材料三维微结构表征及其晶体塑性有限元模拟

材料的力学性能，尤其是在有限变形下所呈现的宏观各向异性，是材料结构设计和服役寿命考虑的关键因素。由于宏观模型不能较好地反映材料微观结构（晶粒的形貌和取向等）对宏观塑性各向异性的影响，因此，本文建立了能实际反映晶粒形貌的三维Voronoi模型，并基于晶体塑性理论对铝合金在有限变形下的响应进行计算。首先，建立反映材料微结构的代表性体积单元RVE模型进行计算，并与实验结果进行对比验证。然后，以单向拉伸为例，分析了有限变形过程中试件的晶粒形貌和取向分布等微观因素对宏观各向异性演化的影响，并从材料和结构两个层面讨论了微观结构对宏观力学性能的影响。结果表明，本文模型能够反映微观结构对宏观力学性能的影响，为实际生产制造领域构件的力学性能提供可靠的预测。     

镁合金晶体塑性本构模型与非均匀孪生变形分析

微结构演化对镁合金材料力学性能有着显著的影响，为了揭示镁合金宏观塑性各向异性特性与非均匀孪生变形的关系，开展了不同路径下的单轴加载试验以及采用含滑移、孪生机制的晶体塑性本构模型对试验条件下的镁合金变形行为进行数值模拟研究。文中本构模型描述了滑移与孪生变形机制以及晶格转动的机制，同时研究采用三维微结构代表性有限元模型，其包含晶粒尺寸、晶向和晶界倾角等微结构参数。研究结果表明，轧制镁合金具有强烈的宏观塑性各向异性行为，并对这种镁合金塑性各向异性行为的模拟结果以及多晶织构的模拟演化结果与试验测量进行对比，结果都基本吻合。对孪生非均匀变形模拟分析表明，镁合金宏观塑性各向异性行为与滑移、孪生变形机制的不同启动组合紧密相关，同时多晶体内应力的非均匀分布受到孪生变形的严重影响。而不同晶粒尺寸的晶粒所发生的孪生变形有比较大的差异，造成孪晶变体在晶粒内的分布极不均匀。本研究可为通过微结构的合理配置来设计和控制材料的力学性能提供理论依据.     

高速冲击表面处理对金属材料力学性能和组织结构的影响

高速冲击表面处理过程中的应变率对金属材料的宏观力学性能和微观组织结构都具有重要影响。根据当前应变率效应的研究成果,从宏观与微观相结合的角度出发,综述了高速冲击表面处理过程中应变率对金属材料强度和塑性的影响规律,并重点阐述了不同应变率下金属材料内部微观组织结构的演变规律,主要包括晶粒结构、绝热剪切带、相变、位错组态和析出相以及变形孪晶等。此外,还分析了组织结构随应变率的演化和微观变形机制的转变对材料力学性能的强化和弱化机理。最后,对高速冲击表面处理梯度组织的变形特点进行了总结。提出了不同组织结构对材料性能影响的综合效应模型,以期为应变率效应的深入研究奠定基础。     

单晶有限变形的热力耦合计算模型

以弹性变形梯度作为基本变量,结合热力学理论构造了单晶有限变形的热、力耦合计算模型。该模型考虑了温度、变温速率以及塑性耗散等条件对单晶有限变形的影响,相对于传统的以弹性变形梯度为基本变量的晶体塑性模型,算法能够体现温度效应的影响。采用隐式的积分方法对建立的控制方程进行计算以保证求解过程的稳定。以1100Al单晶为例计算了不同升温、降温速率,以及不同应变率影响下的材料应力-应变的响应。结果表明,模型能较好地反映变温过程中,单晶各向异性性质的演化以及应力、应变之间关系的变化。     

两种晶体塑性损伤模型在有限变形条件下的比较

对建立在连续损伤力学和内变量理论基础上的两种晶体塑性损伤模型进行了比较,旨在比较两种模型在描述材料物理性能方面的适用性以及由加载而引起变形响应的不同之处.模拟结果显示,两种模型均能反映出塑性各向异性和损伤的演化;由加载而导致有限变形的响应不仅依赖于变形,而且也依赖于晶格取向;尽管两种模型在揭示单晶体的物理性能方面是不同的,但是在预测材料力学性能方面有着相同的预测趋势.     

