高温、高压、高应变速率动态过程晶体塑性有限元理论模型及其应用

对于高温、高压、高应变速率加载条件下的材料冲击变形行为,动态晶体塑性模型能够直接反映晶体中塑性滑移的各向异性及其对温度、压力和微观组织结构的依赖性,因而广泛应用于材料的动态冲击力学响应、微观结构演化以及动态损伤破坏的模拟。本文综述了高压冲击下动态晶体塑性有限元的理论模型,主要包括变形运动学、包含状态方程的超弹性本构模型和晶体塑性本构模型,涉及位错滑移、相变、孪生等塑性变形机制,以及层裂、绝热剪切带等动态破坏方式。     

液氮冷却劳厄晶体单色器的热力耦合研究

针对高能同步辐射光源工程材料线站研制的劳厄晶体单色器上受光压弯晶体光学元件,利用有限元方法模拟计算了具有各向异性和低温材料非线性的硅晶体的压弯面形和热变形,计算结果显示硅晶体精确三维点云体载荷的最高温低于面吸收并且体吸收的热变形呈现出非对称性,同时精确给出了压弯和热变形导致晶体变形数据,为束线后续衍射动力学追迹模拟评估对光斑性能的影响提供更加真实可靠的保证。     

<100> LiF高速冲击变形过程的晶体塑性有限元模拟

结合状态方程建立晶体塑性有限元模型,模拟高速冲击加载条件下100 LiF的动态弹塑性大变形行为,得到应力波剖面特征、动态力学演化规律及其连续介质力学根源。结果表明:毫米级样品经约15 GPa以内的低压冲击,波剖面具有弹塑性双波响应、弹性前驱衰减和应力松弛现象,其决定性因素包括样品厚度、外加压力和材料本构;从连续介质力学角度分析得到,应力松弛本质上是由于黏性塑性流动,导致总应变增速小于塑性应变增速,从而使弹性应变减小、压力降低;提出用压力关于时间的三阶导数大于零作为判断条件,对应力波剖面上双波和单波响应的临界压力进行估测,发现随着样品掺杂浓度的增加,临界压力增大;高速冲击变形的温升效应不可忽略,且温升绝大部分来自弹性体积变形的贡献。     

孪晶对Be材料冲击加-卸载动力学影响的数值模拟研究

在高压、高应变率加载条件下,孪晶变形对材料的塑性变形具有重要的贡献,而目前孪晶对金属材料的动态屈服强度、冲击响应等的影响还没有被充分揭示.为此,本文考虑孪晶变形和晶粒碎化,针对铍(Be)材料在高应变率加载下的动态力学响应发展了含孪晶的热弹-黏塑性晶体塑性模型.经过和实验结果的对比,发现该模型可以更准确地预测Be材料在动态加载下,尤其是高压动态加载下的屈服强度.进一步,基于该塑性模型研究了Be材料在冲击加载下的准弹性卸载行为,结果表明剪切波速随着压力和剪应变的变化而发生变化是材料产生准弹性卸载现象的主要原因.此外,研究了冲击波卸载过程中Be材料孪晶的演化过程,发现Be材料卸载过程中也伴随着孪晶的产生.     

动态载荷下铁相变的原子模拟研究进展

铁的α?ε相变是金属高压相变研究领域的经典范例,随着测试技术的进步,其相变机制与动力学研究不断深入,基于激光加载的原位X射线观察结合非平衡分子动力学模拟研究是解决该问题最有效的手段之一。为此,综述了铁在动态载荷下塑性与相变的原子模拟研究进展,综合分析了铁的高压势函数,平面应变加载下晶体的各向异性、冲击强度、应变率、应变梯度、各种初始晶体缺陷等对铁相变机制的影响,以及铁的相变与层裂,同时报道了铁在非平面加载下响应规律研究的最新进展,最后进行了归纳总结和展望。     

