高强度钢板热成形本构理论与实验分析

热成形(热冲压)过程中硼钢的热、力、相变耦合关系是研究热成形理论的基础, 同时也是决定热成形工艺及数值模拟准确性的关键因素. 对热成形硼钢进行高温拉伸及淬火实验: 硼钢板材试样在奥氏体化(950℃)后保温一定时间, 然后在连续冷却的同时施加拉伸力, 记录此过程中力、位移、膨胀量及温度的变化. 通过对不同冷却速率及不同拉伸力情况下上述物理量的变化规律及微观组织性能的分析, 研究硼钢相变过程中的热、力、相变耦合关系. 建立了硼钢相变过程中的热、力、相变耦合模型. 通过引入混合定律对热成形过程中的多相材料热力学参数和力学性能进行等效分析; 对热成形应变组成及其形成机理进行了分析, 引入了相变体积应力及相变塑性应力等新概念. 硼钢高温流动应力采用修改的Norton-Hoff形式, 并通过实验确定了流动应力的材料常数. 在此基础上将热、力、相变耦合关系引入热成形本构方程中, 分别建立了高强度钢板热成形的全量形式及增量形式本构方程. 对U形零部件热成形过程进行了数值模拟, 并与实验结果进行比较, 结果证明建立的本构理论的有效性.      

热压电桁架结构屈曲稳定性有限元分析

梁、板、壳组合结构在航空航天和控制系统中得到了广泛应用。一般来说,桁架结构是作为整体结构的支撑来使用的,综合考虑热、机械和电场作用有助于充分发挥材料性能。本文从力的平衡方程出发,考虑温度场、机械场和电场多场耦合的情况,推导出了热压电桁架结构的静力分析有限元模型,并在此基础上给出了在多场荷载共同作用下的结构屈曲稳定性求解的有限元方程。数值算例表明,多场耦合效应能够对结构的屈曲稳定性影响较大。合理利用温度的影响,可以提高结构工作性能,并为梁、板、壳组合结构的优化和控制提供了理论基础。     

智能软材料热-电-化-力学耦合问题的研究进展

本文重点评述了自然界中的典型智能软材料:聚合物胶体和水凝胶以及关节软骨的多场耦合力学问题的国内外研究现状。基于唯象热力学理论和哈密顿原理,建立了一般性的热-电-化-力学多场耦合理论。重点针对等温过程的化学-力学耦合本构关系和控制方程,通过哈密顿原理,建立了化力耦合系统的有限元列式。证明了化学-力学耦合理论架构的封闭性。通过数值算例分析了水凝胶和关节软骨的多场耦合作用。最后展望了智能软材料多场耦合研究的未来发展趋势。      

热固耦合结构的拓扑优化设计研究

研究了热、固耦合场结构拓扑优化设计中的几个关键问题,建立了热、固两相耦合场问题的控制方程,建立了热、固耦合场结构的拓扑优化模型,用伴随矩阵方法研究了耦合场的敏度分析技术,研究了耦合场拓扑优化中的优化求解数值算法,通过数值算例验证了理论和算法的有效性．     

无限长圆柱体中广义电磁热弹耦合问题研究

基于L-S广义热弹性理论,研究了处于磁场中无限长理想圆柱导体在边界受热冲击作用时的电磁热弹耦合问题.建立了广义电磁热弹耦合的有限元方程,为避免积分变换方法求解带来的精度丟失.采用将有限元方程直接在时间域求解的方法,得到了圆柱体中的温度、位移、应力、感应磁场和感应电场的分布规律,反映了热的波动性及电磁热弹的耦合效应.结果表明,将有限元方程直接在时间域求解,可以获得各物理量的准确分布.得到温度在热波波前处的阶跃,准确地反应热波的波动效应.     

考虑膨胀力的非饱和介质热-水-应力耦合二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵入手,使用Galerk in方法,将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散,开发出了一个可考虑膨胀力的用于分析非饱和介质中热-水-应力耦合弹塑性问题的二维有限元程序.通过对一个假定的核废料地下处置库的热-水-应力耦合问题的数值计算,比较了无、有膨胀力时的情况,在定性上验证了该程序的正确性.     

盘式制动器摩擦界面接触压力分布研究

在考虑具有可变效应的移动热源影响、制动盘与片的弹性影响以及界面摩擦热流影响等的耦合作用下,建立了一个三维瞬态盘式制动器热-结构耦合模型,利用大型有限元软件ANSYS的非线性多场耦合分析方法,分别数值模拟了不同状态下的制动器摩擦接触界面上的压力场分布情况.发现制动接触压力并非均匀分布,而是与制动盘和片的变形、摩擦力以及摩擦热-结构耦合有关.     

