基于虚场法的铝合金各向异性屈服及硬化属性参数同步表征

变形铝合金板材因轻质、高比强和比模量等优点广泛应用于航空航天工业中,其轧制生产过程引起的塑性各向异性可显著影响板材的变形行为,加大零部件成形精度控制和服役行为数值模拟预测的难度。针对目前常规测试方法表征材料各向异性屈服及各向异性塑性硬化属性所需试验数量多、种类复杂、限制条件多的现状,结合全场变形测量和虚场法,通过一种桥型试件的循环拉伸-压缩试验,首次实现2024铝合金板材各向异性屈服与塑性硬化本构参数的同步表征,大幅减少试验数量,简化试验过程。研究表明,采用当前的加载构型,在参数优化目标函数中结合材料0°和90°两个拉伸加载方向的试验数据,并配合多虚场约束,可以在不同参数表征初始猜测值下产生稳定的Hill1948各向异性屈服参数表征结果,保证解的准确性;对于非线性运动硬化模型,采用单材料方向加载和单虚场的目标函数即可获得对应材料方向稳定可靠的非线性运动硬化参数表征结果。研究成果可为铝合金板材成形工艺分析提供理论依据、数据参考和便捷的测试技术支持。     

各向异性非线性随动硬化本构模型的建立及应用

基于平面应力假设,采用HILL48各向异性屈服准则和A-F非线性随动硬化模型及塑性流动法则建立一种各向异性非线性随动硬化本构模型。运用向后欧拉回映算法,通过Fortran语言编写UMAT子程序,将该本构模型嵌入到ABAQUS软件中。以板料经过拉深筋的循环加载问题为研究对象,利用开发的本构模型、ABAQUS软件中的各向同性屈服及随动硬化模型对板料经过拉深筋的变形过程进行数值模拟分析,得到切向应力-应变循环变化曲线。对比试验结果,开发的弹塑性本构模型的计算精度更高,验证了所建本构模型的有效性,该模型可以应用于板料反向加载变形行为研究。     

GS-20Mn5钢非对称循环应力-应变本构模型及其应用

在实际工程中,机械结构件承受反复载荷时,内部往往是非对称的应力应变状态。在非对称循环加载条件下,材料不仅会表现出循环软/硬化特性,还会表现出平均应力松弛行为。这会影响其在循环稳定状态下的力学性能,进而影响结构在相应工况下承载服役的强度安全性。针对大型压机本体结构常用GS-20Mn5钢进行了单向拉伸及应变比R为0.5,应变幅0.20%、0.25%、0.27%、0.30%和0.40%的非对称应变循环加载试验研究,分别构建了基于单向拉伸试验结果的A-F随动硬化模型,以及基于非对称循环加载的Landgraf模型来描述其平均应力松弛特性,将其应用到Ramberg-Osgood公式中,结合A-F非线性随动硬化模型,建立了非对称循环加载条件下对应于循环应力-应变曲线的本构模型,并确定了相应模型参数。针对承受非对称循环载荷的某大型锻造液压机上横梁,应用所建立的本构模型分别进行了安定性数值分析,评估了其在循环载荷下的弹塑性强度安全性。结果显示,与采用单向拉伸条件下的A-F模型时的计算结果相比,采用非对称循环应力-应变本构模型时上横梁的安定极限载荷提高了约7%。     

基于各向异性弹塑性损伤模型的钣材单向拉伸模拟

采用基于损伤能量等效性假设的损伤演化模型，结合弹塑性损伤耦合分析的本构积分算法，建立了各向异性弹塑性损伤的有限元分析模型，研究开发了可用于板壳变形分析的厚向异性弹塑性损伤本构计算程序，对金属材料弹塑性损伤进行了数值分析研究。对于复杂的弹塑性损伤本构模型计算，通过将损伤演化模型拟合成带有微小初值的幂函数形式，对钣料单向拉伸试验进行计算，较好地模拟出了材料的应力一应变关系曲线。     

高应变率下材料本构模型建模及其在插齿切削力预测中的应用

插齿是加工齿轮的重要工艺方法,插削力是制定插齿加工工艺的重要依据。为获得插齿过程中的工件材料属性,采用霍普金森压杆试验,获得工件材料高应变(10~2~10~4s~(-1))下的Johnson-Cook(J-C)本构模型。基于工件材料本构模型,通过有限元模拟插齿过程,获得插齿切削力。采用刨削模拟插齿切削,对插齿切削力进行了实测试验。通过对比分析插齿切削力、模拟与试验结果,验证了本构模型和有限元模型及模拟结果的正确性,进而通过有限元数值模拟分析了刀具几何参数和切削参数对切削力的影响规律。文中建立的材料本构模型和插齿切削有限元模型可较准确地预测插齿切削力。     

