SAP相关的介观成形连续过渡式表面层模型研究

介观尺度成形中材料流动应力出现了尺度效应,其值小于宏观成形的流动应力值,宏观材料的流动应力模型无法直接应用在介观成形中。针对过渡式介观成形流动应力模型不能直观表征尺度效应影响程度,同时过渡层应力与表面层和内层应力不连续,不能正确反映介观成形流动应力的真实情况,提出用表层面积比(SAP)表征尺度效应影响程度的连续过渡式流动应力模型,经过理论计算值与试验值的比较,推导出模型中关键参数k(层数)的合理取值范围,并对模型的正确性进行了验证。     

基于偶应力理论的高阶弹塑性本构模型的无网格法

高阶连续理论包含材料内禀特征长度,可以反映材料尺度效应或微尺度特征对宏观性能的影响,但是,高阶连续理论需要考虑位移的高阶导数,给数值模拟带来很大困难。利用无网格法能够方便构造具有高阶连续特征形函数的优点,建立基于偶应力理论的高阶弹塑性本构模型的无网格法,对二维悬臂梁弯曲变形进行数值模拟,并分析了结构变形中的尺度效应。结果表明:无网格法计算结果与有限元软件ANSYS计算结果相吻合,且尺度因子对结构变形有一定的影响。     

疲劳裂纹的跨尺度分析

为了准确模拟正交异性钢桥面板疲劳裂纹扩展行为,提出基于约束应力区的三维表面半椭圆跨尺度裂纹模型.采用有限元法求解应力强度因子,将跨尺度应力强度因子作为疲劳裂纹从微观到宏观扩展的控制参量,使用统一模型描述正交异性钢桥面板疲劳破坏全过程.对正交异性钢桥面板的疲劳失效行为进行数值模拟,并与试验应力-寿命曲线进行对比分析.结果表明:疲劳裂纹扩展跨尺度模型能正确反映正交异性钢桥面板纵肋与桥面板焊接部位的疲劳破坏过程,并可模拟疲劳裂纹扩展从微观到宏观的跨尺度行为.由于微观效应对疲劳寿命有显著影响,当考虑到材料的微观效应时,该模型可解释疲劳寿命试验数据的离散现象.     

微观-介观双尺度模型下循环流化床内宏观流动

基于气体分子运动论和颗粒动理学,建立微观-介观尺度双尺度的稠密气固两相流流动模型.微观尺度考虑气体与单颗粒以及单颗粒间相互作用造成的能量和动量传递和耗散,介尺度考虑气体与颗粒团聚物以及团聚物间相互作用形成的能量和动量传递和耗散,同时考虑微观尺度与介观尺度间相互作用导致动量和能量的传递.模拟计算颗粒相浓度、速度等参数与实测值相吻合.     

微尺度流动研究的历史与现状

在微尺度下,一些宏观尺度下忽略的作用力和效应起了重要作用,使微尺度现象与宏观现象呈现出较大的差异,使常规分析中的理论和一些简化条件,不再能解释微尺度下流动现象.如宏观条件下,5%的相对粗糙度可以忽略,而在微尺度下,较小的相对粗糙度会对气体流动产生比较大的影响,气体稀薄效应也会使气体流动阻力减小.     

射孔弹弹体粉末压坯冷挤压成形数值模拟研究

为了确定油田射孔弹弹体用粉末材料的冷挤压成形工艺,利用有限元模拟深入分析了不同工艺参数对弹体粉末冷挤压成形时塑性变形规律、流动行为、应力状态等的影响.研究结果表明:在圆柱形坯料成形中,轴向拉应力的峰值显著高于其它方案,而采用端部带凹坑的锥台形坯料成形时,除整体的变形流动均匀性显著提高外,成形所需模具的有效应力值最小,因此为最佳方案.     

材料组织结构演变的介观模拟

计算机模拟在材料上的应用主要是对宏观、介观和微观上材料行为的模拟,其有很大的优越性,材料介观的组织结构转变对宏观材料行为有很大的影响,介绍了材料设计中的计算机模拟及其步骤。主要介绍了蒙特卡罗和元胞自动机2种计算机模拟方法对材料介观转变行为模拟的应用,其中包括了元胞自动机的基本原理及特征。     

纳米尺度界面低周疲劳破坏行为

为了研究纳米尺度界面的低周疲劳破坏特性,提出了一种利用聚焦离子束(FIB)技术和透射电子显微镜(TEM)进行纳米材料中界面疲劳破坏实验的新方法。采用FIB从宏观多层薄膜材料(硅/铜/氮化硅,Si/Cu/SiN)中成功制备出了由硅基体(Si)、200nm厚铜薄膜(Cu)及1000nm厚氮化硅层(SiN)构成的纳米悬臂梁试样。利用高精度微小材料加载装置,在TEM下对该试样进行了循环加载实验,并原位观测了不同试样中Cu/Si界面的低周疲劳破坏过程。研究发现,由于铜纳米薄膜的高屈服强度及两侧材料对其的变形约束,Cu/Si界面的疲劳强度在GPa量级。实验获得的应力幅值与界面破坏的载荷循环周数(S-N)曲线表明,在高应力水平区,界面的疲劳寿命显著依赖于施加应力的大小;在低应力水平区则存在疲劳极限。并且,Cu/Si界面的疲劳极限与单调加载实验中界面断裂应力的比值远大于宏观材料,这说明纳米尺度界面的低周疲劳破坏过程是一个脆性断裂的过程。     

