基于J-C模型的镁合金MB2动静态拉伸破坏行为

为了研究不同应力状态和应变率条件下镁合金MB2的拉伸破坏行为,利用材料试验机和分离式Hopkinson拉杆(SHTB),对镁合金MB2的光滑及缺口圆柱试件进行了动静态拉伸加载;拟合得到了镁合金MB2的动静态拉伸本构关系,建立了其修正的Johnson-Cook失效破坏准则,并对不同试件的拉伸破坏行为进行了数值模拟;利用SEM对宏观破坏模式对应的微观损伤机理进行了分析。结果表明,随着应力三轴度的增加,镁合金MB2的等效破坏应变先增大后减小,宏观破坏模式由剪切转为正拉断,微观损伤机制由混合断裂转变为韧窝断裂;而随着应变率的增加,等效破坏应变不断减小,破坏模式不发生改变。Johnson-Cook本构关系和修正后的Johnson-Cook失效破坏准则能较好地拟合动态静态拉伸实验结果并预测不同试件的杯锥形破坏特征。     

基于应力三轴度和罗德参数的6061和7075铝合金材料断裂失效分析

分别对6061铝合金和7075铝合金材料的缺口圆棒试件和凹槽平板试件进行准静态拉伸试验,并采用ABAQUS软件对拉伸过程进行数值模拟。模拟结果与试验测试结果吻合很好,验证了有限元模型的合理性和可靠性。通过有限元模拟,分别给出了不同试件的应力三轴度和罗德参数随等效塑性应变的变化曲线以及两种材料的失效轨迹,并对它们进行了分析讨论。结果表明:形状相同、材料性质不同的试件,应力三轴度的演化规律不同;材料的失效应变受应力三轴度和罗德参数的影响,并且不同性质的材料对罗德参数的敏感性不同。     

考虑应力三轴度影响的30CrMnSiNi2A钢韧性断裂研究

30CrMnSiNi2A钢是一种在军工领域应用广泛的低合金高强度钢。针对结构完整性的评估问题,采用试验和数值计算结合的方法研究了30CrMnSiNi2A钢的韧性断裂特性。对光滑圆棒试件在不同温度下进行准静态和动态拉伸试验,并通过有限元迭代方法标定了材料的Johnson-Cook动态本构模型参数,分析了温度和应变率对30CrMnSiNi2A钢断裂行为的影响。开展了缺口圆棒拉伸、缺口平板剪切和圆柱压缩试验,计算了各试件对应的平均应力三轴度和断裂应变,给出了应力三轴度在?1/3～1.5区间内的断裂应变变化曲线,分别确定了Johnson-Cook和Bao-Wierzbicki失效模型参数。研究表明,30CrMnSiNi2A钢的断裂应变与应力状态密切相关,且在不同的应力三轴度区间内曲线单调性差异较大,Bao-Wierzbicki失效模型较好地描述了这种钢在不同应力状态下的断裂特性。     

基于J-C模型的Q235钢的失效准则

使用Instron材料试验机、霍普金森拉杆（SHTB）对Q235钢试件进行了不同温度下的准静态和动态拉伸实验,研究了温度、应变率及应力三轴度对Q235钢失效应变的影响,结果表明:Q235钢失效应变随温度的升高而增加,随应变率的增加而减小,随应力三轴度的增加先减小后增加再减小。基于实验结果对Q235钢J-C失效模型中的温度项进行了修正,并结合数值模拟提出了基于J-C失效模型的应力三轴度三分段式失效准则,通过Taylor撞击实验和数值模拟对给出的模型相关参量进行了验证,实验与模拟结果吻合较好。     

45钢的J-C损伤失效参量研究

为了在结构碰撞效应的有限元分析中描述材料行为,通过开展45钢在不同应力状态和温度下的准静态材料力学性能实验及拉伸SHB实验,考察了应力状态三轴度、温度和应变率对材料失效应变的影响。由实验数据得到了Johnson-Cook失效模型参量,并通过出现失效的Taylor撞击实验和数值模拟进行了一定的验证,表明模型描述与实验结果的趋势一致。     

压缩-剪切复合应力下PMMA材料的静态力学特性研究

通过压缩具有一定倾斜角(0°,10°,15°,20°和25°)试件和双剪切模型试件,实现了单轴压缩、压缩-剪切复合应力以及纯剪切三种应力状态,得到PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)在相应应力状态下的应力-应变曲线,同时对不同应力状态下试件的破坏模式进行了分析。结果表明:在不同受力环境中材料的强度和破坏的机理不同;同单轴压缩状态下相比,材料在压缩-剪切复合应力状态下屈服极限、强度极限以及破坏应变均不同程度的增大,呈现明显的"剪切增强"现象。单轴压缩与压缩-剪切应力状态下试件的破坏模式均为在试件短对角面上出现明显的剪切屈服带,由应力分析得出试件剪应力在短对角面上达到最大,引起在此平面上分子链间滑动从而产生应变软化形成剪切屈服带;双剪切试件的破坏模式为与剪切面呈45°的斜面。     