多孔介质的热-电-化-力学耦合理论及应用

本文针对自然界中不同种类的多孔介质,评述了包含化学效应的多场耦合力学问题的国外内研究现状.介绍了研究多场耦合问题的理论架构,并基于唯象理论和热力学理论,建立了一般性的热-电-化-力学多场耦合理论,在此基础上简化为化学-力学耦合理论,利用相应的控制方程和本构关系, 给出了线性耦合系统的变分原理,并证明了化学-力学耦合理论架构的封闭性. 基于所提出的化-力耦合模型,通过数值算例解释了多孔介质中的化学-力学耦合现象.最后对多孔介质,特别是对活体生物软组织中的多场耦合研究中存在的问题进行了讨论,并展望了本领域的未来发展趋势.     

高强度钢板热成形技术及力学问题研究进展

高强度钢板热成形技术是将传统的热处理技术(淬火)与冷冲压技术相结合的最新制造工艺,可以成形强度超过1 600 MPa的超高强度钢板.本文首先介绍了热成形技术的原理、一次及多次成形工艺和热成形过程中的核心制造技术;随后分析了热成形过程中材料的微观组织及力学性能变化,包括成形前、成形中及成形后材料性能的演变,介绍了与温度、马氏体转变速率相关的高温奥氏体材料模型,指出了其在热成形过程中的应用方法;研究了高强度钢板热成形材料的成形性能:分析了硬化指数n值对材料高温成形性的影响,并给出了最佳n$值温度区间;介绍了材料初始轧制各向异性对材料性能的影响,实验结果说明在热成形温度下晶格的各向异性将消失.对热成形过程中材料的本构关系进行了介绍:重点介绍了热、力及相变耦合本构模型;对热成形过程中的多相材料热力学参数和力学性能进行等效分析的混合定律进行了说明;介绍了相变体积应力及相变塑性应力等新概念;随后对热成形数值模拟技术进行了介绍:重点介绍了自主开发的KMAS(King-Meshanalysis sytem)热成形软件的动力显示、静力显示算法及温度场模拟技术;说明了将材料的高温性能引入接触与摩擦模型的接触控制参数的概念;随后基于车身碰撞力学的分析,介绍了热成形钢板在车身中应用的设计方法.最后对热成形技术今后的研究作出了展望.      

天然气水合物开发多物理场特征及耦合渗流研究进展与建议

天然气水合物作为一种非常规的清洁能源,在全球分布广、资源量大.自20世纪90年代以来,加拿大、美国、日本、中国已经先后进行了陆域及海域的水合物试采,但发现出砂、单井日产气量低、稳产时间短等问题,试采产量远不能满足商业化开发的需求,其中核心问题是对水合物开发过程中的相变、多相多组分多场耦合渗流特征的认识不够明晰.本文根据天然气水合物开发过程中涉及的渗流场、温度场、化学场、力学场等多场耦合特征,重点综述水合物生成/分解对各物理场主要特征参数的影响,包括水合物储层的孔隙度、水合物饱和度、渗透率、相对渗透率等基础物性参数及其动态演变,天然气水合物的导热系数、比热容、热扩散系数以及水合物生成/分解热等热力学参数,天然气水合物生成、分解动力学特征,纯水合物以及含水合物沉积物的力学性质等,最后阐述了天然气水合物开发渗流中的多场耦合关系及相互作用,提出了今后水合物开发多物理场特征及耦合渗流的科学研究、技术开发的有关建议.     

水凝胶多场耦合计算力学

作为一种具有多场耦合特性的智能柔体材料,水凝胶的制备技术、性能表征与结构应用得到迅速发展。本文在分析水凝胶本构理论和结构设计的基础上,提出了水凝胶多场耦合计算力学的基本方法和范式,包括微观粗粒化分子动力学模拟和宏观耦合有限元方法等,计算了化学-力学耦合作用下水凝胶材料与结构的变形和应力,给出了多个数值算例与结果比较。研究指出多场耦合计算力学将成为水凝胶材料和结构分析的主要手段,并推动水凝胶等这类智柔材料的性能设计与工程应用。     

SECTIONAL FINITE ELEMENT ANALYSIS OF COUPLED DEFORMATION BETWEEN ELASTOPLASTIC SHEET METAL AND VISCO-ELASTOPLASTIC BODY

The present paper is devoted to developing a new numerical simulation method for the analysis of viscous pressure forming (VPF), which is a sheet flexible-die forming (FDF) process. The pressure-carrying medium used in VPF is one kind of semisolid, flowable and viscous material and its deformation behavior can be described by the visco-elastoplastic constitutive model. A sectional finite element model for the coupled deformation analysis between the visco- elastoplastic pressure-carrying medium and the elastoplastic sheet metal is proposed. The resolution of the Updated Lagrangian (UL) formulation is based on a static explicit approach. The frictional contact between sheet metal and visco-elastoplastic pressure-carrying medium is treated by the penalty function method. Coupled deformation between sheet metal and visco-elastoplastic pressure-carrying medium with large slip is analyzed to validate the developed algorithm. Finally, the viscous pressure bulging (VPB) process of DC06 sheet metal is simulated. Good agreement between numerical simulation results and experimental measurements shows the validity of the developed algorithm.     

