延性金属膨胀环的运动及断裂的三维数值模拟

利用LS-DYNA三维动力有限元软件对延性金属环的膨胀运动与断裂进行数值模拟。在膨胀环圆周加入泊松随机分布断裂成核点,利用J-C本构模型,研究诸如颈缩形成时间、颈缩区与均匀变形区的温度、应力、应变的对比等颈缩形成机理,以及讨论了环圆周上断裂成核点的泊松随机分布碎裂特性的影响。数值计算结果与实验结果、理论分析结果吻合较好,表明施加泊松随机断裂成核点的数值模拟方法是合理的。     

Y态TU1环的动态脆性碎裂特性

针对膨胀环的碎裂问题,以Mott碎裂理论和Grady能量平衡理论为基础,利用裂纹张开位移碎裂模型（crack opening displacement model,COD）描述脆性无氧铜环的碎裂特性,并推导了碎片尺寸和数目表达式。利用电磁膨胀环加载技术,完成了不同应变率的脆性无氧铜（TU1）环碎裂实验,实验结果与理论计算结果符合较好,可为脆性金属环膨胀碎裂特性描述提供参考。     

韧性材料冲击拉伸碎裂中的碎片尺寸分布规律

利用有限元方法模拟韧性金属圆环高速膨胀过程中的碎裂过程, 获得不同初始膨胀速度下碎片的样本集合. 通过对碎片的尺寸进行统计分析发现:(1)无论初始膨胀速度如何, 碎片的归一化尺寸分布具有相似性, 可以用一个具有初始阈值的Weibull分布描述, 近似地, 这个分布还可以简化为Rayleigh分布;(2)碎片尺寸的累积分布曲线呈现阶梯特性, 表现出较明显的"量子化"特性.在上述发现基础上, 建立一个Monte-Carlo模型:碎裂点来自于颈缩点, 颈缩之间的间距满足某种连续的Weibull分布, 而碎片的尺寸为随机的若干个颈缩间距之和.概率模拟表明:除非早期的颈缩间距分布很宽, 否则选择的离散性必然导致碎片尺寸分布呈现某种量子化特性.采用L04工业纯铝和无氧铜试件进行了爆炸膨胀碎裂实验, 回收得到的碎片尺寸分布结果与理论分析基本一致.     

基于Aramis系统的韧性材料颈缩段应变分析

为了研究韧性材料在颈缩状态下颈部的应力分布,本文首先从理论入手,对比了传统的颈缩半经验应力解——Bridgman解和陈篪解。详细讨论了两解的差异,指出陈篪解的精度高于Bridgman解。然后,在室温下对16组Q235和Q345钢材进行了单轴拉伸实验,并在此过程中利用Aramis系统同步进行跟踪测量,得到了材料在颈缩段最小截面上的半径和表面轴向应变。最后,利用这些实验数据对比讨论了两解的精度和造成误差的原因。结果表明:造成陈篪解误差的原因是在整个颈缩过程中,应变均布假定并不能得到很好的满足,且在整个颈缩过程中,颈部最小截面上的径向应变的值始终大于环向应变。本文研究得到的成果,能为今后研究者计算颈缩段应力分布提供依据,并为分析韧性断裂机理提供参考。     

Cr15Mn9Cu2Ni1N不锈钢的高温拉伸变形特性分析

利用热/力模拟试验机,对Cr15Mn9Cu2Ni1N不锈钢进行了950℃~1200℃高温范围内的拉伸试验;采用有限元方法对试样的均匀变形过程进行了分析。高温拉伸过程中,试样在达到最大应力后并不立即颈缩,而是还要经历一段宏观均匀变形后才颈缩。分析结果表明:最大应力之后,试样端部区域等效应力降低,横截面积收缩量减小,而中心区域横截面积收缩量增大,形成了潜在颈缩区;在应变速率敏感性的作用下,潜在颈缩区的变形抗力随应变速率的增大而增加,使变形不能在该区域集中,而转向其它位置,保持了试样的宏观均匀变形,且颈缩未在最大应力后立即发生;在高温拉伸条件下,材料应变速率敏感性的增大是颈缩延迟发生的主要原因,随着变形温度升高,应变速率敏感性增大,也使得试样颈缩前的均匀变形量增大。     

