基于微孔贯通细观损伤模型的金属韧性断裂分析

韧性材料断裂过程通常可看作是材料内部微孔洞的形核、扩展及相互贯通的积累。经典的Gurson- Tvergaard (GT)模型能够很好地模拟具有变形均匀、各向同性的孔洞的萌生及扩展过程;但无法模拟由孔洞贯通而引起的局部变形过程,因此需要对其修正,引入相应的孔洞贯通准则。该文采用两种贯通准则对经典GT模型进行修正,即Thomason的塑性极限载荷准则和临界等效塑性应变准则。借助用户自定义程序UMAT将采用这两种贯通准则修正的GT本构关系嵌入至商用有限元软件ABAQUS中,从而可通过对金属材料应力状态和断裂机理的分析控制孔洞的贯通。以一组含有不同缺口根半径的圆棒拉伸试验件为例,分析了该类金属构件自孔洞萌生至最终断裂的整个损伤演化过程,并与试验数据进行了对比,验证了该模型的有效性。该文还讨论了金属断裂过程中应力三轴度对微裂纹萌生与扩展的影响。     

原位自生TiB2颗粒增强2024-T4铝基复合材料断裂行为数值模拟

利用SEM结合原位观测技术观察了颗粒体积分数为4.17%的原位自生TiB₂颗粒增强2024-T4铝基复合材料（TiB₂/2024-T4）的损伤断裂行为。试验结果表明,TiB₂颗粒偏聚带中的铝合金基体比颗粒稀疏区域中的铝合金基体率先发生断裂。根据这一试验现象建立了三种含随机颗粒偏聚带的二维体胞有限元模型,并施加拉伸载荷和周期性边界条件,推导了平面应力状态下的径向返回算法,结合Rice-Tracey局部失效准则模拟了颗粒偏聚带中微裂纹的萌生及扩展过程。数值分析结果表明：就单个颗粒来说,颗粒两极附近基体损伤最严重。颗粒偏聚导致损伤在颗粒附近基体中迅速累积,并发展成为基体微裂纹,且随着颗粒偏聚程度加剧,材料断裂应变下降。另外,体胞模型应力-应变曲线的非线性部分低于实测曲线,说明除了本文模型反映的载荷传递强化机制外,还需要进一步考虑颗粒对基体的间接强化机制。     

基于扩展有限元的多裂纹扩展分析

研究基于扩展有限元的多裂纹扩展分析方法以及ABAQUS环境下的程序实现。在位移函数中增加扩充项以描述裂纹周围的不连续位移场。初始裂纹以点集或方程的形式给出,并使用水平集函数将多裂纹信息离散到单元节点上,水平集函数还用来追踪裂纹扩展路径。使用局部水平集更新方法减小了计算规模,改进了裂尖单元的判断准则,借助商业软件Tecplot软件实现了裂纹扩展的动态显示功能。使用交互积分法计算混合模式下的应力强度因子,用最大周向拉应力准则判断裂纹扩展方向。探讨了网格密度和积分域尺寸对方法的影响,数值算例表明扩展有限元方法能够模拟任意形状的裂纹,并且能够反映多裂纹扩展的规律。     

高载作用下的疲劳裂纹闭合与残余应力作用

工程结构经常受到变幅载荷的作用,施加的高载对结构中的疲劳裂纹扩展有明显影响,了解高载作用机理对于随机载荷谱下的裂纹扩展预测十分重要。基于塑性诱导裂纹闭合原理,运用弹塑性有限元法模拟疲劳裂纹扩展。阐述了所采用的裂纹扩展模拟方法及确定裂纹张开和闭合应力的原理,计算获得等K基本载荷循环下的裂纹闭合特性和残余应力分布规律。重点分析在基本循环中插入单个拉伸超载、单个压缩超载和单个拉伸超载后紧跟单个压缩超载等情况下裂纹的张开、闭合应力及残余应力分布随裂纹扩展的变化规律。结果表明,超载在裂尖前方和裂纹尾迹区引起的压缩残余应力是导致裂纹闭合应力水平升高和裂纹扩展迟滞的重要原因。裂纹闭合效应在拉伸超载后瞬时减弱,但会随着裂纹扩展快速上升至超过正常水平;单纯的压缩超载对裂纹闭合的削弱可以忽略不计,但紧跟在拉伸超载之后的压缩超载将导致裂纹闭合效应减弱,削弱拉伸超载下的裂纹扩展迟滞效应。