40Cr冷滚打成形中宏观变形研究

为揭示40Cr在高速冷滚打中的成形机理,依据金属材料塑性变形机理,进行了高速冷滚打条件下的40Cr击打试验,研究了40Cr在高速击打变形过程中的变形温度、变形速率、温度对流变应力的影响.基于Zener-Hollomon本构关系和试验数据,求得了40Cr在高速、大变形下的材料参数,建立了材料初始应力和峰值应力变化模型,揭示了高速冷滚打成形宏观变形与成形因素之间的联系,为揭示冷滚打成形过程的热力耦合问题提供了理论基础.     

考虑各向异性损伤的统一弹塑性损伤模型

采用基于连续介质热力学与连续介质力学的宏观唯象理论的研究方法,引入俞茂宏相当应力,建立了各向异性损伤的统一弹塑性损伤模型和损伤演变相当应力模型,该模型考虑了材料的拉压异性与中间主应力效应,并将静水应力效应与偏应力效应分开考虑,符合从岩土到金属等各种材料实际,具有很广泛的实用性.     

金属微成形中微尺度效应新分类及评估分析

微尺度效应是金属微成形过程中特有的现象,也是深入研究微成形工艺和微尺度变形规律的瓶颈问题.文中提出了微尺度效应的新的分类方法,即将微尺度效应分为材料本征微尺度效应和工艺条件微尺度效应,并分析了这种新分类的意义.在相似性理论基础上提出了相似差、相似精度的概念,作为评估微尺度效应的相似性评价指标;在微尺度效应影响因素和微成形系统影响因素的分析中,引入了先验性的粗集权重确定法,提出了后效性的正交权重确定法,从而构建起微尺度效应的评价体系.根据以上分析评估方法,采用已有的实验数据,详细分析了微尺度效应的几个典型问题,结果表明,所提出的微尺度效应分类具有实际工程意义,应用所提出的评估方法得出的结论与已有试验相吻合.     

动态断裂介观判据的解析表达

提出了积分形式的应力的动态断裂的介观判据，由此裂纹尖端应力分布的奇异性问题得到了解决．原子半径作为微观参量引入到判据中，同时在描述材料惯性效应时提出了特征时间的概念．该判据同时反映了加载速率、缺陷和试样的几何因素，以及包括微观结构参数在内的材料常数的影响．     

连续柔性成形三维曲面件的形状控制模型

对于给定的有序型值点,采用非均匀有理B样条插值技术构建目标曲面及其截面线方程,并基于回弹效应和双向曲率的相互影响建立横向(垂直于柔性辊的滚动方向)、纵向(沿柔性辊的滚动方向)的形状控制模型,给出了连续柔性成形过程中柔性辊轴线上控制单元的相对位置及上柔性辊的压下量,实现了反求工程与连续柔性成形技术的结合。通过数值模拟计算出横向形状控制模型中的待定系数,并结合纵向形状控制模型进行了实验验证,最终成形件的曲率与目标曲率相一致。     

EA4T车轴钢残余应力与组织性能的研究

EA4T钢是一种欧洲牌号的优质低碳合金钢,主要应用于地铁车轴和高速动车组车轴.EA4T车轴的过渡圆弧处在服役过程中受力情况复杂,该部位材料的微观组织与残余应力分布对其服役性能有重要影响.本文采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、以及短波长X射线应力仪对车轴不同部位的织构、显微组织以及残余应力进行了表征.结果表明,EA4T车轴的组织主要为马氏体和贝氏体,晶粒细小均匀,车轴过渡圆弧滚压层内存在较大的残余压应力,轴内亦为压应力,但应力值较小,滚压使车轴表面形成了明显的织构.     

热加工材料动态再结晶介观组织模拟模型的研究进展

通过计算机模拟技术可以有效模拟金属材料热变形过程中动态再结晶组织的演化过程, 从而达到预测材料性能的目的。介绍了目前材料动态再结晶过程介观组织模拟的两种模型--元胞自动机(cellular automaton, CA)模型和蒙特卡洛(monte carlo, MC)模型的模拟技术及其研究进展, 重点分析了现有动态再结晶介观组织MC模型存在的问题并且提出了解决思路。     

