粘塑性损伤模型模拟准超塑性单轴拉伸行为

发展了Chaboche粘塑性本构模型的大变形隐式算法，用损伤(DM)和无损伤(NDM)模型模拟准超塑性单轴拉伸。发现变形过程可分为三个阶段：均匀变形、颈缩发展、断裂破坏阶段。DM可准确模拟前两个阶段变形，NDM只能较好地模拟均匀变形阶段，表明DM可以较精确地描述稳定发展的动态过程。由于有限元方法只能描述连续介质，因此对于断裂破坏阶段，NDM模拟载荷大于试验结果，DM的载荷小于试验结果，这是由高应变速率敏感性造成。DM能够描述试验中出现地多处颈缩现象，局部应变速率分布随时间演化反映了颈缩发展程度。严重颈缩部位的距离代表着超塑性变形能力，距离越大，抗颈缩能力越好。     

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。     

基于试验与有限元耦合技术的延性材料全程单轴本构关系获取方法

摘 要: 材料拉伸直至断裂的全程单轴本构关系对材料大变形和断裂机理研究具有重要意义。传统拉伸试验获取的材料真应力-真应变曲线在试样颈缩后不可测。借助可以精确测量三维变形的DIC(Digital image correlate) 技术和有限元分析技术(Finite element analysis),本文提出了基于漏斗试样拉伸试验获取材料全程单轴本构关系的新方法,即TF(Test and FEA)方法。该方法将TF方法获取的材料全程单轴应力应变关系曲线作为有限元软件中的材料本构关系对漏斗试样拉伸变形过程进行模拟,其模拟载荷-位移曲线、漏斗根部直径-位移曲线和漏斗变形轮廓线等均与试验结果吻合良好,试样表面模拟应变也与DIC测试结果吻合, 根据不同半径漏斗试样模拟获得的全程真应力-真应变曲线保持良好一致性。最后,还对试样颈缩断面的力学行为进行了讨论,并给出了304不锈钢、汽轮机叶片材料2Cr12Ni4Mo3VNBN和 1Gr12Ni3Mo2VN、汽轮机转子材料30Cr2Ni4MoV的全程单轴本构关系模型参数、破断应力和破断应变。     

粗晶超塑性单轴拉伸颈缩模拟

利用粘塑性本构模型模拟粗晶超塑性单轴拉伸。数值结果表明，颈缩的位置及发展过程受拉伸应变速率的影响。不只一处分散不均匀变形相互牵制与协调，使材料得以在接近均匀的状态下经受大的变形，模拟得到的局部应变速率演化曲线，可以预测变形局部化发展的情况。     

变温下橡胶材料力学性能的实验分析

利用Zwick020材料试验机研究了天然橡胶材料在不同温度条件下单向拉伸的大变形力学行为。得到了不同温度和不同加载速率条件下材料的应力-应变关系曲线和材料的破坏条件,由此分析了高温和低温的温度变化条件及加载速率对材料力学性能的影响,得出天然橡胶材料在大变形条件下的温度和加载速率敏感特性。同时利用实验结果拟合出材料的应变能函数,并应用热超弹性模型对材料进行了理论分析。结果表明,理论分析结果与实验结果仅在一定温度范围内吻合得较好,因为材料软化或硬化,在很高或很低的温度情况下二者有一定差别。     

高分子材料平面应变拉伸变形局部化

将基于应变软化玻璃状高分子材料微观特征建立的ＢＰＡ８－链分子网络模型引入ＵｐｄａｔｉｎｇＬａｇｒａｎｇｅ有限元方法，建立了适于变形局部化分析的大变形弹塑性有限元驱动应力法．在此基础上，数值模拟了初始各向同性高分子材料平面应变拉伸变形局部化的传播过程．探讨了ＢＰＡ模型对具有加工硬化特性的结晶性高分子材料变形分析的适应性；分析了局部化传播过程中颈缩截面的非均匀应力三轴效应；最后，讨论了网格尺寸以及初始几何不均匀性对颈缩扩散以及应力三轴效应的影响     

