Glass/Epoxy复合材料叠层板面内剪切连续损伤模型

为确定S2玻璃纤维/环氧树脂(S2-Glass/Epoxy) 叠层复合材料面内剪切应力-应变关系,对S2-Glass/Epoxy 叠层复合材料面内剪切拉伸载荷下的弹、塑性连续损伤本构模型及应用进行了研究。基于平面应力状态下的连续损伤力学模型,通过典型面内剪切拉伸实验,分别建立了忽略塑性应变和考虑塑性应变的两种连续损伤力学(CDM)模型,并确定相关参数。通过ABAQUS/Explicit 用户子程序VUMAT接口,分别采用两种CDM模型对S2-Glass/Epoxy 叠层复合材料面内剪切拉伸实验进行有限元数值计算,与实验结果对比,验证模型可靠性,并分析单元类型对有限元计算结果的影响。研究结果表明: 忽略塑性应变的CDM模型可以很好地预测复合材料面内剪切失效强度,但不能较好地预测其非线性力学响应; 考虑塑性应变,将塑性硬化与损伤耦合后的CDM模型则能较好的预测复合材料非线性力学响应和面内剪切失效强度; 该平面应力状态下建立的CDM模型可用于壳单元进行复合材料有限元数值计算,横向剪切作用导致传统壳单元数值计算的载荷位移曲线略低于平面应力单元计算结果; 减缩积分算法有利于提高有限元数值计算结果的准确性。     

玻璃纤维-铝合金正交层板的拉伸性能研究

通过对两组具有不同铺层次序的玻璃纤维-铝合金正交层板进行拉伸实验,对比研究了铺层次序对材料拉伸力学行为的影响.载荷跌落前两组试件的拉伸力学性能和应力-应变曲线基本一致,说明玻璃纤维-铝合金正交层板的拉伸力学性能与纤维的铺层次序无关.提出了修正后的金属体积分数理论,准确预测了材料的弹性模量、屈服应力及拉伸强度.依据声发射数据和试件损伤失效形貌照片,分析了两组试件的拉伸损伤失效进程.结果表明,铺层次序的不同使得两组材料的损伤进程和破坏模式具有很大差异.最后,利用有限元方法对试件的拉伸力学行为进行了模拟分析,模拟结果与实验值吻合较好.     

单向复合材料弹塑性变形行为的研究

本文利用微观力学方法研究了单向连续纤维增强的金属基复合材料的弹塑性变形行为。纤维是线弹性材料,基体是弹性一粘塑性各向同性材料。在复合材料的纵向拉伸、横向拉伸和纵向剪切变形状态下,预测了复合材料的弹性模量和初始屈服应力值,并考虑了应变率对弹塑性变形行为的影响。以硼/铝复合材料为例,进行了数值分析,预测结果与实验值符合较好。      

一个钢筋混凝土损伤塑性本构模型及工程应用

以ABAQUS大型程序为平台,采用应变协调假设和强度等效假设,给出了一个描述钢筋混凝土材料与结构损伤塑性分析的本构模型。这里的钢筋强化特性是通过定义强化了的拉伸塑性应力-应变曲线来实现的。模型中的钢筋不再以独立的金属材料形式出现,而是被等效钢筋混凝土代表体元模型包含进去了,用拉伸应力-应变曲线峰值后区的硬化-软化强度曲线直接定义强化功能。这个模型着重对ABAQUS软件中给出的损伤塑性模型的拉伸强化-软化阶段的特性进行了完善。采用试件受单向拉伸和简支梁受集中力载荷两个简单算例说明了模型的有效性。最后该研究将这个模型用于一个受地表堆积载荷、土压力和地下水压力联合作用下的钢筋混凝土墙体结构的ABAQUS有限元损伤塑性数值分析中。     

双轴载荷下缝合层板的强度预测

基于缝合层板单层单胞细观力学模型,研究了单层板在拉、压、剪下的力学特性。根据经典层板理论建立了缝合层板在双轴载荷下的强度模型,并考虑了缝合造成表面层和内部层刚度和强度的差异。通过有限元软件ABAQUS分析了双轴载荷多种工况下缝合层板的损伤演化过程,揭示了缝合层板的失效机理,获得了缝合层板在双轴载荷下的失效包络线以及对应比率载荷下的应力应变曲线。所预测的失效模式和失效强度与实验取得了较好的吻合。通过分析表明缝合层板单层在剪切载荷下表现出一定的非线性特性。多轴多向层板在双轴载荷下表现出较强的耦合性。     