A large deformation framework for compressible viscoelastic materials: Constitutive equations and finite element implementation

For modeling the constitutive properties of viscoelastic solids in the context of small deformations, the so-called three-parameter solid is often used. The differential equation governing the model response may be derived in a thermodynamically consistent way considering linear spring-dashpot elements. The main problem in generalizing constitutive models from small to finite deformations is to extend the theory in a thermodynamically consistent way, so that the second law of thermodynamics remains satisfied in every admissible process. This paper concerns with the formulation and constitutive equations of finite strain viscoelastic material using multiplicative decomposition in a thermodynamically consistent manner. Based on the proposed constitutive equations, a finite element (FE) procedure is developed and implemented in an FE code. Subsequently, the code is used to predict the response of elastomer bushings. The finite element analysis predicts displacements and rotations at the relaxed state reasonably well. The response to coupled radial and torsional deformations is also simulated.     

VIBRATION SUPPRESSION OF CANTILEVER LAMINATED COMPOSITE PLATE WITH NONLINEAR GIANT MAGNETOSTRICTIVE MATERIAL LAYERS

In this paper, a nonlinear and coupled constitutive model for giant magnetostrictive materials(GMM) is employed to predict the active vibration suppression process of cantilever laminated composite plate with GMM layers. The nonlinear and coupled constitutive model has great advantages in demonstrating the inherent and complicated nonlinearities of GMM in response to applied magnetic field under variable bias conditions(pre-stress and bias magnetic field).The Hamilton principle is used to derive the nonlinear and coupled governing differential equation for a cantilever laminated composite plate with GMM layers. The derived equation is handled by the finite element method(FEM) in space domain, and solved with Newmark method and an iteration process in time domain. The numerical simulation results indicate that the proposed active control system by embedding GMM layers in cantilever laminated composite plate can efficiently suppress vibrations under variable bias conditions. The effects of embedded placement of GMM layers and control gain on vibration suppression are discussed respectively in detail.     

各向同性超弹性本构模型数值计算及验证

现有多种形式的橡胶本构模型试图预测橡胶力学性质,其中部分模型已写入有限元软件中用于仿真计算,还存在较多拟合性较好的模型无法在有限元材料库中直接获得。本文详述了由不变量和主伸长率描写的各向同性超弹性本构模型的数值实现方法,并结合最新的本构模型开发了UHYPER和UMAT子程序。将UHYPER用于有限元实现对多孔橡胶板的拉伸仿真,对比仿真和试验结果,验证子程序的正确性以及评估本构模型预测复杂应变场的准确性;将UMAT用于单轴、等双轴和剪切拉伸的有限元仿真,对比仿真和本构模型理论结果,验证子程序的可靠性。结果表明,有限元仿真结果与理论结果拟合较好,子程序能够契合本构模型的力学描述,所述方法可以用于超弹性材料的数值计算。     

Forming of aluminum alloys at elevated temperatures – Part 2: Numerical modeling and experimental verification

The temperature-dependent Barlat YLD96 anisotropic yield function developed previously [Forming of aluminum alloys at elevated temperatures – Part 1: Material characterization. Int. J. Plasticity, 2005a] was applied to the forming simulation of AA3003-H111 aluminum alloy sheets. The cutting-plane algorithm for the integration of a general class of elasto-plastic constitutive models was used to implement this yield function into the commercial FEM code LS-Dyna as a user material subroutine (UMAT). The temperature-dependent material model was used to simulate the coupled thermo-mechanical finite element analysis of the stamping of an aluminum sheet using a hemispherical punch under the pure stretch boundary condition. In order to evaluate the accuracy of the UMAT’s ability to predict both forming behavior and failure locations, simulation results were compared with experimental data performed at several elevated temperatures. Forming limit diagrams (FLDs) were developed for the AA3003-H111 at several elevated temperatures using the M-K model in order to predict the location of the failure in the numerical simulations. The favorable comparison found between the numerical and experimental data shows that a promising future exists for the development of more accurate temperature-dependent yield functions to apply to thermo-hydroforming process.     

一种化学-力学耦合连续介质理论与数值格式

对化学驱动的连续介质化学-力学耦合系统进行研究,从热力学定律和化学势角度出发,推导了等温过程的化学-力学耦合本构关系和控制方程,利用变分方法建立了化学-力学耦合系统的能量泛函,得到化学-力学耦合控制方程的等效积分形式和相应的有限元列式. 结合算例,对连续介质的化学-力学耦合行为进行了数值计算,数值结果反映了化学与力学系统的相互耦合作用,即浓度变化能引起介质的变形,同样力学作用也能引起浓度重分布. 从全新的角度建立了描述连续介质的化学-力学耦合行为的基本理论和数值方法,能够较好地反映一类连续介质的化学-力学耦合行为.      

采用共旋应变的三维热弹塑性有限变形有限元法

本文采用线性化共旋应变张量和增率型虚功原理，建立了有限变形热力耦合弹塑性有限元法。在该方法中，材料的流动应力取为应变总量、应变速率和温度的函数，推导了包含这种函数关系的本构矩阵。另外在温度场分析中，考虑了塑性功和摩擦功转化的热量。文后给出的算例表明该方法可以很好地模拟热加工过程。