惯性效应对延性金属中微孔洞动态演化过程的影响及破坏分析

利用Abaqus提供的用户材料本构接口,将Gurson模型用UMAT(user defined material subroutine)和VUMAT(vectorized user defined material subroutine)分别实现。其中UMAT适用于Abaqus中的Standard计算模块,忽略惯性效应,而VUMAT适用于Abaqus中的Explicit计算模块,包含惯性效应。通过对二者的计算结果进行对比分析,考察惯性效应对孔洞长大的作用与影响。结果表明:(1)惯性效应对加载速率非常敏感,随着加载速率的提高,惯性效应先是抑制,继而促进孔洞的长大。(2)存在一个临界应变率,在临界应变率时,惯性效应不抑制也不促进孔洞的长大,对LY12CZ铝合金,临界应变率大约在1 740 s-1。(3)从惯性效应的角度,不但可以解释高应变率下断裂应变随应变率的增加而增大的现象,而且也能解释超高应变率条件下铝合金表现出的脆性特征。     

GTN损伤模型对C-Mn钢缺口拉伸试样延性断裂的预测

用GTN(Gurson, Tvergaard, Needleman)损伤模型对不同缺口根半径的C-Mn钢缺口圆棒拉伸试样的延性断裂进行有限元模拟预测.结果表明, 当缺口根半径R≤2 mm时,GTN模型对缺口拉伸时的最大载荷Pm、起裂载荷Pi、断裂载荷Pf和断裂功E的预测值与实验值较为接近.而当R＞2 mm后,预测值与实验值的偏差变大.其原因在于GTN模型是基于微孔洞长大和聚合的延性断裂机理而建立,对于根半径较小,促使孔洞长大的三向应力度较高的缺口试样较为适用.GTN模型预测的三个特征载荷,尤其是表征韧性的断裂功E的值总体上高于实验测定值,并且其预测的延性起裂位置在R≥1 mm时也与实验观察不一致.其原因是GTN模型未考虑实际材料组织中具体的夹杂物/孔洞的尺寸、形态、分布和方位对损伤演化和断裂过程的影响.     

初始损伤非均匀性条件下的材料细观损伤演化

采用孔洞群三维体胞模型对孔洞大小及分布非均匀性情况下的材料损伤进行模拟计算。结果表明 :孔洞非均匀性增强了局部的孔间干涉作用和孔洞的长大 ,引起材料损伤局部特性不均 ,表明非均匀细观结构较均匀化假设更易于造成材料的损伤和破坏 ;Gurson修正模型中采用常系数 q1 和 q2 描述孔间干涉作用是不够准确的 ,q1 、q2 是一个逐渐增大的变化量。     

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。     

单拉试样颈部应力状态及对材料细观损伤的影响

用实验及有限元方法,对细观多孔性球墨铸铁光棒试件拉伸破坏过程中颈缩截面应力状态变化规律进行分析和研究,获得该截面心部的应力状态参数T随应变的变化曲线.曲线分为T=0.33的定值阶段和T单调增长两个阶段,Tmax=0.68.对T取实验值与取常规定值情况下的材料损伤演化及材料软化进行比较,认为常规采用定值T=0.33低估了光棒试件的细观损伤破坏.单轴拉伸光棒试件中的孔洞损伤演化过程是由孔洞的形状改变为主要过程和断裂前短暂的孔洞体积的加速扩张阶段组成,这一结论与Gurson模型中孔洞长大描述符合很好.     

基于微观孔洞型损伤的疲劳蠕变寿命预测方法

孔洞型损伤是延性金属材料一种常见的破坏形式.对于材料疲劳蠕变破坏过程,文中提出等效孔洞体积概念,从微观唯象角度出发,综合考虑疲劳蠕变对孔洞体积长大的影响,得到一种微孔洞型疲劳蠕变寿命预测模型.以此模型对1.25Cr0.5Mo钢540℃应力控制下疲劳蠕变寿命进行预测,结果显示该模型具有很好的适用性.     