延性单晶非均匀变形的三维有限元模拟

对延性单晶在拉伸载荷作用下的应变局域化和颈缩等非均匀变形过程进行了三维有限元数值模拟。将相关晶体塑性本构模型及一种新的数值积分方法补充到ABAQUS6.1商用有限元软件中。该方法的特点是，利用晶体塑性的动力学方程，获得一个关于晶体弹性变形梯度的演化方程，采用半隐式积分方案进行求解。本文推导出一种新的应力变本构矩阵。按此方式更新本构矩阵，计算速度和计算稳定性大大提高。加载方式，边界条件和变形程度等因素影响着滑移系的启动状况，这是平面模型所不能预测的。本文利用三维有限元方法模拟了不同取向下滑移系的启动状况，全面地考虑了FCC单晶材料12个可能滑移系在变形过程中的启动状况，合理地模拟了FCC面心立方单晶沿不同取向加载时晶轴旋转导致的应变局域化和颈缩等非均匀变形过程。     

图像相关法在高分子材料拉伸性能研究中的应用

本文对聚碳酸酯(PC)和丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)的合金(PC/ABS)高分子材料不同环境温度下的拉伸性能进行了试验研究。根据图像相关分析法编制了图像法位移测量分析软件,并对该分析软件的适用性进行了分析。系统研究了PC/ABS高分子材料拉伸试验时三个方向的位移场和应变场。根据测得的位移场研究了该高分子材料拉伸过程中应变和应变率的变化以及应力应变变化规律,并对试验结果进行了详细分析。结果表明,文中采用的图像法位移测量系统具有较高的测试精度;拉伸过程中,试件厚度方向的收缩变形大于宽度方向的收缩变形;颈缩过程区具有非常高的应变率,颈缩后的平直颈缩区的应变率快速下降到一个很低的应变率继续缓慢变形;尽管载荷位移曲线出现了较大的载荷下降现象,PC/ABS拉伸时的真应力应变曲线没有明显的应力下降现象出现,因此,载荷下降现象主要由颈缩时的截面减小引起;高分子材料PC/ABS的屈服应力随环境温度的升高而降低。     

平面应力裂纹稳态扩展的弹塑性大变形有限元分析

本文根据平面应力弹塑性断裂的带状颈缩区模型,以裂纹顶端颈缩区的相对伸长达到材料延伸率作为裂纹扩展的准则,采用塑性大变形的基本方程和有限元方法,计算了含中心裂纹的铝合金薄板在均匀拉伸作用下的裂纹稳态扩展过程,计算结果与实验结果符合很好。     

正交各向异性韧性材料应力-应变关系

采用大变形弹塑性有限元方法分析了各向同性和正交各向异性韧性材料光滑圆棒拉伸试件的颈缩问题．首先给出了采用计算机模拟确定各向同性韧性材料真实应力-应变曲线的具体方法；对正交各向异性韧性材料的分析表明，颈缩截面呈椭圆形，其长短轴方向的等效塑性应变基本上均匀分布，与Bridgman假设一致；轴向拉伸载荷-位移曲线与其它两方向的各向异性参数关系不大．在此基础上，建议了一种确定正交各向异性韧性材料真实应力-应变曲线的方法．     

基于SHPB装置的膨胀圆柱管实验技术

采用改进的SHPB实验装置对45钢薄壁金属圆柱管进行了膨胀断裂加载,完成了不同变形程度 (覆盖圆柱管整个变形及断裂过程)圆柱管的冻结回收实验。回收样品可用于断裂机理研究分析,通过数值模 拟辅助分析和实验数据拟合得到了圆柱管凸起处的径向应变、应变率和环向拉伸应力。通过在圆柱管端粘贴 应变片监测断裂信号的方式,准确判断了圆柱管凸起处发生断裂的时间,以及径向断裂应变、应变率和环向拉 伸断裂应力,在102~104s-1应变率范围内,SHPB实验装置可用于研究金属圆柱管膨胀断裂。     