考虑颈缩的裂纹扩展断裂准则

本文研究考虑颈缩的平面应力Ⅰ型裂纹问题。首先对薄板中裂纹前缘颈缩区中的应力状态进行了近似分析,建立了较一般的结合力模型。在此基础上,提出了考虑颈缩的裂纹扩展准则——相对板厚减薄准则。最后对这一准则进行了讨论。     

颈缩的有限元分析

本文用弹塑性大应变问题的等参数有限元分析程序(LEPS程序),对平板和圆棒试件的颈缩作了较全面的分析。取得了颈部形状、拉伸曲线和颈缩区的应力应变分布等计算结果,并和实验结果作了比较。这对进一步研究材料的硬化与断裂等力学性能是有益的。     

高导无氧铜杆高应变率拉伸下的颈缩与断裂

采用Hopkinson拉伸实验装置和一种高速拉伸断裂实验新装置,对高导无氧铜(OFHC)杆件进行了一系列高应变率拉伸断裂试验.实验结果表明,局部化的断裂应变随拉伸速度增大并不明显增大,其断裂位置有随机性.存在一种临界拉伸速度,当冲击拉伸速度大于此值时,断裂即发生在冲击拉伸端附近,杆的其它部分几乎无应变.采用典型的Johnson-Cook本构关系,使用LS-DYNA程序进行一系列数值模拟,提出颈缩处直径收缩率达极值的颈缩失效判据,由此计算所得的局部化颈缩应变及断裂位置与试验回收结果有一定差别.     

Bridgman 解的试验验证与分析

为研究韧性材料单轴拉伸试样的颈缩规律及颈部应力场的分布，对 Q235钢、14CrNiMoV合金钢、LY12铝合金等三种典型的金属材料光滑试样和切口试样进行了单向拉伸试验，通过研究材料屈服过程的细观机理和颈缩部位最小截面上不同位置处孔洞大小和形状的变化规律，分析了颈部应力解 Bridgman 公式中主要试验和理论上的依据和假设，并给出了影响颈部应力场分布的主要因素。结果表明：Bridgman 公式中等轴假设基本成立，屈服条件应用不合理，且颈缩部位的复杂应力场并非由颈缩部位最小截面的全面屈服和材料塑性流动导致，颈缩后构件几何形状的变化是引起应力场重新分布的主要因素。     

粗晶LY-12合金准超塑性单轴拉伸模拟

在试验的基础上，利用Chaboche本构模型对LY-12准超塑性单轴拉伸变形进行数值模拟，对其能够实现大延伸率的力学现象进行分析，由于材料具有高应变速率敏感指数，颈缩不发生在标距中间，而是有多处出现颈缩，不同颈缩相互的松弛作用对变形起重要作用，模拟和试验都表明，温度一定，不同应变速率下，颈缩发生的位置和颈缩程度不同，从而最大破坏延伸率也不同，利用该模型可以预测粗晶LY—12材料的超塑性变形能力和可能破坏的部位。     

韧性材料颈缩主应力面上应变分布假定的研究

为了深入研究韧性材料主应力面的应变分布情况,讨论Bridgman关于主应力面上应变均布假定的精度．本文首先结合断口学基本理论与在室温条件下拉伸断裂的Q235钢、40Cr钢和45#钢断口电子显微镜扫描结果,从微观角度分析其韧窝分布后发现应变均布假定存在一定的误差;然后基于体积守恒和Aramis三维应变观测系统测得的试验结果,将计算值和试验值进行对比分析发现,三种材料中除含碳量较高的45#钢外,应变均布假定并不适用于分析颈缩主应力面上应变分布．本文的研究成果可为进一步研究韧性材料颈缩大塑性阶段的应力、应变本构关系提供一定的参考．     

Perturbation solution of axisymmetric plastic problem I—Necking of a bar

In this paper, basing on the general equations of axisymmetric plastic problems deduced in ref. [11], and employing perturbation technique, the asymptotic analysis for the necking problem is given. The result will provide knowledge of distribution of stress and strain in whole plastic region, thus, it will lead to a better understanding of the necking phenomena in a tension specimen, such as the cup-cone type fracture.Communicated by Chien Wei-zang.     