用于延性材料力学性能测定的圆柱平面-小冲杆试验新方法与应用

针对均匀、各向同性、幂律硬化的金属材料圆片试样,以圆柱平面小冲杆对试样圆面中心法向施加压载荷,提出基于能量密度等效的、用于描述试样几何尺寸、材料本构关系参数、载荷和位移之间关系的圆柱平面-小冲杆试验(Flat small punch test, F-SPT)弹塑性模型,并提出获取材料应力-应变曲线和力学性能指标的F-SPT新方法。通过有限元分析对不同弹性模量、屈服强度和硬化指数组合的48种预设材料进行新方法的数值验证,以及对10种金属材料完成F-SPT,结果表明,由新方法获得的应力-应变曲线与有限元分析预设曲线和传统单轴拉伸试验结果吻合良好,此外,由新试验方法获得的弹性模量、屈服强度和抗拉强度与单轴拉伸试验结果误差大部分低于7%。     

环形丁腈橡胶件静刚度的有限元模拟

对矩形丁腈橡胶件进行静态拉伸试验,通过对试验得到的应力、应变数据进行拟合,得到了Mooney-Rivlin超弹性本构模型参数,利用此本构模型对环形丁腈橡胶件进行静压缩有限元模拟,进行了试验验证,并分析了环形丁腈橡胶件的壁厚、外径以及温度对其静刚度的影响。结果表明：通过有限元方法模拟得到矩形丁腈橡胶件静态拉伸大变形阶段的力-位移曲线与试验结果相吻合,相对误差小于5%,表明Mooney-Rivlin超弹性本构模型可准确描述丁腈橡胶的超弹性特性;环形丁腈橡胶件静刚度的有限元模拟结果与压缩试验结果的相对误差为13.1%,证明了该有限元方法的准确性;随着壁厚或外径的增加,环形丁腈橡胶件的静刚度减小;随着温度的升高,静刚度减小,但减小速率逐渐降低。     

低频振动塑性成形粘弹塑性模型的体积效应分析

采用Kirchner对应变时间历程的基本假设,针对振动拉伸建立一个一维粘弹塑性模型;利用MATLAB中的符号计算,推导粘弹塑性本构方程的显式表达式.通过确立粘弹塑性边界并对本构方程进行数值求解,可以确定金属在振动加工过程中,其应力应变在粘弹性与粘塑性之间的变化情况.通过计算瞬时应变的大小与屈服限建立粘弹性变形和粘塑性变形的判断准则.在考虑粘弹塑性本构关系中的后继屈服情况、应变历程、应变率历程及弹性应变等因素后,可以确定单轴振动拉伸时材料变形的动态应力和平均应力.根据所给定的振型参数和材料力学性能参数,结合特定的振动拉伸实例,分别得出金属在准静态拉伸和振动拉伸时的动态应力-时间、动态应力-应变和平均应力-应变率的变化趋势等,实现基于粘弹塑性本构关系的低频振动塑性成形的体积效应机理分析.     

一种估计管材硬化模型参数的方法

管材力学性能参数的准确性是影响管材塑性成形有限元数值模拟质量的关键因素之一。单向拉伸试验的试件取自滚弯和焊接等制管工序之前的平板坯料 ,所测应力—应变关系无法真实描述管材的塑性变形行为。单向拉伸试验也不能精确反映管材在实际塑性成形中所处的复杂应力状态。基于各向同性硬化假设 ,本文提出了一种轴压胀形、单向压缩试验和数据拟合技术相结合的估计管材硬化模型参数的方法。有限元数值模拟结果显示 ,由这种方法所估计出的管材硬化模型参数是相当准确的。     

一种基于Chaboche理论的混合硬化模型及其在回弹仿真中的应用

为提高相变诱发塑性钢板的回弹仿真精度,在Voce非线性各向同性硬化和Chaboche随动硬化理论的基础上建立混合硬化模型。采用LSDYNA软件建立实现正交应变路径的单向拉伸有限元模型,结合LS-OPT软件,以仿真获得的应力应变曲线与试验应力应变曲线的偏差最小为目标,对混合硬化模型中的待定系数进行优化识别。采用该混合硬化模型预测TRIP780钢U形件的回弹,并进行试验验证。对仿真和试验误差因素进行总结。结果表明,基于Voce各向同性硬化和2项背应力组成的Chaboche随动硬化模型的混合硬化模型具有比各向同性硬化模型更高的冲压件回弹预测精度,优化过程中近似模型和预应变水平的选取以及轮廓线获取均是本文误差的重要来源,采用优化软件与有限元软件相结合确定硬化模型参数的方法在实际应用中精度高且方便可行。     