飞机加强蒙皮在12.7 mm弹丸撞击下的变形与破坏

为了研究飞机蒙皮在12.7 mm标准机枪弹丸射击下的损伤,对3 mm厚LY-12 CZ材料的单蒙皮及其加筋板进行了模拟弹击试验。通过试验研究,建立了一个由高速气炮、弹体与弹托分离机构、连续位移激光测速装置和弹丸回收装置组成的系统并被有效地用于弹丸正撞击试验。通过对四边固支的3 mm厚蒙皮用12.7 mm直径弹丸进行速度约60~300 m/s的正撞击试验,结果表明,靶板从微小损伤到完全击穿;弹击造成的变形区有效直径随弹丸速度的增大呈幂指数趋势下降;弹击引起的变形深度随弹丸撞击速度的增加呈直线下降;靶板上的应变随弹丸速度的增加逐渐降低。弹丸剩余速度随弹丸撞击速度的增加呈直线上升。最后利用DYNA3D程序对单蒙皮及其加筋板进行了弹击数值模拟,模拟结果与弹击试验结果较吻合。     

Dynamic neck development in a polymer tube under internal pressure loading

The initiation and growth of necks in polymer tubes subjected to rapidly increasing internal pressure is analyzed numerically. Plane strain conditions are assumed to prevail in the axial direction. The polymer is characterized by a finite strain elastic–viscoplastic constitutive relation and the calculations are carried out using a dynamic finite element program. Numerical results for neck development are illustrated and discussed for tubes of various thicknesses. The sensitivity to the wave number of the thickness imperfections is studied with a focus on comparing a long wave length imperfection and a short wave length imperfection. After some thinning down at the necks, the mode of deformation switches to neck propagation along the circumference of the tube. A case is shown in which the necks have propagated along the entire tube wall, so that network locking in the polymer results in high stiffness against further expansion of the tube. The rate dependence of the necking behavior gives noticeable differences in neck development for slow loading versus fast loading.     

混凝土一维应力层裂实验的全场DIC分析

基于74mm直径分离式Hopkinson杆(SHPB)实验平台进行了混凝土杆的一维应力层裂实验.采用超高速相机(采样频率:2 $\mu$s/frame)结合数字图像相关法(DIC),记录混凝土试件中的动态位移场实时变化情况,探讨了混凝土在拉伸断裂过程中的表面位移场及速度场演化规律.针对实验中出现的多重层裂现象,基于一维应力波传播理论,指出各个位置在发生层裂时,其最大拉应力均由透射压缩波与反射拉伸波叠加而成,各处层裂发生时均处于一维应力状态.并提出了根据层裂位置左右两点速度趋势变化判断层裂发生时刻的判据.该判据可以给出所有层裂的起裂时间,结合DIC分析直接给出了混凝土多重层裂应变.结果显示混凝土的拉伸强度具有明显的应变率效应,在30 s$^{-1}$的应变率下,其拉伸强度的动态增强因子(DIF)可以达到5.与传统的波叠加法和自由面速度回跳法相比,DIC全场分析法不受加载波形限制,可以精确给出每个层裂的位置和起裂时间,从而得到试件在高应变率加载下不同位置处的断裂应变、拉伸强度及相应应变率,提高了测量效率.      

Fracture behavior of explosively loaded spherical molded steel shells

Experimental and numerical works are made to study the fracture of explosively loaded spherical molded steel shells. The first series of experiments included three sawdust recovery shots to save fragments for examination. In this series, detonation was initiated from the center of the sphere. Results of the experiments show that two types of fractures are observed in spherical shells: radial and shear as in cylindrical shells. Spall fracture is also observed in spherical shells. To assist understanding of the experimental results, a computer simulation of expanding shells is performed to provide information on the stress, strain, strain rate and position of each element of the shell wall as a function of time after detonation. For t=7.5 μs after detonation, triaxial non-uniform strain prevails in the middle of the thickness of the wall. The peak of the stress equals to 6.5 GPa and exceeds the spall strength of carbon steel. In the second series of experiments, spall fracture is suppressed by displacing the point of detonation initiation from the center to periphery of HE charge.     