分子动力学方法在金属材料动态响应研究中的应用

随着计算机技术和实验诊断技术的发展,分子动力学(MD)方法在冲击动力学领域发挥着越来越重要的作用。从MD方法的基本原理出发,介绍了积分算法、相互作用势、常用的数据处理方法,系统梳理了MD方法在冲击加载下金属材料的塑性变形、相变、动态损伤断裂(层裂)等研究的应用。其中:在冲击塑性方面,主要阐述单晶、双晶和多晶体系中的塑性变形机理,以及变形过程与微结构等的联系;在冲击相变方面,主要以金属铁为例,介绍耦合冲击相变与冲击塑性的MD计算模拟工作;在动态损伤断裂方面,主要阐述冲击加载下金属材料中孔洞动态演化及贯通、激光加载下材料的动态响应等工作。最后,对MD方法的未来应用进行了展望,以期为相关领域的研究提供参考。     

含微孔洞脆性材料的冲击响应特性与介观演化机制

微孔洞显著地影响着脆性材料的冲击响应,理解其介观演化机制和宏观响应规律将使微孔洞有利于而无害于脆性材料的工程应用.通过建立能够准确表现材料弹性性质和断裂演化的格点-弹簧模型,本文揭示了孔洞的演化对于脆性材料的影响.冲击下孔洞导致的塌缩变形和从孔洞发射的剪切裂纹所导致的滑移变形产生了显著的应力松弛,并调制了冲击波的传播.在多孔脆性材料中,冲击波逐渐展宽为弹性波和变形波.变形波在宏观上类似于延性金属材料的塑性波,在介观上对应于塌缩变形和滑移变形过程.样品中的气孔率决定了脆性材料的弹性极限,气孔率和冲击应力共同影响着变形波的传播速度和冲击终态的应力幅值.含微孔洞脆性材料在冲击波复杂加载实验、功能材料失效的预防、建筑物防护等方面具有潜在的应用价值.所获得的冲击响应规律有助于针对特定应用优化设计脆性材料的冲击响应和动态力学性能.     

内凹负泊松比蜂窝结构的面内双轴冲击响应

利用有限元模拟方法研究了内凹负泊松比蜂窝结构的面内双轴冲击响应。用节点扰动方法建立了具有不同规则度的内凹负泊松比蜂窝结构,并将其在不同冲击速度下的变形模态、应力-应变曲线和能量耗散能力与规则蜂窝进行了对比分析。结果表明,冲击速度是内凹蜂窝结构变形模态最主要的影响因素。此外,在双轴冲击下,由于不规则度的引入,延长了应力-应变曲线的平台阶段,抑制了结构的各向异性程度,从而使结构的变形特征从局部密实转向整体密实。在能量吸收能力方面,结构的不规则性导致了密实化阶段的滞后,因此在相同的压缩程度下,其塑性耗散能低于规则模型。     

低维材料物性的非均匀应变调控

探索低维材料的新奇物性是当前凝聚态物理和材料科学基础研究的一个重要前沿.应变是调控低维材料物性的一个重要手段.相比于块体材料,低维材料通常具有良好的力学柔韧性,并表现出敏锐的结构-电子响应关系,因此可以通过结构变形对材料电子性质进行有效调控.本文主要目的是介绍二维材料中通过非均匀应变获得新奇物性的研究进展.主要讨论两个效应,即赝磁场效应和挠曲电效应.具体来说,通过解析理论、实验进展、计算模拟以及围绕这些效应的应用等方面介绍相关研究进展.从计算模拟的角度看,由于非均匀应变破坏了晶体的平移对称性,基于周期性边界条件的量子力学计算方法如第一性原理不再适用.本文将介绍一个专门用来模拟非均匀应变的原子级计算方法,即广义布洛赫方法,并简要介绍该方法的一些具体应用.     

