏差分布带内.     

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。     

FCC多晶体的黄铜型织构演化模拟

高层错能FCC材料塑性变形主要靠晶体滑移，而对于低层错能材料，除晶体滑移之外，在维持正常塑性流动方面，变形孪晶也起重要作用。建立了可解释滑移和孪晶导致塑性变形的率相关本构模型，并在研究开发的有限元程序中予以实现，通过弹性／晶体粘塑性分析计算，对面心立方金属在滑移与孪晶作用下的织构演化过程进行了计算机模拟。计算表明，在平面应变压缩下，黄铜晶体织构的演化是滑移和孪晶导致的晶格转动的结果，孪晶是造成低层错能FCC晶体中黄铜型织构的重要原因。     

P92钢在内压和拉伸组合加载下的蠕变行为

采用内压和拉伸组合加载方法,在650℃下对P92钢管状试样进行了不同多轴度的蠕变试验并利用改进的Kachanov-Robatnov蠕变模型对其蠕变行为进行有限元模拟,观察了断口形貌和显微组织,分析了多轴度对P92钢应力分布和损伤发展的影响。结果表明:在内压和拉伸组合加载下,当外壁等效应力相同时,多轴度越大,P92钢的蠕变寿命越短;多轴度对P92钢蠕变孔洞的生长具有促进作用;改进的Kachanov-Robatnov蠕变模型可以准确地描述P92钢的蠕变行为;在蠕变过程中,多轴度影响应力的分布,进而影响损伤的分布,多轴度大的位置其损伤程度也大。     

基于AFM的单晶铜薄膜压痕的分子动力学模拟

使用三维分子动力学方法对基于AFM的单晶铜薄膜压痕过程进行了研究。采用对势Morse势计算试件原子之间,试件原子和压头原子之间的相互作用。模拟了不同压入深度的压痕过程,分析了压入深度对压头应力、系统势能变化的影响。结果显示单晶铜薄膜的纳米压痕的力学机理是非晶态产生的变形。当压入深度增加时,系统势能变化增大,压头应力变化增大,体现出强烈的尺寸效应。     

循环载荷下韧性金属Ⅰ型裂纹前缘晶体塑性与应力的初步分析

为探讨含裂纹金属材料在循环载荷下的细观力学行为,采用随机构成的多晶模型对循环载荷下Ⅰ型裂纹裂尖前缘的晶体塑性变形和应力循环进行初步分析.模型裂尖前缘的材料由不同大小和不同取向的多面体单晶晶粒随机集合构成,各晶粒的力学行为用单晶滑移的粘塑性关系描述;单晶滑移粘塑性本构关系的求解是采用先前建议的方法以应力为基本变量,用Newton-Raphson迭代求解晶体的滑移变形与应力的关系.文中给出循环载荷下裂尖前缘的塑性变形演化、残余应力和循环硬化现象等方面考虑材料多晶结构的初步分析结果.     

GCr15轴承钢大变形弹塑性力学性能试验研究

对GCr15轴承钢大变形弹塑性力学性能进行了试验研究,分析了应力三轴度和洛德角对GCr15轴承钢大变形弹塑性力学性能的影响.在研究中,对GCr15轴承钢进行拉伸、压缩、剪切压缩等不同应力状态下的力学性能试验.通过试验确认,GCr15轴承钢在拉伸和压缩状态下无颈缩现象,发生脆性断裂;在剪切压缩状态下发生韧性断裂,形成大变...     

镍基单晶高温合金蠕变-疲劳寿命评估方法进展

论述镍基单晶合金的滑移变形机制和疲劳裂纹萌生机理，分别介绍镍基单晶合金蠕变寿命和低循环疲劳寿命分析评估模型；镍基单晶合金蠕变、疲劳寿命的研究方法可分为应用各向异性张量描述非弹性各向异性变形的宏观力学(唯象)模型和基于晶体学滑移变形理论的微观力学模型；晶体取向、平均应力、环境温度、循环频率、循环应力比是影响单晶合金蠕变-疲劳寿命的主要因素。复杂应力状态下的单晶合金多轴低循环疲劳损伤，单晶合金在疲劳-蠕变交互作用下的疲劳损伤和单晶合金的接触疲劳损伤等问题是需要研究的重要课题。     

切口试样破坏过程试验与细观数值分析

对切口圆棒试样与切口板试样进行单向拉伸试验和有限元数值分析，以试样最小横截面上各点变化的应力应变场为体胞演化的载荷控制条件，采用三维含球形微孔洞体胞模型分别对各点微孔洞长大规律进行数值模拟。结果表明，在试样得到的断口韧性区域内，微孔洞的生长速度较快；试样失稳前微孔洞相对体积百分数最大的区域与试验时试样的起裂位置一致，因而证实微孔洞的演化是导致试样材料在拉伸条件下破坏的主要原因，同时也证实体胞模型用于局部破坏分析的有效性。     

晶体塑性模型在单晶铜低周疲劳行为中的应用

关注循环载荷作用下晶体滑移变形中的非线性硬化现象,用改进的晶体塑性模型刻画单晶金属在循环载荷作用下的变形机理.通过试验和数值模拟,研究单晶铜在循环载荷作用下的Bauschinger效应、滞回特性和循环硬化等循环塑性现象.所得结果表明,文中提出的模型可以有效地描述单晶金属在循环载荷下的非线性变形过程,可以与有限元方法结合,用数值模拟再现试样在循环加载中的Bauschinger效应、滞回特性和循环硬化等塑性变形行为.     

金属塑性成形的晶体塑性学有限元模拟研究进展

综述了金属塑性成形过程中晶体塑性有限元模拟的理论背景和应用方面的研究进展,同时总结了国内研究者该领域的研究现状,指出了晶体塑性有限元模拟所要解决的问题及研究重点。晶体塑性理论起源于20世纪20 年代,包括单晶塑性本构理论和多晶塑性本构理论,能够深刻揭示材料变形的规律。与此同时,开始于30多年前的有限元法也已经日益成为求解材料成形理论公式的有效工具。晶体塑性有限元法作为一个强大的模拟工具将二者有机地结合在一起,已经广泛地用于模拟材料的微观结构和各种力学响应,越来越被材料界和力学界的研究者所重视;然而,无论是在理论方面还是应用方面晶体塑性有限元法都还不尽完善。未来晶体塑性有限元模拟的理论研究重点是建立系统的理论架构用于预测由滑移和孪晶引起塑性变形材料的各种力学响应,应用研究重点是运用各种模型模拟其他与织构相关的性能或参数。晶体塑性有限元模拟不仅能够深化人们对材料成形规律的理解, 而且可以不断推进晶体塑性理论的发展。