双相钢板料的单向拉伸断裂失效研究(Ⅱ)——弧长法非线性有限元分析

为了获得docol800DP双相钢板料的等效塑性应变和应力三轴度在单向拉伸断裂失效过程中的变化历程,对其拉伸过程进行了弧长法非线性有限元分析。根据试验得到的材料参数建立了双相钢单向拉伸试件的有限元模型,考虑大变形引起的几何非线性和塑性强化引起的材料非线性,模拟了试件拉伸变形的全过程。计算结果表明:弧长法可较好地模拟试件变形的全程,计算得到的典型变形阶段、集中性失稳带的分布及方向与试验结果吻合很好;发生失稳变形时的应变与理论分析结果一致。最后,给出了起裂点处失效参数的变化历程,为定量化研究双相钢材料的断裂失效模型提供准确的数据支持。     

半结晶聚合物损伤演化的实验表征与数值模拟

损伤本构模型对研究材料的断裂失效行为有重要意义, 但聚合物材料损伤演化的定量表征实验研究相对匮乏. 通过4种高密度聚乙烯(high density polythylene, HDPE)缺口圆棒试样的单轴拉伸实验获得了各类试样的载荷-位移曲线和真应力-应变曲线, 采用实验和有限元模拟相结合的方法确定了HDPE材料不同应力状态下的本构关系, 并建立了缺口半径与应力三轴度之间的关系;采用两阶段实验法定量描述了4种HDPE试样单轴拉伸过程中的弹性模量变化, 并建立了基于弹性模量衰减的损伤演化方程, 结合中断实验和扫描电子显微镜分析了应力状态对HDPE材料微观结构演化的影响. 结果表明缺口半径越小, 应力三轴度越大, 损伤起始越早、演化越快; 微观表现为: 高应力三轴度促进孔洞的萌生和发展, 但抑制纤维状结构的产生;基于实验和有限元模拟获得的断裂应变、应力三轴度、损伤演化方程等信息提出了一种适用于聚合物的损伤模型参数确定方法, 最后将本文获得的本构关系和损伤模型用于HDPE平板的冲压成形模拟, 模拟结果与实验结果吻合良好.      

轴向拉伸载荷作用下缺口圆棒的应力三轴度

应力三轴度是表达应力状态的参量,可作为变量表征材料的塑性和断裂损伤模型,在结构强度和失效分析中发挥重要作用.具有缺口的圆棒拉伸试验可用于标定塑性和损伤模型中的参数.然而,文献中却存在两个不同的公式计算拉伸载荷作用时缺口圆棒最小截面轴心处的三轴度,二者分别由国际著名学者Bridgman和Wierzbicki先后提出,其不同性往往造成应用时的困惑.本文通过精细化的有限元计算分析,意在澄清两个公式的有效性和适用性.结果表明,Bridgman公式仅弹性阶段和特定a/R范围内较为准确,Bao-Wierzbicki公式与数值模拟结果及实验数据吻合较好,可用于计算整个拉伸过程中三轴度的算术平均值.基于进一步的分析,本文提出了理想弹塑性条件下塑性阶段的应力三轴度新的修正公式,还讨论了缺口几何和应变强化效应：指出不同的缺口比例会影响到颈部应力场,缺口比例越小,弹性阶段的应力三轴度越接近1/3;而应变强化则会导致拉伸过程中应力三轴度的降低.     

多轴加载下混凝土细观破坏模拟的强度准则探讨

实际工程结构中混凝土材料大多处于双轴或三轴的复杂应力状态,已有的细观力学数值研究工作大多针对单轴加载问题,对于双轴或者三轴加载条件下混凝土破坏模拟的研究相对较少。复杂受力条件下的混凝土材料破坏模拟中,细观组分强度准则选取的合理与否将成为混凝土破坏模式及宏观力学性能数值研究准确和成功与否的关键。本文旨在探讨单轴强度准则,如最大拉应变准则在多轴加载条件下混凝土破坏过程研究中运用的合理性。鉴于此,首先在细观尺度上建立了混凝土试件的二维随机骨料模型,分别采用弹性损伤本构关系模型及塑性损伤本构关系模型来描述细观组分(即砂浆基质)的力学性能,对双轴加载条件下混凝土的细观破坏过程进行数值模拟,对比了单轴强度准则和多轴强度准则下混凝土试件破坏路径及宏观应力-应变关系的差异。数值结果表明,简单的单轴强度准则难以反映双轴加载下混凝土内部应力状态的复杂性,不宜采用单轴强度准则来描述多轴加载下混凝土的破坏行为。     