冲击加载下金属铝中氦泡演化行为的相场模拟

氦泡等缺陷对金属材料动态强度的影响一直是动态强度研究关注的重点。将相场方法引入冲击加载下氦泡演化行为研究中,通过与晶体塑性理论耦合,建立了可描述冲击下氦泡早期演化行为的介观模拟技术。应用该方法,针对含氦泡的金属铝材料,从介观尺度对氦泡的演化行为及其对位错集体演化行为的影响进行了研究。结果表明:氦泡结构的非均匀性导致局域应力集中和塑性变形集中,局域塑性变形集中会导致沿冲击波传播方向发射稀疏波;从能量守恒角度上看,在材料变形过程中氦泡生长与塑性变形呈竞争关系,塑性耗散的快慢直接影响氦泡的生长速率,使其发生改变。研究结果可为解读含氦泡材料的宏观屈服强度和层裂行为提供理论支撑。     

晶体塑性有限元方法研究辐照对多晶铜力学性能的影响

将辐照硬化理论与晶体塑性理论结合, 运用ABAQUS有限元分析软件模拟辐照后多晶铜的拉伸过程。分析辐照效应对材料屈服强度、硬化过程、晶体变形等力学性能的影响, 研究位错密度的演化及空间分布规律。数值模拟表明: 辐照效应提高多晶铜的屈服应力, 影响不同阶段的硬化和软化现象; 辐照剂量增大导致位错密度增殖总体变缓, 空间不均匀度增大; 晶体的塑性变形及晶体转动也受到辐照的影响, 在相同的应变条件下, 辐照剂量越大, 晶体塑性变形程度越小, 塑性变形分布不均匀度变大, 同时晶体转动程度及转动角离散度增大。     

极端条件下碳化硅的变形、损伤与破坏研究进展

碳化硅作为重要的陶瓷和半导体材料,在国防军工、航空航天等应用领域和高压物质科学等方面具有重要的应用研究和科学价值。本文对动加载下碳化硅的变形、损伤和破坏等物理力学行为和特性研究进行了梳理,分别从实验研究和计算模拟角度概述了碳化硅在不同加载条件和微结构下的变形与破坏行为研究进展,总结归纳了碳化硅材料动态响应相关研究的若干现存问题,并展望了该领域内几个重要的发展方向,以期为相关群体的研究工作提供有益参考。     

内部爆炸载荷下泡沫铝夹心柱壳动态响应仿真研究

泡沫铝夹心柱壳在防爆容器领域具有广阔的应用前景。对泡沫铝夹心柱壳在内部爆炸载荷下的动态响应特性进行了实验研究,并建立了基于Voronoi技术的泡沫铝夹心柱壳有限元模型,对其动态响应进行了数值模拟。研究结果表明:仿真结果与实验结果吻合较好,内部爆炸载荷作用下内壳变形量随芯体相对密度增大而减小,外壳变形量随芯体相对密度的增大而增大,且壳体变形量与芯体相对密度近似满足二次函数关系。     

正交各向异性材料的三维动态本构模型及其在脉冲X射线热击波模拟中的应用

基于三维应变条件下的应力-应变关系,利用Grüneisen物态方程、PUFF物态方程以及Tsai-Hill屈服准则和Johnson-Cook强度模型,建立了正交各向异性复合材料的三维动态本构模型。在此基础上,对一种碳酚醛材料在高能脉冲X射线辐照下所产生的热击波传播现象进行了三维模拟,得到了热击波模拟结果,并将各向异性本构模型与各向同性本构模型的模拟结果进行对比。分析表明,各向异性本构模型不仅反映了固体材料各向异性的特点,而且还能描述材料转变为气体后的动力学行为。模型的建立为各向异性复合材料在脉冲辐照环境下的应用打下重要的理论基础。     

异构金属材料的冲击动力学行为研究进展

高强度金属材料往往塑性/韧性较差,而异构金属的微结构设计能够使得金属在获得高强度的同时具有良好的塑性/韧性。因此,异构金属在准静态、动态载荷下的力学行为成为材料力学/冲击动力学的研究热点。综述了梯度结构、双相结构、多尺度晶粒结构等异构金属的动态力学性能及微结构机理方面的研究进展。相比于均匀材料,异构金属表现出更优越的动态剪切韧性和冲击韧性。由于异构材料微观结构的非均匀性,绝热剪切带的萌生与扩展往往不同于均匀材料。异构金属中的界面或软区能够有效抑制绝热剪切带的萌生及扩展,延缓材料失效。异构材料中,非均匀变形产生的额外加工硬化使得异构金属表现出优异的动态力学性能。     

