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.     

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.     

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。     

单晶高温材料中铸造微孔洞的扩长

基于有限变形晶体塑性本构关系及三维体胞模型,采用有限元的方法,分析了在不同应力三维度、不同罗德参数、不同滑移系开动及不同加载取向下,单晶高温合金中铸造微孔洞扩长的力学行为。分析结果表明:累积剪切应变在铸造微孔洞的扩长中起着很重要的作用,大的累积剪切应变对应高含量的铸造微孔洞;开动滑移系族的类型对铸造微孔扩长的影响不容忽视,故准确的确定开动滑移系的类型,对于评估单晶热端部件的寿命至关重要。由于不同的取向具有不同的Schmid因子、弹性模量及开动滑移系,单晶高温合金中的铸造微孔洞的扩长还与取向密切相关,因此根据热端部件工况,合理的选择其取向是有必要的。     

基于应变能的复杂应力场低周疲劳分析

塑性应变能使材料微观组织结构发生不可逆变化,从而引起等效宏观应力,该应力随循环加载而增大．假定材料疲劳源处破坏是由最大拉应力引起的,最大等效宏观应力与外加应力叠加达到材料本征断裂应力时形成微裂纹．微裂纹引起上述两部分应力变化,继续加载直至宏观裂纹出现,从而得到材料的疲劳寿命．本文所建立的多轴疲劳寿命公式包含材料参数、拉应力以及塑性应变能等,以上数据可通过单轴疲劳数据和有限元方法获得．通过对SM45C材料的计算验证,表明该模型对多轴随机应变加载低周疲劳寿命,具有良好的预测结果．     

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.      

球墨铸铁材料细观损伤破坏机制实验研究

选用具有典型细观结构特征的球墨铸铁材料进行试验，探讨这种金属材料在各种三轴应力状态下的细观损伤破坏，结果表明：在较高三轴应力状态时，石墨颗粒与基体分离形成的一级孔洞扩展很不充分，且断裂孔洞体积分数ff较小；在较低三轴应力状态下，一级孔洞扩展较充分，损伤演化后期有二级孔洞形成，体积分数ff较大，ff的较大差异意味着材料在不同受力情况下，细观层面上表现出损伤聚合机制不同，因此用单参数f来描述和判断球铁材料损伤演化的各个物理状态是不够的。     

微凸体碰撞对接触应力应变的影响

基于有限元法建立了单对半球状微凸体的接触、碰撞模型,研究了碰撞对微凸体在完全弹性、弹塑性和完全塑性三种接触状态下的Mises应力分布和等效塑性应变(PEEQ)的影响.结果表明:接触变形状态不同时,微凸体的Mises应力分布在碰撞过程具有不同的变化过程,但碰撞结束后,Mises应力值都降低,仅在完全塑性接触时,个别节点的Mises应力峰值大于屈服极限.碰撞使微凸体的等效塑性应变迅速增加到峰值,并保持到碰撞结束,与接触变形状态无关.完全弹性、弹塑性接触状态和完全塑性接触状态下,微凸体等效塑性应变的峰值分别位于接触中心区域和应变峰值环,这意味着裂纹可能产生的部位也不同.     

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．     

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.      

考虑微裂纹相互作用的的岩石微观力学弹塑性损伤模型研究

本文建立基于微裂纹扩展的岩石弹塑性损伤微观力学模型。用自洽方法考虑裂隙间相互影响,压缩载荷下微裂纹尖端翼裂纹稳定扩展表征岩石的微观损伤,基于应变能密度准则用Newton迭代法求复合型断裂的翼裂纹扩展长度,并采用微裂隙统计的二参数Weibull函数模型反映绝对体积应变对微裂纹分布数目影响,进而用翼裂纹扩展所表征的应力释放体积和微裂纹数目来表示含有微裂隙的岩石损伤演化变量;宏观塑性屈服函数采用Voyiadjis等的等效塑性应变的硬化函数,反映塑性内变量对硬化函数的影响;建立岩石的弹塑性损伤本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了弹塑性损伤模型的程序。从围压和微裂隙长度等因素分析弹塑性损伤模型的岩石的损伤和宏观塑性特性。     

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。     

晶体塑性变形离散滑移模型及有限元分析

基于韧性单晶体实验现象，建立了描述晶体塑性变形的离散滑移模型．该模型的主要特点是：晶体滑移变形在宏观上是不均匀的，滑移带的分布是离散的．利用晶体塑性理论对模型进行了有限变形有限元分析，计算结果揭示了晶体滑移的离散行为，模拟的应力 应变曲线与实验曲线相吻合     