拉弯联合载荷下弹塑性J积分估算方法研究

基于计算J积分的等效原场应力方法,利用等效原场应力σeff只有外加载荷意义而不再具有拉伸或者弯曲等载荷类型方面的属性,提出了利用现有含裂纹结构的纯拉伸以及纯弯曲J积分全塑性解直接计算拉弯联合载荷下的J积分简化估算方法。该方法可以直接利用已经存在的J积分纯拉伸和纯弯曲全塑性解来计算拉弯联合载荷下的J积分,简化了拉弯联合载荷下J积分全塑性解的计算;并且可以应用于任意应力-应变材料,包括Ramborg-Osgood关系的材料和任意单调加载非R-O关系材料。计算过程简便。并通过与有限元计算结果对比对之进行验证,说明其工程实用性,为对含裂纹结构进行弹塑性断裂评定奠定基础。     

获取材料应力应变关系的锥形压入新方法

采用自主研发的便携式压入设备,对材料平滑表面进行单调压入试验获得载荷—深度曲线,进而获得材料的单轴应力应变关系曲线。在等向强化、各向同性、单调加载条件下,基于能量原理和有限元分析提出应用双锥无卸载的压入载荷—深度曲线预测具有Hollomon律的材料应力应变关系半解析新公式。在有限元验证方面,根据不同材料的Hollomon律应力应变作为有限元本构关系条件获得的载荷—深度分析结果与压入载荷—深度关系吻合较好。在试验方面,通过压入载荷—深度曲线得到加载曲率,然后利用半解析新公式得到的材料单轴应力应变关系与单轴拉伸试验结果进行比较,结果表明新方法获取的材料应力应变关系和单轴拉伸试验结果有较好的一致性。     

三维五向编织复合材料的力学性能分析Ⅱ: 细观应力数值模拟

在实验观察的基础上, 考虑轴纱的挤压变形及纱线填充因子变化, 修正了现有的细观结构模型, 建立了更加真实反映三维五向编织复合材料内部编织结构的单胞模型。利用该模型采用3D 有限元法计算了材料的轴向弹性模量, 数值预测与实验数据吻合较好。分析了单胞在拉伸载荷作用下的细观应力分布, 为材料进一步的强度预测奠定了基础。      

纤维金属层板低速冲击试验和数值仿真

为开展纤维金属层板（FML）低速冲击有限元数值仿真研究,改进了传统的连续损伤力学（CDM）模型,然后对FML落锤低速冲击试验进行数值仿真,并与实验结果进行对比验证。分别采用5.11 J 和10.33 J冲击能量对FML进行落锤低速冲击试验,得到冲击载荷、位移和能量时程曲线,分析FML的动态响应和失效模式。建立了考虑塑性应变、压缩刚度衰减特征和纤维拉伸断裂损伤的新CDM模型,描述S2-玻璃纤维/环氧树脂（S2-galss/epoxy）复合材料的损伤本构,并编写VUMAT子程序,通过ABAQUS/Explicit求解器对FML落锤冲击试验进行数值仿真。研究结果表明：低能量冲击条件下,FML背面主要为鼓包和裂纹等失效模式,位移峰值随冲击能量的提高而增加,冲击载荷峰值在穿透前也随冲击能量的提高而增加;采用改进的CDM模型描述FML中S2-galss/epoxy复合材料铺层后,有限元数值计算可以较好地预测FML低速冲击载荷下的动态响应;有限元数值仿真结果表明,FML中第2层复合材料铺层发生的纤维断裂损伤比第1层的更严重。     

采用梯度功能方法的IPMC弹性模量改进模型

采用梯度功能材料力学方法,通过改进层合板理论模型来预测材料的力学性能。将饱和掺杂金属原子的外层作为表面镀层,将无掺杂的基体作为中间层,两层之间掺杂的金属原子含量逐渐变化,作为梯度层;使用EDS方法得到了Pt型金属/离子聚合物复合材料(IPMC)沿厚度方向的Pt原子含量分布,证明了模型分层的合理性;采用ASTM标准测定了IPMC材料的拉伸和弯曲弹性性能。本模型采用Mori-Tanaka方法预测表面镀层和梯度层的弹性性能,采用梯度力学方法,最终得到IPMC材料整体的弹性性能。用本文中模型预测常态下和含水饱和态下的IPMC拉伸性能与实验值相比,误差分别为 0.69%和-2.05%;预测常态下IPMC的表观弯曲弹性模量与实验值相比,误差为-0.99%。     