金属材料低周疲劳生热的有限元数值模拟

由于热弹塑性效应的存在,使得材料在低周疲劳载荷作用下发生的力学变形将导致材料温度发生变化,因而可通过观测温度变化判明材料的累积疲劳损伤。基于此,采用叠加各向同性强化模型的非线性随动强化模型作为循环载荷下的材料力学本构模型,以有限元软件ANSYS为平台,对SS304不锈钢平板试件在控制应变循环载荷作用下的热弹塑性效应进行数值模拟,着重分析一个载荷周期内导致材料温度发生变化的各种机制。结果表明,在一个载荷周期内,若材料处于弹性变形范围内,则引起材料温度变化的只有弹性拉伸和弹性压缩两种机制,且弹性拉伸引起温降,弹性压缩引起温升;若材料处于弹塑性变形范围内,则塑性拉伸、弹性压缩和塑性压缩导致材料温度上升,弹性拉伸导致温度降低。在整个载荷周期内,热弹性效应导致材料温度发生波动,热塑性效应导致材料平均温度升高。此外,若将材料温度的变化信息叠加到应力-应变变化的信息上,还可判明材料的屈服强度以及材料在载荷作用下所处的应力状态,如弹性拉伸、塑性拉伸、弹性压缩以及塑性压缩等状态。     

机织复合材料各向异性超弹性本构模型

基于纤维增强连续介质力学理论,提出一种超弹性本构模型来描述机织复合材料织物在成形过程中由于大变形所引起的非线性各向异性力学行为。在这一模型中,应变能函数被分解成两部分:一部分代表由于经纱和纬纱各自拉伸所产生的拉伸应变能;另一部分代表由于经纱和纬纱之间角度变化而产生的剪切应变能。本构模型中所需的材料参数通过对机织复合材料织物的单向拉伸以及偏拉试验数据的分析与拟合来求得。利用对一平纹机织复合材料的单曲率半球形冲压成形试验进行有限元模拟来验证模型。模拟结果与试验结果对比表明所提出的超弹性本构模型能够很好地表征机织复合材料在大变形下的非线性各向异性力学行为。这一本构模型具有简单实用、材料参数容易确定的优点。该模型对于机织复合材料成形的数值模拟与成形工艺优化设计有着重要的意义。     

基于小尺寸材料试验与有限元分析的耦合方法获取材料力学性能

采用T-F(Tests and finite element analysis)方法,通过小尺寸圆环试样单轴压缩试验,引入单轴本构关系模型进行有限元迭代计算使得模拟计算的试样变形与圆环试样压缩实验结果满足一致性,进而得到材料单轴弹塑性本构关系参数。研究表明,对不同厚度的304不锈钢圆环,应用T-F方法获得的材料本构关系与单轴拉伸试验结果吻合较好。基于小尺寸材料的T-F方法在获取小尺寸构件的力学性能方面有良好的工程应用前景。     

基于包辛格效应的回弹仿真分析

金属材料在一个方向上的应变硬化降低了反方向的屈服强度,材料包辛格效应的存在对车身成形仿真精度产生了重要影响,尤其现今高强钢和铝合金的大量应用,使车身成形件的回弹问题日益突出,车身模具制造对有限元回弹预测的准确性提出更高的要求。为了提高回弹的仿真精度有必要对材料的包辛格效应进行研究,利用一套夹具对DC06和DP600两种材料的薄板进行拉伸压缩试验,获得不同预应变下的位移加载曲线,通过拉伸压缩试验结果与仿真结果的对比分析,得到能反映材料包辛格效应的非线性混合硬化模型材料参数。开展U形件成形试验,并建立试验的仿真模型,计算DC06和DP600薄板的U形件成形回弹量,分析等向强化、混合强化和随动强化本构模型对回弹预测精度的影响,针对回弹仿真结果和试验结果的差别,对影响仿真精度的材料模型因素进行分析。结果表明,DC06和DP600的包辛格效应大小存在差别,考虑包辛格效应有助于回弹仿真精度的提高,但小曲率弯曲成形回弹计算对材料本构模型的敏感性,限制了回弹仿真精度的提高。     