金属材料脆性断裂机理的实验研究

材料的脆性断裂有许多准则和模型,但对脆断机理和变化规律缺乏合理的描述,给工程应用带来不便。本文对典型脆性材料球墨铸铁、灰铸铁分别进行了拉扭双轴断裂实验和常规拉伸、扭转破坏实验;对韧性金属材料合金钢进行了单轴拉伸颈缩破坏实验。通过上述实验分析了脆性材料和韧性材料发生脆性断裂的机理特征并选择应力三维度作为应力状态参数描述危险点的应力状态,同时考察了脆性材料和韧性材料发生脆性断裂的主导因素。结果表明:韧性材料45#钢和14CrNiMoV合金钢在颈缩断面心部应力三维度值较大时发生脆性拉断,而在颈缩断面边缘处应力三维度值较小时发生剪断;脆性材料球墨铸铁在应力三维度值为0.0～0.33之间变化时均发生脆性断裂;灰铸铁在应力三维度值大于0.0时发生脆性拉断,而在应力三维度值小于0.0时发生剪断。因此可以认为,材料的细观组织结构和危险点应力状态是影响断裂机理及变化规律的主要因素。对于同种材料,随着应力三维度代数值从小向大变化材料的断裂机制由塑性剪切断裂逐渐转变为脆性断裂。本文通过对几种材料的脆性断裂危险点和断裂方向的研究给出了脆断宏观破坏条件。     

Mode I fracture of sheet metal

The perceived wisdom about thin sheet fracture is that (i) the crack propagates under mixed mode I & III giving rise to a slant through-thickness fracture profile and (ii) the fracture toughness remains constant at low thickness and eventually decreases with increasing thickness. In the present study, fracture tests performed on thin DENT plates of various thicknesses made of stainless steel, mild steel, 6082-O and NS4 aluminium alloys, brass, bronze, lead, and zinc systematically exhibit (i) mode I “bath-tub”, i.e. “cup & cup”, fracture profiles with limited shear lips and significant localized necking (more than 50% thickness reduction), (ii) a fracture toughness that linearly increases with increasing thickness (in the range of 0.5-). The different contributions to the work expended during fracture of these materials are separated based on dimensional considerations. The paper emphasises the two parts of the work spent in the fracture process zone: the necking work and the “fracture” work. Experiments show that, as expected, the work of necking per unit area linearly increases with thickness. For a typical thickness of , both fracture and necking contributions have the same order of magnitude in most of the metals investigated.A model is developed in order to independently evaluate the work of necking, which successfully predicts the experimental values. Furthermore, it enables the fracture energy to be derived from tests performed with only one specimen thickness. In a second modelling step, the work of fracture is computed using an enhanced void growth model valid in the quasi plane stress regime. The fracture energy varies linearly with the yield stress and void spacing and is a strong function of the hardening exponent and initial void volume fraction. The coupling of the two models allows the relative contributions of necking versus fracture to be quantified with respect to (i) the two length scales involved in this problem, i.e. the void spacing and the plate thickness, and (ii) the flow properties of the material. Each term can dominate depending on the properties of the material which explains the different behaviours reported in the literature about thin plate fracture toughness and its dependence with thickness.     