晶粒数量对多晶集合体初始各向异性的影响

Taylor类多晶晶体粘塑性模型被用于研究晶粒数量对随机分布多晶体拉伸塑性各向异性的影响。分别沿包含不同晶粒数量的多晶集合体的各方向进行单向拉伸数值模拟实验，得到多晶集合体各方向在一定等效应变下的等效应力，并用云图和等高线表示在多晶体的参考球面上。定义了描述多晶集合体各向异性程度的参考指标。讨论了三种确定晶体随机取向的方法。计算结果表明：晶粒数量有限的多晶集合体的应力应变响应仍有一定的各向异性，且随着晶粒数量增多，多晶集合体的各向异性程度降低；就所包含晶粒数相同的多晶集合体来说，在确定晶粒随机取向时，选取不同的方法对它的各向异性程度也有一定的影响。     

多晶体变形、应力的不均匀性及宏观响应

从单晶滑移变形分析的角度探讨多晶体塑性变形和应力的不均匀性及宏观力学响应：建议了 一种当前构形下以应力为基本变量的单晶黏塑性增量迭代计算方法；用Voronoi晶粒集合体 模型研究多晶体由于晶粒几何及取向的随机性造成的变形和应力的不均匀性, 进行了多晶集 合体的宏观响应和晶粒位向演化数值分析. 结果表明：(1)多晶体内等效塑性应变和应力分量在统计上呈现高斯分布，在应变硬化过程中, 随着塑性变形增加多晶体微观应力的统计变异系数会越来越大；(2)用Voronoi模型计算可得到沿最大剪应力方向的滑移变形带；(3)多晶体内最高三轴拉应力一般出现在晶界特别是三晶交界处；(4)Voronoi模型能用于织构分析.     

考虑尺寸效应的多晶金属循环塑性分析

本文采用多晶塑性分析方法,设材料点包含一定数量的各向异性单晶晶粒并考虑晶粒尺寸的影响,计算材料点的应力和应变时利用了Taylor假设。模型引入考虑尺寸效应的晶体滑移硬化函数,同时针对晶体滑移引入背应力及其方向性硬化的描述,以反映不同晶粒尺寸材料在循环加载条件下的力学行为。利用该模型,本文第一作者采用显式格式编制了与ABAQUS商用有限元软件接口的用户材料子程序（VUMAT）,实例计算证实该模型可以反映和描述多晶金属材料在材料反复加载条件下的循环塑性行为与尺寸效应。     

考虑细观变形特征的镁合金宏观本构模型及数值模拟

为了能有效描述镁合金宏观各向异性塑性行为,考虑了滑移、孪生、去孪生三种细观变形模式的特点,给出了相应的硬化函数;根据VonMises屈服准则,发展了一种镁合金宏观本构模型及其迭代算法。模型将变形模式的开启与晶粒取向相关联,同时针对镁合金孪生变形时引起的晶粒重新定向问题,描述了一种晶向偏转的方法。在此基础上编写了ABAQUS/UMAT材料用户子程序;利用开发的本构模型,开展了单轴拉伸、单轴压缩、单轴循环拉压加载条件下镁合金塑性行为的数值模拟,并对随机织构下的镁合金板材轧制过程进行了有限元仿真实验。模拟结果表明:单轴拉伸、单轴压缩和循环加载情形下的镁合金宏观硬化行为与实验结果基本吻合;轧制后镁合金板材表现出了应力-应变不均匀特性,多晶织构演化结果与实验结果基本一致。说明文中所提出的宏观本构模型、晶向偏转模型能够有效描述镁合金的宏观塑性行为和织构演化。     

双轴反复荷载作用下钢筋混凝土空间框架结构滞回全过程分析

实际地震中结构所承受的地震作用是多维的。结构的恢复力特性是反映其抗震性能的一个重要属性。对地震作用下钢筋混凝土柱、梁塑性铰区的计算模型进行了分析,给出了塑性铰区等效长度的简便计算公式;建立了“有限纤维”空间线性梁单元模型并推导出了其刚度矩阵;使用“弥散法”来考虑梁锚固钢筋在结点区的粘结滑移对结构整体变形的影响。最后使用空间杆系模型对一承受双向反复荷载的框架结构进行了计算分析。分析表明所建立的计算模型是精确有效的。     