扩散与幂率蠕变联合控制的孔洞受约束长大模型研究

高温环境下,材料蠕变变形与断裂的微观机制主要是晶界的孔洞化.蠕变过程中孔洞的长大是一种非常复杂的行为,很多因素会对孔洞的长大产生影响.基于扩散和幂率蠕变耦合控制孔洞长大理论,建立了新的孔洞受约束长大模型.研究结果表明:在孔洞长大速率主要由扩散控制的区域,基于本文提出的模型预测的孔洞长大速率与基于Needleman-Ri...     

冲击载荷下磁流变缓冲器的动力学行为

传统力学模型很难准确预测冲击载荷下磁流变缓冲器的动力学行为,关键原因之一是未考虑惯性效应和局部损耗、或仅考虑其一。针对此问题,从理论与试验上研究分别考虑惯性效应、局部损耗,以及两者同时作用下的环形通道磁流变缓冲器动力学行为。基于Herschel-Bulkley (HB)本构模型,考虑惯性效应,利用平均惯性效应法,推导出环形通道内磁流变液的平均加速度与活塞杆加速度之间的关系,建立包含惯性效应的HB-Inertia (HBI)模型;考虑局部损耗,利用流体力学的相关理论,建立包含局部损耗的HB-Minor Losses (HBM)模型;综合考虑惯性效应和局部损耗的影响,提出同时包含惯性效应和局部损耗的HB-Inertia-Minor Losses(HBIM)模型。设计并制作一对参数相同的磁流变缓冲器,搭建落锤式冲击试验平台,将该对磁流变缓冲器并联,测试不同冲击速度和电流下的动力学行为。试验结果显示所设计的磁流变缓冲器具有良好的控制效果,且最大缓冲力高达75 kN。将试验结果与理论模型进行比较,发现HBI和HBM模型与试验结果有一定差异,而HBIM模型与试验结果吻合较好,表明惯性效应和局部损耗对缓冲器的力学特性都有影响,其中局部损耗的影响更大。     

绕赤道直径旋转的球形静压推力轴承考虑流体惯性效应的性能分析与计算

本文推导出绕赤道直径旋转的球形静压推力轴承考虑流体惯性效应的广义雷诺方程,并求其数值解,研究了流体惯性效应对该轴承的压力分布、承载能力和流量等工作性能的影响。     

惯性冲击式运动原理的理论分析与仿真

利用拉格朗日方程建立基于惯性冲击式驱动原理的微小型机器人的动力学模型，对该模型进行求解与仿真；利用有限元分析方法对机器人机构连行模态分析与瞬态动力学分析。两种分析方法都考虑了双压电膜机构与电场的耦合关系，以及机器人的支撑与管壁之间的接触摩擦。通过对两种方法的分析结果对比，验证了惯性冲击式运动原理的正确性，以及该原理用于管内移动微小型机器人驱动是可行的。     

Void growth and coalescence in f.c.c. single crystals

In this study, we investigate deformation behavior of f.c.c. single crystals containing microvoids by using three-dimensional finite element methods. The unit cell analysis has been conducted to study the effect of stress triaxialities, crystallographic orientations and initial void volume fractions on the growth and coalescence of voids in f.c.c. single crystals. The locally homogeneous constitutive model for the rate-dependent single crystal plasticity is implemented into a finite element program (ABAQUS) by means of the user-defined subroutine (UMAT). To identify the effect of stress triaxiality and the crystallographic orientation on the void evolution, the stress triaxiality was kept constant during deformation. The numerical results showed that the stress triaxiality and the deformation mode specified by the crystallographic orientation have a competitive effect on the evolution of voids. For the low level of stress triaxiality, the deformation mode is mainly determined by the crystallographic orientation. For high stress triaxiality, however, the deviation from the specific deformation mode is large even for incipient void growth and the void growth rate is mainly determined by stress triaxiality and the initial void volume fraction. For the small initial void volume fraction, the growth rate of a void is rapid compared with the large one and the effect of the initial crystallographic orientation is significant.     