多工序成形混合硬化模型及其在高强钢回弹补偿中的应用

回弹缺陷是高强钢板料冲压时的一大难题,尤其对于多工序成形的零件,内应力作用引起的回弹问题更加复杂。在准确预测回弹的基础上修改模具型面的回弹补偿方案是解决这一问题的关键。为此,采用一种多工序混合硬化模型,结合有限元分析工具Ls-Dyna以及Ls-Opt,对模具型面迭代补偿。在自行改装的实验平台上,一项对高强钢DP600的循环拉伸压缩实验表明,与其他材料硬化模型相比,多工序混合硬化模型在多轴向的拉伸压缩实验中应力应变曲线的预测精度更高。某汽车A柱的多工序成形的回弹补偿结果证明该方法方便实用且精度高。     

混凝土内部受压力学性能试验与本构分析

为了精准测量受压混凝土内部应力-应变关系,通过在丙烯酸树脂杆上布置电阻式应变片,测量得到混凝土试块内部应变,研发大量程微型土压力盒实现混凝土内部应力测量。将相关测试装置预埋在混凝土试块内部,完成混凝土试块单轴压缩试验,获得精准的混凝土内部应力-应变关系数据。结果表明,混凝土内部本构模型相对于传统本构模型具有良好的延性,且峰值强度远高于传统本构模型。结合国内外几种具有代表性的混凝土本构方程对试验进行了有限元模拟,针对应力-应变曲线、峰值强度及峰值应变进行了对比分析。分析结果表明：实测的混凝土内部应力-应变曲线合理准确,相关测量方法具有良好的精度和可行性;基于我国规范模型的有限元模拟结果与试验结果吻合最好,可进一步推广使用。     

E-玻璃纤维2D编织层铺增强复合材料的损伤力学本构模型及应用

由拉伸试验获得E-玻璃纤维2D编织层铺增强树脂基复合材料的力学性能,通过弹性力学推导出材料正交各向异性的本构关系,并对本构关系中的刚度矩阵进行数值解析,得到复合材料的弹性本构方程;将结果应用于Hashin强度准则,建立了以连续损伤力学为基础的正交各向异性损伤本构模型。将所建立的弹性及损伤本构关系赋予层合板三维模型,通过ABAQUS/Explicit软件模拟弹丸冲击复合材料层合板的过程,并对模拟结果进行分析。结果表明:当冲击载荷达到材料的临界损伤值(732N)时层合板发生破裂,并在24μs达到最大变形量,此时应力重新分配,且复合材料横截面上的应力在中心处从0向外逐渐增大到509.8MPa;在冲击整个过程中,材料的损伤从中心向四周呈放射状递减。     

基于J-C模型的GH907高温合金动态本构关系及失效关系

使用万能材料试验机、霍普金森拉杆和霍普金森压杆装置研究了航空发动机机匣材料GH907高温合金在常温下的准静态力学性能及20～400℃下的动态力学性能;基于试验结果,拟合得到Johnson-Cook(J-C)本构模型和失效模型参数,并对试验合金动态压缩过程进行模拟以验证本构模型参数的有效性.结果表明:常温下在0～3000 s-1应变速率范围内拉伸时,试验合金具有明显的应变速率效应,但是压缩时对应变速率不敏感;在20～400℃温度范围内,试验合金的软化效应明显;建立的J-C模型能够较为准确地预测该合金在不同温度和应变速率下的力学行为,试样几何尺寸和最大应力的仿真结果与试验结果的相对误差在2％以内.     

环件冷辗扩中材料的本构关系

对弹塑性材料拉伸试验进行假设,选取能够符合冷辗扩本构特征的兰伯-奥斯古简化模型,根据拉伸试验国家标准,对4组冷辗扩用轴承钢GCr15作拉伸试验,基于拉伸试验结果,采用数值拟合的方法得到了适合于环件冷辗扩弹塑性有限元计算的本构方程.     

热塑性聚氨酯复合纤维布料拉伸过程的超弹性和黏弹性本构模型

通过拉伸试验,分别考虑涂层的影响以及拉伸时间、拉伸速度、黏弹性应力与反作用力对初始应力的影响,建立了改进后的热塑性聚氨酯复合纤维布料及其单股纤维束的超弹性本构模型和黏弹性本构模型,预测了拉伸过程的应力-应变和应力松弛曲线,并与试验结果进行对比.结果表明:建立的超弹性本构模型能较准确地预测布料及其单股纤维束的应力-应变曲...