考虑晶界效应的多晶体有限变形分析

将晶界及其影响区综合考虑，建立了考虑晶界效应的力学模型，结合晶体塑性理论，利用有限变形有限元对多晶体进行数值模拟，数值结果显示了细观层次下晶粒变形场的特点，理论计算同实验定性一致。     

基于晶体塑性理论的孔洞生长行为研究

采用率相关晶体塑性模型,建立三维胞元计算模型,研究了晶粒取向和晶界对孔洞生长和聚合的影响.比较了不同晶粒取向的单晶和双晶体中孔洞的生长趋势,发现晶粒取向对孔洞生长方向,孔洞形状等有着显著的影响.     

考虑晶体滑移面分解正应力的细观损伤模型

材料内部的解理、滑移面剥离等细观损伤是引起宏观失效的根源, 从细观尺度研究损伤的发生和发展有助于深入认识材料的变形和失效过程. 本文基于晶体塑性理论, 从滑移系的受力和变形出发研究材料的细观损伤, 建立了考虑滑移面分解正应力的细观损伤模型, 为晶体材料解理断裂的分析提供了新方法. 首先, 在晶体弹塑性变形构型的基础上引入损伤变形梯度张量的概念, 从变形运动学着手建立了考虑损伤能量耗散的本构方程, 并推导了塑性流动方程与损伤演化方程; 然后, 建立了相应的数值计算方法, 给出了应力与状态变量的更新算法, 推导了Jacobian矩阵的表达式; 接着, 以$[100]$取向的单晶铜材料为例, 通过有限元计算与试验结果的对比, 并采用粒子群优化算法标定了11个材料细观参数; 最后, 将所提细观损伤模型应用于RVE单轴拉伸过程的模拟, 得到了考虑损伤影响的应力应变曲线, 并分析了材料的塑性流动与损伤演化过程. 结果表明, 本文所提模型能够计算材料在受载过程中的损伤累积效应, 合理反映晶体材料的细观损伤机理.      

泡沫铝的单向力学行为

本文对不同孔径的开孔泡沫铝材料的单向拉伸性能和单向压缩性能进行了研究,揭示了泡沫铝材料的变形机理,并且发现相对密度不是确定材料力学属性的唯一参数,孔径大小对材料的力学性能也有一定的影响。基于实验数据,我们讨论了材料的宏观力学性能和微观结构的联系,并利用Ramberg-Osgood模型描述了材料的单轴拉伸一维应力应变关系。     

FeCrAl合金材料织构对其宏观力学本构关系的影响研究

FeCrAl合金具有优良的高温抗氧化性和耐辐照性能,是事故容错核燃料包壳的重要候选材料. 其在加工过程和热处理过程中易形成α纤维织构（<110>//RD）和γ纤维织构（<111>//ND）,会影响材料的宏观力学性能与深加工成形能力. 本研究针对具有不同织构的多晶FeCrAl合金,建立了代表性体元模型, 使用晶体塑性有限元方法,在ABAQUS/Explicit中模拟材料单轴加载下的宏观应力应变曲线,分析不同织构对FeCrAl合金宏观力学本构关系的影响. 计算结果表明,对于具有α织构、γ织构和晶粒无择优取向的材料,在轧向上的应力应变曲线差异较小. γ织构会引起材料强烈的各向异性,在轧面法向上的屈服强度远高于轧向和横向上的屈服强度,这是因为晶粒的<111>方向平行于加载方向,滑移系难以启动. 提高γ纤维织构的比例,将增大轧面法向上的屈服强度. 本研究可以为优化FeCrAl合金材料织构、加工条件和材料力学性能提供参考.     