6061-T6铝合金动态拉伸本构关系及失效行为

采用HMH-206高速材料试验机开展了6061-T6铝合金在0.001～100 s?1应变率范围内的静、动态拉伸力学性能实验,分析了其应力-应变响应特征和应变率敏感性,讨论了应变率对6061-T6铝合金流动应力和应变率敏感性指数的影响,并基于实验结果对Johnson-Cook本构模型进行了修正。结合缺口试件的实验结果和模拟数据,得到了材料的Johnson-Cook失效模型参数,并对模型的准确性和适用性进行了验证。结果表明,在拉伸载荷作用下,6061-T6铝合金表现出明显的应变硬化特征和应变率敏感性,其流动应力随应变率的升高而提高,修正的Johnson-Cook本构模型可以描述材料的动态塑性流动行为,建立的Johnson-Cook失效模型能够表征材料的断裂失效行为。     

Fracture Strains,Damage Mechanisms and Anisotropy in a Magnesium Alloy Across a Range of Stress Triaxialities

We report on the effect of stress-state triaxiality on damage accumulation leading to fracture at ambient temperature in magnesium alloy AZ31. We find that the strain to failure is weakly sensitive to triaxiality for the conditions investigated, at variance with the behavior of most alloy systems. Using plastic anisotropy measurements, post-mortem fractography and transverse cross-sectioning of specimens at incipient cracking, we discuss the contributions of plastic anisotropy, shear failure and coalescence-controlled cracking to limiting the net effect of stress triaxiality.     

An analysis of ductile rupture in notched bars

Ductile fracture in axisymmetric and plane strain notched tensile specimens is analyzed numerically, based on a set of elastic-plastic constitutive relations that account for the nucleation and growth of microvoids. Final material failure by void coalescence is incorporated into the constitutive model via the dependence of the yield function on the void volume fraction. In the analyses the material has no voids initially; but as the voids nucleate and grow, the resultant dilatancy and pressure sensitivity of the macroscopic plastic flow influence the solution significantly. Considering both a blunt notch geometry and a sharp notch geometry in the computations permits a study of the relative roles of high strain and high triaxiality on failure. Comparison is made with published experimental results for notched tensile specimens of high-strength steels. All axisymmetric specimens analyzed fail at the center of the notched section, whereas failure initiation at the surface is found in plane strain specimens with sharp notches, in agreement with the experiments. The results for different specimens are used to investigate the circumstances under which fracture initiation can be represented by a single failure locus in a plot of stress triaxiality vs effective plastic strain.     

准静态条件下金属材料的临界断裂准则研究

本文针对9种金属材料完成了具有不同约束程度的10类试样的延性断裂试验, 获得了发生拉、压、扭和裂尖断裂等破坏形式构型试样的载荷-位移试验关系; 基于圆棒漏斗试样拉伸试验所得直至破坏的载荷-位移曲线, 采用有限元辅助试验(finite-element-analysis aided testing, FAT)方法得到了9种材料直至破坏的全程等效应力-应变曲线, 以此作为材料本构关系通过有限元分析获得了各类试样直至临界破坏的载荷-位移关系模拟. 载荷-位移关系模拟结果与试验结果有较好的一致性, 表明用于解决试样颈缩问题的FAT方法所获得的全程材料本构关系针对各向同性材料具有真实性和普适性. 对应9种材料、10类试样的36 个载荷-位移临界断裂点, 通过有限元分析获得了对应的材料临界断裂应力、应变与临界应力三轴度, 研究表明, 第一主应力在延性变形过程中为主控断裂的主导参量; 通过研究光滑、缺口、裂纹等构型试样的断裂状态, 提出了$-1$至3范围的应力三轴度下由第一主应力主控的统一塑性临界断裂准则.      

Tension–torsion fracture experiments—Part I: Experiments and a procedure to evaluate the equivalent plastic strain

Ductile failure experiments on a double notched tube (DNT) specimen subjected to a combination of tensile load and torque that was applied at a fixed ratio is presented. The experimental results extend those in Barsoum and Faleskog (2007a) down to zero stress triaxiality. A new and robust evaluation procedure for such tests is proposed, and a simple relation for the equivalent plastic strain at failure for combined normal and shear deformation, respectively, is developed. Tests were carried out on the medium strength medium hardening steel Weldox 420, and the high strength low hardening steel Weldox 960. The experimental results unanimously show that ductile failure not only depends on stress triaxiality, but is also strongly affected by the type of deviatoric stress state that prevails, which can be quantified by a stress invariant that discriminates between axisymmetric stressing and shear dominated stressing, e.g., the Lode parameter. Additional experiments on round notch bar (RNB) specimens are recapitulated in order to give a comprehensive account on how ductile failure depends on stress triaxiality, ranging from zero to more than 1.6, and the type of stress state for the two materials tested. This provides an extensive experimental data base that will be used to explore an extension of the Gurson model that incorporates damage development in shear presented in Xue et al. (2013) (Part II).