强动载荷下焊接钢板力学性能及本构模型研究

为研究强动载荷下船用焊接钢板的力学性能。开展了典型船用焊接钢板母材、焊缝和热影响区的准静态拉伸试验、高温拉伸试验及SHPB动态压缩试验,分析了焊接钢板材料在不同应力状态下的力学行为,基于力学性能试验结果拟合了焊接钢板母材、焊缝和热影响区材料的本构模型。结果表明:准静态条件下,与母材相比,焊缝和热影响区材料的屈服强度与抗拉强度偏大,延伸率偏小;高应变率下,热影响区材料抵抗塑性变形的能力明显强于其他两种材料,且随着应变率的增加抵抗塑性变形的能力呈增强趋势;焊接板母材、焊缝与热影响区材料均表现出应变率效应和温度效应;热影响区是焊接板抗冲击性能相对薄弱的区域。建立的Johnson-Cook模型可以描述强动载荷下焊接钢板的力学性能。     

基于BP神经网络算法的316L不锈钢极薄带热处理力学性能预测

目的 为了预测不锈钢极薄带热处理后的力学性能、优化热处理工艺以及实现热处理工艺的智能控制,构建基于BP算法的神经网络模型。方法 以316L不锈钢极薄带为研究对象,进行热处理试验和拉伸试验,通过以热处理的退火温度、保温时间和取样方向作为输入层参数,以屈服强度、抗拉强度、断后伸长率作为输出层参数,采用BP算法构建了316L不锈钢极薄带力学性能预测的思维进化算法优化BP神经网络模型,并进行模型的预测和应用验证,考虑不同隐含层节点数及不同BP神经网络模型对性能的影响。结果 思维进化算法优化的BP神经网络模型测试集的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率的平均相对误差分别为8.92%、5.21%和9.28%,训练集相关系数为0.980 94。思维进化算法优化BP网络单、双隐含层误差总和最低分别为0.578 6和0.546 9,BP网络与思维进化算法优化的BP网络误差总和最低分别为0.579 9和0.546 9。结论 思维进化算法优化BP神经网络模型具有较好的预测能力和泛化能力,以及较高的预测精度。与企业现用生产工艺相比,采用模型优化后热处理工艺的综合力学性能有显著提高。     

泵头体高强钢材料的力学性能

为了进一步研究泵头体高强钢25Cr2Ni4MoV和30CrNi2MoV的力学性能,采用拉伸、冲击和裂纹尖端张开位移(CTOD)试验对其进行测试。结果表明:材料在常温下具有较好的综合力学性能;在静载荷条件下,具有优良的断裂韧度。     

电弧电流对AZ31B/DP980激光诱导电弧焊接接头成形及力学性能的影响

采用激光诱导钨极惰性气体保护(tungsten inert gas, TIG)电弧焊接技术,在未添加任何夹层和镀层的条件下,通过优化工艺,获得了AZ31B镁合金和DP980高强钢高质量搭接焊接头,重点研究TIG电弧电流对焊接接头成形和力学性能的影响规律。结果表明：电弧电流的增大会提高镁合金在高强钢的润湿铺展能力,提升焊缝宽度的同时减小润湿角。镁合金/钢焊接接头的最大拉伸载荷随着电弧电流的增大先升高后降低,接头断裂模式由沿界面断裂转变为沿焊缝断裂。当TIG电流为80 A、激光功率为350 W时,焊接接头最大平均拉伸载荷达到279 N/mm。焊缝宽度和界面层厚度的增大以及激光匙孔的钉扎作用共同提升了镁合金/钢的接头性能。     

Analysis of plastic deformation in diamond like carbon films-steel substrate system with tribological tests

The influence of plastic deformation of the substrate on the tribological properties of diamond like carbon (DLC) films was investigated in DLC films-steel substrate system. The tribological properties of DLC films deposited on different hardness steel were evaluated by a ball on disk rotating-type friction tester at room temperature under different environments. In dry nitrogen, DLC films on soft steel exhibited excellent tribological properties, especially obvious under high load (such as 20 N and 50 N). However, DLC films on hard steel were worn out quickly at load of 20 N. Plastic deformation was observed on soft steel after tribological tests. The width and depth of plastic deformation track increased with increase of the experimental load. Super low friction and no measurable wear were kept in good condition even large plastic deformation under high load conditions in DLC films-soft steel system. In open air, DLC films on soft steel exhibited high coefficient of friction and DLC films on ball were worn out quickly. Plastic deformation was not observed on soft steel because the contact area increased and the thick hardened layer on contact surface were formed by DLC films and debris particles together on the steel substrate. The wear track on steel became deep and wide with increase of loads and DLC films were worn out. The experimental results showed that super low friction and high wear resistance of DLC films on soft steel can be attributed to the good adhesion and plastic deformation. Plastic deformation played an active role in the tribological properties of DLC films on soft steel in the present work.     