液晶高分子各向异性粘弹性流体本构方程理论

将液晶高分子－各向异性流体的本构方程,建立在Oldroyd随体导数观点基础上。推广上随机Oldroyd B流体模型,提出共转OldroydB流体模型,同时将微观结构的影响通过宏观参数表示出来,使在宏观理论中包含微观结构的贡献,即引入取向物质函数,非线性各向异性黏度函数和各向异性松弛时间及推迟时间等,表征取向运动对黏度和松弛及推迟现象的影响,在此基础上开展了一类新的液晶高分子－Oldroyd型本构方程理论,由该类型本构方程得出的物质函数,液晶高分子流体的第一、第二法向应力差与实验结果一致,解释了液晶高分子溶液的第一、第二法向应力差的特殊流变学行为。     

FeCrAl合金材料织构对其宏观力学本构关系的影响研究

FeCrAl合金具有优良的高温抗氧化性和耐辐照性能，是事故容错核燃料包壳的重要候选材料. 其在加工过程和热处理过程中易形成α纤维织构（<110>//RD）和γ纤维织构（<111>//ND），会影响材料的宏观力学性能与深加工成形能力. 本研究针对具有不同织构的多晶FeCrAl合金，建立了代表性体元模型, 使用晶体塑性有限元方法，在ABAQUS/Explicit中模拟材料单轴加载下的宏观应力应变曲线，分析不同织构对FeCrAl合金宏观力学本构关系的影响. 计算结果表明，对于具有α织构、γ织构和晶粒无择优取向的材料，在轧向上的应力应变曲线差异较小. γ织构会引起材料强烈的各向异性，在轧面法向上的屈服强度远高于轧向和横向上的屈服强度，这是因为晶粒的<111>方向平行于加载方向，滑移系难以启动. 提高γ纤维织构的比例，将增大轧面法向上的屈服强度. 本研究可以为优化FeCrAl合金材料织构、加工条件和材料力学性能提供参考.     

基于多尺度特征应变均匀化计算HCP多晶体塑性

结合基于位错密度的晶体塑性模型与特征应变均匀化方法来分析HCP晶体结构材料的力学行为,拟开发一种计算模型用于有效捕捉以及预测微观与结构尺度的裂纹产生。首先,与传统的晶体塑性有限元相比,该多尺度模型可以提高计算效率并同时保持微观尺度的捕捉精度。其次,将模型与试验结果的差值为优化目标,在满足物理学定义的条件下得到合理的材料参数。最终,结构尺度的模拟显示该模型可以获取在结构尺度与微观晶粒尺度的潜在裂纹生长区域。     

沿指定应力路径加载的有限元RVE模型研究

在细观尺度上建立能反映材料微观组织结构又能反映统计意义上宏观力学性能的代表性体积单元（Representative Volume Element, RVE）,对其进行复杂加载下的数值研究,是目前预测材料宏观力学性能较有效的方法。本文从理论上分析并提供了对正六面体RVE在任意应力状态及任意应力路径下加载及宏观应力、应变计算的方法,用有限元软件ABAQUS实现了数值计算过程,并用此方法对循环加载下缺口圆棒颈部中心和边缘位置进行了RVE分析。结果表明：（1）此方法能准确的控制并实现正六面体RVE在任意应力状态及应力状态路径下加载;（2）通过RVE分析,可用于复杂加载下试样局部细观结构变化的研究。     

尺度依赖的静电驱动各向异性微板的Pull-in效应

在新修正偶应力理论的基础上建立了一种可用于分析静电驱动各向异性微板的尺度依赖模型。模型中包含有两个材料尺度参数,在考虑材料宏观各向异性的同时也考虑了微观各向异性程度对结构Pull-in特性的影响。通过虚功原理推导了静电驱动微板的非线性控制方程并显式地给出了Pull-in电压和挠度的表达式。算例结果表明:本文模型所预测的Pull-in电压和挠度分别大于和小于经典宏观板理论的预测结果,即反映了微尺度结构下的尺度效应。尺度效应的影响在板厚度与材料尺度参数接近时逐渐增加,而随着两者比值的增加,该影响逐渐减弱,最终可以忽略不计。此外,本文也讨论了初始间隙d对Pull-in电压以及尺度效应的影响。结果表明随着d的增加,Pull-in电压随之增大,而Pull-in挠度变化不大。