考虑三轴约束时孔洞的聚合机理及有效能量准则

通过体胞分析方法,对不同状孔洞在从光滑试样到裂纹试样的三轴应力场中的聚合机理进行了较精解的有限元分析,计算结果表明：（１）孔洞的相互靠近和横向扩展是导致相邻孔洞发生内颈缩聚合的两种基本机制,在应力三维度Ｒσ等于１．２５附近,这两种机制发生较明显的变化。（２）单纯以孔洞体积分数ｆＣ概念为基础的材料破坏参数一般敏感于应力三维度,不能很好地预报不同三轴应力场中材料的破坏,在此基础上,提出了描述孔洞聚合的     

复杂应力状态下GCr15轴承钢的动态剪切及熔融特性研究

本文探究了GCr15轴承钢压剪试样在冲击载荷下的绝热剪切和熔融破坏特性．首先,实验研究发现GCr15轴承钢的力学性能具有拉-压不对称性、应力状态及应变率敏感性．因此,通过引入应力三轴度、洛德角、应变率和绝热剪切温升机制扩展了经典J-C本构模型,并对GCr15轴承钢的动态单轴压缩和压剪试验结果进行了数值实现．研究结果表明,应力三轴度和洛德角是影响动态冲击下压剪试样的绝热剪切产生和熔融特性的重要因素．     

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.     

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。     

单晶Ⅰ型弹塑性开裂取向效应的离散位错动力学-近场动力学研究

本文采用基于近场动力学框架的位错动力学叠加模型对FCC单晶在四种不同取向下的I型弹塑性开裂行为进行模拟研究.在模型中，无需预设裂纹扩展路径和内聚力区域，裂纹扩展路径由位错与裂纹的相互作用自动确定.数值计算了FCC单晶体在不同取向时的位错分布演化和裂纹扩展路径.分析表明取向会影响韧性和断裂行为，并证实了单晶体的单轴拉伸开裂行为遵循施密特因子关系，即位错更倾向于在施密特因子大的滑移面上形核并滑移.计算得到位错裂纹演化结果显示，不同取向时位错在滑移系上的分布和演化行为会导致不同晶体断裂模式.     

轴承钢滚动接触疲劳亚表面夹杂处损伤分析

轴承钢在滚动接触疲劳(RCF)中失效的主要原因之一是亚表面白蚀区(WEA)的形成.本文中从塑性应变累积引起剪切局域化新的角度对WEA进行了研究.通过耦合晶体塑性和相场损伤理论建立了损伤演化本构模型,研究了非金属夹杂处塑性应变累积和损伤演化.研究表明,接触疲劳载荷引起的塑性应变局域化导致了剪切带的形成.剪切带的形貌、取向和应变与WEA的一致,表明WEA实际上是应变局域化的剪切带.晶体取向对WEA损伤的形成和发展有很大的影响,WEA仅在择优的晶体取向下形成.与软夹杂周围的剪切带和损伤演化不同,硬夹杂处的剪切带与夹杂相切,形成的4条剪切变形带将夹杂“包围”.剪切带内部处于高应变和低应力的状态,带中心处应变达到最大,随带宽两侧急剧减小,而中心处应力却最小,几乎为零,沿带宽两侧增大,这说明裂纹在剪切带内萌生和扩展.该结论阐明了裂纹和WEA形成的关系,即裂纹是在WEA形成过程中因应变不协调产生,而非裂纹先产生,裂纹上下表面相互摩擦导致WEA形成.     

压缩载荷作用下岩石的细观损伤和塑性研究

建立岩石微裂纹扩展的细观力学模型,研究了岩石的细观损伤和塑性性质.压缩载荷下微裂纹尖端翼裂纹稳定扩展表征岩石的细观损伤,采用应变能密度准则求解复合型断裂的翼裂纹扩展长度,微裂隙统计的二参数Weibull函数模型反映绝对体积应变对微裂纹分布数目影响,进而用翼裂纹扩展所表征的应力释放体积和微裂纹数目来表示含有微裂隙的岩石损伤演化变量;宏观塑性屈服函数采用Voyiadjis等的等效塑性应变的硬化函数,反映了塑性内变量对硬化函数的影响;建立岩石模型的本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了模型的本构程序.分析弹塑性损伤模型的围压对岩石损伤的影响,并从围压和短微裂隙长度等因素分析模型的岩石的损伤和宏观塑性特性.