Interface sheet-constrained groove pressing as a modified severe plastic deformation process

In this paper, a new severe plastic deformation (SPD) process entitled interface sheet-constrained groove pressing (ISCGP) as a new variant of conventional CGP has been developed for producing ultrafine-grained metallic materials. In this process, repetitive shear deformation is imposed into the sheet material by utilising symmetrically grooved die along with two interface sheet on both sides. To study the applicability, mild steel sheets were processed by both ISCGP and CGP processes, and mechanical and microstructural properties of the processed samples were investigated. The results show a considerable improvement in mechanical properties including hardness, yield strength, and ultimate tensile strength, though the ductility sacrifice was reduced. Comparing ISCGP and conventional CGP revealed interesting results, which are shown that ISCGP can result in better surface quality and ductility.     

机械滚压对A473M钢疲劳性能的影响

采用机械滚压对A473M马氏体不锈钢轴套材料进行表面处理,研究滚压工艺对其力学性能的影响。采用SEM、白光干涉仪、X射线衍射仪、显微硬度计、EBSD、拉伸试验机和疲劳试验机分别对试样表面形貌、表面粗糙度、残余应力、显微硬度、拉伸性能和疲劳性能进行系统表征。结果表明:滚压加工试样表面的粗糙度明显降低,仅为车削加工的1/5;滚压加工在材料近表面引入残余压应力,其值最高可达946 MPa,沿深度方向逐渐减小,残余压应力层深度约为200μm,表面硬度提高30%左右,硬度影响层深度可达200μm;抗拉强度、屈服强度和伸长率分别提升了40%,22%和8%,疲劳寿命由基体材料的5.4×10^4周次提高到1×10^7周次。采用滚压加工后材料的力学性能明显提升,疲劳寿命显著增加。     

Analyses of route Bc equal channel angular pressing and post-equal channel angular pressing behavior by the finite element method

Equal channel angular pressing (ECAP) process provides an efficient procedure for achieving ultrafine grained microstructures with excellent mechanical properties in metallic materials. In this article, a simulation scheme for predicting the mechanical behavior during and after ECAP was proposed. The proposed scheme was applied for interstitial-free (IF) steels, which are widely used for the automobile body applications. Plastic deformation behavior during several passes of ECAP in route Bc, including such aspect as deformed geometry, corner gap, forming load and strain uniformity, was predicted. Tensile testing responses of the ECAP-processed IF steel, including strain hardening, onset of necking, and post-necking behavior, were analyzed using the finite element method and compared with the experimental results. The predicted tensile curves, ultimate tensile strength, and elongation varying with the number of ECAP passes were in good agreement with experimental results. The computational scheme developed was demonstrated to successfully predict not only the plastic deformation behavior during ECAP but also the mechanical properties of the ECAP-processed material.     

不锈钢晶间腐蚀弯曲评价方法的影响因素

用嵌含有GTN延性损伤模型的ABAQUS有限元法,模拟研究了不锈钢晶间腐蚀弯曲评价方法中材料力学性能、弯曲角度和压头直径对弯曲试样塑性应变分布、延性损伤和裂纹起裂的影响规律,分析了其对晶间腐蚀弯曲评价结果的影响。结果表明：随着试样弯曲角度的增大和弯曲压头直径的减小,试样拉伸面的塑性应变增加,试样越容易产生弯曲开裂;在晶间腐蚀弯曲评价标准中,当固定弯曲角度和压头直径时,对于塑性、韧性和抗断裂综合力学性能较低的不锈钢材料,在弯曲过程中材料本身会发生开裂;因此,需要考虑材料力学性能对晶间腐蚀弯曲评价结果的影响;对于该研究中的典型的奥氏体不锈钢材料,当其弯曲断裂应变低于0．51左右时,在弯曲过程中材料本身会发生开裂,不宜用弯曲方法来评价其晶间腐蚀敏感性。     

填充不同材料条件下管材三维自由弯曲变形行为研究

目的 研究三维自由弯曲过程中,不同填充材料对管材成形性能的影响,比较不同填充材料的影响效果。方法 建立相关力学模型,分析比较固体填充物以及柔性填充物对成形质量不同的影响机理,并基于ABAQUS有限元仿真软件,对成形过程进行数值模拟分析。结果 与填充PU棒时成形结果相比,当填充SS304钢珠时,管材具有更好的成形性以及更小的厚度变化率,同时,当内部填充材料时,管材椭圆率均会降低,且当填充材料为SS304钢珠时,椭圆度最低可达2.6%。结论 将三维自由弯曲技术与填充成形技术相结合,可以有效提高管材成形性能,并且固体填充物要好于柔性填充物,有限元模拟及实验验证了模型的正确性。