多晶铜和铝单轴棘轮行为的循环晶体塑性本构模拟

针对实验揭示的面心立方金属多晶紫铜和多晶纯铝的单轴棘轮行为演化特征,采用一种基于晶体塑性理论的循环多晶塑性本构模型,对这两种多晶金属材料的单轴棘轮行为进行了本构描述。采用的循环多晶塑性本构模型中使用了一种简单的显式尺度过渡法则。结果表明:该本构模型对两种材料的单轴棘轮行为及其应力幅值和平均应力依赖性给出了很好地理论描述;同时,还揭示了面心立方单晶棘轮行为对单晶晶向的强烈依赖性。     

混凝土材料的动态承载力与惯性效应

混凝土材料的宏观承载力包括材料的真实动态强度与惯性效应两部分,本文为了建立描述混凝土宏观承载力的物理模型,分析了材料真实动态强度与惯性效应的物理机制,建立了一个质量-阻尼元器件模型,进行了混凝土材料的SHPB数值实验.研究结果表明混凝土宏观承载力中的真实动态强度取决于材料特性及应变率的大小;惯性效应与应变率的梯度成正比例关系,而与应变率无关;提出的质量-阻尼元器件模型可以定性地表征混凝土材料的真实动态强度和惯性效应.     

岩体内应力波传播的研究进展与展望

岩体动态力学行为和应力波传播特性是岩体工程动态稳定性分析的关键科学问题之一.天然岩体内广泛存在着从细观缺陷到宏观节理等不同尺度的不连续结构面,影响应力波的传播,导致应力波能量的衰减.岩体内的细观缺陷和宏观节理对应力波传播的影响具有不同的作用机理,充分认识不同尺度的不连续面对应力波传播规律的影响对岩体工程动态稳定性分析具有重要意义.首先,分析了应力波在细观缺陷岩体内的衰减机制,详细介绍了研究细观缺陷岩体内应力波传播的波散射方法、等效弹性模量方法、等效黏弹性连续介质方法,对比总结了这些方法的适用性及优缺点.其次,分析了应力波在宏观节理岩体内的透、反射机制,系统介绍了研究宏观节理岩体内应力波传播的位移不连续方法和等效连续介质方法,重点概述了这2种方法的优缺点.再次,总结了双尺度不连续结构面岩体内应力波传播的分析方法,在同一框架内分析了双尺度不连续结构面岩体内应力波的传播规律,阐明了细观缺陷和宏观节理对应力波传播规律的不同作用机理.最后,结合深部岩体工程、极地岩体工程等国家重大项目,展望了应力波分析方法在极端环境下岩体工程稳定性分析中的应用.     

增强型地热储层多场耦合数值模拟研究进展

增强型地热系统(Enhanced Geothermal System, EGS)通过改变储层渗透率提高取热效率,是典型的裂缝型储层,在注、采取热过程中,岩体储层受流体流动(H)、传热(T)、力学变形(M)、化学溶蚀(C)等多个物理过程共同作用影响.EGS多场耦合数值模拟作为室内实验、现场测试的必要补充,对研究和理解多场耦合作用和生产实践非常重要,已在模拟软件、模型建立方面历经40多年发展.为此文中围绕EGS多场耦合数值模拟,从裂缝型储层表征、多场耦合模型和多场耦合快速求解方法三个方面展开阐述.通过总结分析得出,现在已经发展了多种表征裂缝型储层的方法,但如何将其应用于EGS系统并实现精细化表征仍需深入研究;大部分可用于研究EGS取热过程的商用和开源求解器多用于宏观尺度模拟,对于THMC全耦合模化分析的研究工作还比较有限;多尺度有限体积法(Multiscale Finite Volume Method, MsFV)在一定程度上可加快多孔介质渗流问题的计算效率,已在流动、换热领域得到应用;本征正交分解技术(Proper Othorgonal Decomposion, POD)对全阶模型降阶后...     

水稳碎石材料细观修复行为及最佳修复时机

为了探究水稳碎石(CSM)材料的细观修复行为及最佳修复时机,基于损伤-愈合模型对其修复效果影响因素进行了分析。首先,基于离散元法(DEM)建立CSM的二维半圆弯曲(SCB)数值试件,引入损伤因子模拟材料的局部损伤与愈合效应,进而构建细观尺度的损伤-愈合数值模型。其次,通过虚拟SCB疲劳试验实现不同程度的荷载损伤,基于愈合变量来表征损伤修复过程,模拟局部损伤愈合行为。然后,基于损伤-愈合模型开展不同损伤状态下的修复效果评估,分析初始损伤状态、愈合程度对修复效果的影响规律,并进一步研究了CSM材料的最佳修复时机。结果表明：所提出的损伤-愈合模型能够再现CSM材料在细观尺度上的损伤与愈合行为,初始损伤状态和愈合程度对修复效果的影响具有非线性,在70%～85%的疲劳寿命阶段,局部损伤修复对结构强度的提升作用较为显著。基于对损伤修复效果的数值分析,推荐将70%～85%的疲劳寿命作为CSM材料的最佳修复时机,此外,选择强度优良、数量充足的愈合剂可以最大程度地提升局部损伤修复效果。