A new approach for failure criterion for sheet metals

The interpretation of sheet forming simulations relies on failure criteria to define the limits of metal deformation. The common requirements for these criteria across a broad range of application areas have not yet been satisfied or fully identified, and a single criterion to satisfy all needs has not been developed. Areas where existing criteria appear to be lacking are in the comprehension of the effects of non-proportional loading, general non-planar and triaxial stress loading, and process and material mechanisms that differentiate between necking and fracture. This study was mainly motivated to provide an efficient method for the analysis of necking and fracture limits for sheet metals. In this paper, a model for the necking limit is combined with a model for the fracture limit in the principal stress space by employing a stress-based forming limit curve (FLC) and the maximum shear stress (MSS) criterion. A new metal failure criterion for in-plane isotropic metals is described, based on and validated by a set of critical experiments. This criterion also takes into consideration of the stress distribution through the thickness of the sheet metal to identify the mode of failure, including localized necking prior to fracture, surface cracking, and through-thickness fracture, with or without a preceding neck. The fracture model is also applied to the openability of a food can for AA 5182. The predicted results show very good agreement with the experimentally observed data.     

金属材料平面应变拉伸变形局部化有限元分析

本文对于涉及韧性金属大变形中颈缩与剪切带断裂一类高度非线性变形局部化问题进行了弹塑性有限元数值模拟。采用改进的Ｊ２形变理论微分形式公式与交叉三角形四边形单元有限元网格，详细研究了应变硬化指数及初始表面不均匀特性的平面应变拉伸颈缩和剪切带形成的综合影响，给出此类问题的断裂机制图。     

45钢柱壳爆炸膨胀断裂的SPH模拟分析

金属柱壳爆炸膨胀断裂存在拉伸、剪切及拉剪混合等多种断裂模式,目前其物理机制及影响因素还不清晰。本文中采用光滑粒子流体动力学方法（smoothed particle hydrodynamics, SPH）对45钢柱壳在JOB-9003及RHT-901不同装药条件下的外爆实验进行了数值模拟,探讨柱壳在不同装药条件下发生的剪切断裂、拉剪混合断裂模式及其演化过程,模拟结果与实验结果一致。SPH数值模拟结果表明:在爆炸加载阶段,随着冲击波在柱壳内、外壁间来回反射形成二次塑性区,沿柱壳壁厚等效塑性应变演化呈凸形分布,壁厚中部区域等效塑性应变较内、外壁大;在较高爆炸压力（JOB-9003）作用下,柱壳断裂发生在爆轰波加载阶段,损伤裂纹从塑性应变积累较大的壁厚中部开始沿剪切方向向内、外壁扩展,形成剪切型断裂模式;而在RHT-901空心炸药加载下,虽然裂纹仍从壁厚中部开始沿剪切方向扩展,但随后柱壳进入自由膨胀阶段,未断区域处于拉伸应力状态,柱壳局部发生结构失稳,形成类似“颈缩”现象,裂纹从剪切方向转向沿颈缩区向外扩展,呈现拉剪混合断裂模式。拉伸裂纹占截面的比例与柱壳结构失稳时刻相关。可见,柱壳断裂演化是一个爆炸冲击波与柱壳结构相互作用的过程,不能简单将其作为一系列膨胀拉伸环处理。     

薄板试样斜断口形成机制及损伤断裂过程分析

为分析不同材料和尺寸的薄板试样在室温下拉伸破坏后均形成与横截面夹角在20°~25°之间斜断口的原因,首先用统计方法对试样内随机分布微缺陷进行讨论,提出一种在宏观尺度上材料内微缺陷分布局部非均匀简化模型的假设.应用含孔材料损伤本构模型对含有不同方向微缺陷分布局部非均匀薄带区域的16MnNb薄板试样变形至破坏全过程进行数值模拟.结果表明,斜断口形成主要是由于试样内在与横截面夹角小于45°的带形区域内微缺陷分布局部非均匀造成,且与该带形区域在试样中位置无关;由于考虑微缺陷分布局部非均匀,得到试样的斜断口形成过程与试验现象完全一致;同时结合试验断口形貌,对变形过程中颈缩截面内损伤演化和破坏过程进行研究,进一步解释薄板试样的损伤破坏机制.