无钴合金钢的层裂断裂及数值模拟研究

利用一级轻气炮作为加载手段,对无钴合金钢的层裂特性进行了研究,获得了Hugoniot弹性极限、层裂强度、层裂片厚度以及塑性应变率等动力学参数。对回收的样品进行了断口分析和金相分析,从宏微观角度分析了无钴合金在不同应变率下的断裂机制。利用LS-DYNA有限元程序对层裂现象进行了数值模拟,计算结果与实验结果基本吻合。     

轴向拉伸下氮化钛纳米杆变形机制及力学性能的分子动力学研究

本文使用分子动力学软件包lammps并采用第二近邻改进型嵌入原子法(2NN MEAM)模拟了单晶氮化钛纳米杆的轴向拉伸破坏过程,分析了分别沿[100]、[111]晶向的不同截面尺寸、不同拉伸应变率、不同温度下的氮化钛纳米杆的力学性能,详细描述了氮化钛纳米杆拉伸变形过程。研究发现, 拉伸晶向、截面尺寸、拉伸应变率及温度均会对TiN纳米杆的拉伸变形过程及屈服强度、弹性模量等力学性能产生不同程度的影响。 沿[100]晶向的拉伸,截面尺寸越大,屈服强度越低;而沿[111]晶向,截面尺寸越大,屈服强度越大。应变率越大,屈服强度及屈服应变越大,但对于弹性模量几乎无影响。温度越高,材料的屈服强度、屈服应变及弹性模量越小,断裂应变越大。不同拉伸条件下的氮化钛纳米杆的拉伸过程均包括弹性变形、塑性变形与断裂阶段。[100]晶向的弹性模量都要高于[111]晶向。     

Multiple necking during the dynamic expansion of hemispherical metallic shells, from experiments to modelling

Expansions of hemispheres driven by explosive charge have been conducted for two materials: copper and tantalum. Owing to high speed camera, the time occurrence, the angular position and the number of necks have been identified at the onset of necking. Tantalum and copper have been characterized from quasi-static to dynamic conditions at different temperatures and their behavior has been modelled using three different thermoviscoplastic flow laws (powerlaw, Zerilli-Armstrong, Preston-Tonks-Wallace). From numerical simulations of the expansion process, it has been shown that the onset of necking is located in an axisymmetric layer where plane strain conditions prevail. Since the layer has a small extension in latitude and the shell is thin, the stability problem can be assimilated to that of a plate stretched under dynamic plane strain conditions. A stability analysis is developed based on the concept of an effective rate sensitivity parameter which merges the thermal and the visco-plastic material characteristics. From the evolution of this parameter during loading, a new criterion for the onset of instability is postulated. This criterion, which is different to the usual one based on the evolution of the growth rate of small perturbations, is used to characterize multiple necking observed during the dynamic expansion of copper and tantalum hemispheres. A good agreement with experiments is obtained concerning the number of necks and the time of occurrence of instabilities.     

混凝土高温动态劈拉行为细观数值分析

为研究高温作用下混凝土的动态劈裂拉伸破坏行为，考虑了力学性能的高温退化与应变率增强效应的联合作用，结合混凝土材料内部非均质性，建立了细观尺度数值分析模型与方法。将该数值方法分为两个步骤:首先对混凝土进行热传导行为模拟，进而将输出结果作为初始条件对混凝土动态劈裂拉伸行为进行细观模拟。在模拟结果与已有试验现象良好吻合的基础上，分析了高温下混凝土动态劈裂拉伸行为及其细观破坏机制，对比了不同应变率及加热温度下混凝土的劈裂拉伸应力-应变关系，揭示了混凝土应变率效应与温度退化效应的相互影响规律。研究结果表明:(1) 高温作用后，试件损伤区域较常温下更集中；(2) 名义应变率较大时，破坏过程急促，常温下骨料发生破坏，而经历高温后骨料基本没有破坏；(3) 由于混凝土试件细观结构的非均质性，其内部应力呈枣核状不连续分布；(4) 相比于应变率效应，混凝土劈裂拉伸强度受温度退化作用的影响更显著。