柔性磁性薄膜材料与器件研究进展

近年来,随着物联网、仿生机器人、移动式医疗健康等领域的兴起,柔性电子材料和器件受到广泛关注.基于磁性材料构建的传感器和存储器是电子器件的重要组成部分.随着柔性薄膜材料制备技术的发展,人们已经制备出高质量的柔性乃至可拉伸的磁性金属和氧化物薄膜,它们展现的不仅是更强的变形能力,还有新的物理效应与响应规律.研究结果表明,柔性磁电子器件在非接触传感、高灵敏应变探测、超分辨触觉感知等方面展现出独特的优势,具有广阔的应用前景.本文主要从柔性磁性材料的制备、物性调控规律和器件应用方面综述这一新兴领域的发展动态,并对其未来的发展趋势进行展望.     

胶体铁磁流体的光子特性研究(英文)

这篇综述回顾了我们近年来在铁磁流体方面的一些研究工作。铁磁流体是一种纳米铁磁颗粒或亚铁磁颗粒悬浮在基液(如:水或煤油)中形成的悬浮液。铁磁流体之所以受到广泛关注,是因为它们在许多方面都有着潜在应用,例如在机械工程和生物医学等领域。在此综述中,我们首先介绍了铁磁流体的场感应各向异性结构,然后,介绍了几种铁磁流体基软物质材料的光学性质,即:光学负折射、磁控光子带隙和非线性光学响应。我们采用的研究方法主要是分子动力学模拟,有效媒质近似和有限元模拟。     

基于ANSYS/LS-DYNA高速冲击仿真

高速弹头的侵彻问题是军工防护等领域研究的一个重要课题。采用有限元仿真软件ANSYS/LS-DYNA为平台对高速弹头侵彻靶板的过程进行了数值模拟。选取Johnson-Cook本构模型来描述侵彻过程,得到了速度为1300m/s的子弹侵彻6mm靶板的的速度、加速度、能量变化曲线和Von-Mises应力云图,从而直观的显示靶板的变形情况和动态响应,有助于分析高速弹头的撞击过程。验证了ANSYS/LS-DYNA有限元仿真在分析侵彻问题中的可行性和优越性,对改进弹头和防护材料设计具有重要意义。并为防护材料设计进行高速冲击实验的研究提供了新的途径和思路。     

胶体铁磁流体的光子特性研究

这篇综述回顾了我们今年来在铁磁流体方面的一些研究工作。铁磁流体是一种纳米磁颗粒或亚铁磁颗粒悬浮在基液（如：水或煤油）中形成的悬浮液。铁磁流体之所以受到广泛关注,是因为它们在许多方面都有着潜在应用,例如在机械工程和生物医学等领域。再次综述中,我们首先介绍了铁磁流体的场感应各向异性结构,然后,介绍了几种铁磁流体基软物质材料的光学性质,即：光学负折射、磁控光子待隙和非线性光学响应。我们采用的研究方法主要是分子动力学模拟,有效煤质近似和有限元模拟.     

基于ANSYS/LS-DYNA高速弹头冲击仿真

高速弹头的侵彻问题是军工防护等领域研究的一个重要课题;采用有限元仿真软件ANSYS/LS-DYNA为平台对高速弹头侵彻靶板的过程进行了数值模拟;选取Johnson-Cook本构模型来描述侵彻过程,得到了速度为1 300 m/s的子弹侵彻6 mm靶板的速度、加速度、能量变化曲线和VonMises应力云图,从而直观地显示靶板的变形情况和动态响应,有助于分析高速弹头的撞击过程;验证了ANSYS/LS-DYNA有限元仿真在分析侵彻问题中的可行性和优越性,对改进弹头和防护材料设计具有重要意义;并为防护材料设计进行高速冲击实验的研究提供了新的途径和思路。