一种考虑空洞效应的共晶钎料合金粘塑性-损伤本构模型

共晶钎料具有连接作用而广泛地用于电子封装中.锡铅焊料具有高的同系温度,因而在工作时表现出较为明显的时间、温度和率相关特性.复杂的力学机理使得本构模型的建立成为一件及其复杂而又重要的工作.文中提出一种考虑孔洞效应的粘塑性-损伤模型,基于Guron-Tvergaard-Needleman思想和正交法则,引入孔洞体积分数,以描述共晶钎料的力学特性.并在各种测试条件下,通过实验验证模型的力学响应,表明该模型能够用于分析电子封装中焊点为损伤变量的可靠性问题.     

捷联惯导系统误差模型与仿真分析

为研究捷联惯导系统短时间导航精度,建立了导航误差数学模型,分析了惯性器件误差对系统导航精度的影响。应用捷联惯性导航原理,针对系统短时间导航的特点,简化载体在导航坐标系的导航方程;由惯性器件安装误差与陀螺仪等效零漂经过方向余弦矩阵变换建立载体姿态误差方程;结合导航方程、姿态误差方程与惯性器件误差推导出载体速度误差与位置误差数学模型。在此基础上,建立了误差状态空间方程与误差模型框图。在Matlab/Simulink环境下建立了误差数学模型计算模块,用捷联惯导算法与误差模型共同解算地面150秒导航试验数据,结果表明：导航系X轴的相对系统误差小于20%,Y轴、Z轴的相对系统误差小于5%,验证了误差数学模型的正确性。此外,分析了加速度计精度的变化对短时间工作的捷联惯导系统导航误差产生基本的影响。     

The effect of void growth on the limit strains of steel sheets

The effect of void growth upon the limit strain prediction is investigated. Emphasis is put upon the effect of void growth and other various factors are not considered. Thus the classical yield function is used instead of more general form proposed recently. To assure the reliability of yield function, the analysis is confined to the steel sheets. Based upon some experimental data a model is proposed for modified M-K analysis.The results of analysis show that conventional overestimation of limit strains in the balanced biaxial state can be significantly reduced by taking the void growth phenomenon into consideration.     

捷联惯导系统的误差模型与仿真

为研究捷联惯导系统短时间导航精度,建立了导航误差数学模型,分析了惯性器件误差对系统导航精度的影响.应用捷联惯性导航原理,针对系统短时间导航的特点,简化了载体在导航坐标系的导航方程;由惯性器件安装误差与陀螺仪等效零漂经过方向余弦矩阵变换建立载体姿态误差方程;结合导航方程、姿态误差方程与惯性器件误差推导出载体速度误差与位置误差数学模型.在此基础上,建立了误差状态空间方程与误差模型框图.在Matlab/Simulink环境下建立了误差数学模型计算模块,用捷联惯导算法与误差模型共同解算地面150 s导航试验数据.结果表明:导航系X轴的相对系统误差＜20%,Y轴、Z轴的相对系统误差＜4%,验证了误差数学模型的正确性.此外,分析了加速度计精度的变化对短时间工作的捷联惯导系统导航误差产生的基本影响.     

Effects of superimposed hydrostatic pressure on fracture in sheet metals under tension

The effect of superimposed hydrostatic pressure on fracture in sheet metals under plane strain tension is studied numerically using the finite element method based on the Gurson damage model. It is demonstrated that the superimposed hydrostatic pressure p has no noticeable effect on necking but significantly increases the fracture strain due to the fact that a superimposed pressure delays or completely eliminates the nucleation, growth and coalescence of microvoids or microcracks. The experimentally observed transition of the fracture surface, from P-type mode under atmospheric pressure to C-type mode under high pressure, is numerically reproduced.     

铝合金铸件疲劳寿命预测和累积损伤评估

建立在铝合金铸件中微观孔洞演化的数学模型，并讨论含孔洞铝合金铸件的材料模型。具有微观孔洞的铝合金铸件可以作为含损伤的材料，采用损伤度作为描述材料损伤的变量。应用含损伤的弹性材料本构关系，分析铝合金阶梯型含损伤铸件的力学性能和疲劳寿命。应用Gurson模型和屈服条件，评估铝合金铸件源于微孔洞的累积损伤及对材料塑性变形行为的影响。初步建立铸件疲劳寿命模拟分析系统。该系统包括铝合金铸造凝固过程模拟模块和疲劳寿命分析模块。