一个修正的金属材料低周疲劳损伤模型

疲劳破坏是金属最常见的失效形式之一。基于连续损伤力学理论和能量原理,本文提出了一个修正的金属材料低周疲劳损伤演化方程,该方程综合考虑了材料的塑性强化、微裂纹闭合效应等因素对损伤累积的影响。将修正后的损伤演化方程以UMAT子程序的形式导入有限元计算软件ABAQUS之中,建立了疲劳损伤的计算模型,并以铝合金7050-T7451为例对该模型的有效性和适用性进行了验证。     

基于微-细观机理的混凝土疲劳损伤本构模型

该文致力于混凝土疲劳损伤发展机理的微细观解释. 以速率过程理论为基础,通过考虑裂纹断裂过程区中的水分子动力作用,在细观尺度上建立了具有物理机理的疲劳损伤能量耗散表达式. 结合细观随机断裂模型,以宏观损伤力学为框架,建立了疲劳损伤演化方程. 通过数值模拟,计算了单轴受拉时的疲劳损伤演化以及不同加载幅度下的疲劳寿命. 与相关试验结果的对比显示出该文模型能够很好地表现混凝土材料的疲劳损伤演化过程.      

THE FATIGUE CONSTITUTIVE MODEL OF CONCRETE BASED ON MICRO-MESO MECHANICS

该文致力于混凝土疲劳损伤发展机理的微细观解释. 以速率过程理论为基础,通过考虑裂纹断裂过程区中的水分子动力作用,在细观尺度上建立了具有物理机理的疲劳损伤能量耗散表达式. 结合细观随机断裂模型,以宏观损伤力学为框架,建立了疲劳损伤演化方程. 通过数值模拟,计算了单轴受拉时的疲劳损伤演化以及不同加载幅度下的疲劳寿命. 与相关试验结果的对比显示出该文模型能够很好地表现混凝土材料的疲劳损伤演化过程.     

疲劳损伤临界值分析

通过对疲劳过程和疲劳失效的临界状态的分析，提出疲劳失效判据应与损伤程度和应力水平两个因素有关，并在试验的基础上建立了一个剩余强度退化的对数模型。根据疲劳过程中材料强度退化的事实及其规律。分析了损伤临界值与循环应力水平之间的关系，给出了一般应力水平下疲劳损伤临界值的范围，对于随机疲劳问题，给出了损伤临界值的分布规律。     

调质42CrMo钢的棘轮-疲劳交互作用及其耦合损伤粘塑性本构模型

对调质42CrMo钢的棘轮-疲劳交互作用的实验结果进行了分析,揭示了材料在非对称应力循环下的全寿命棘轮变形特征和低周疲劳损伤演化特性.在统一粘塑性循环本构模型框架下,基于连续损伤力学理论,提出一个耦合损伤的牯塑性本构模型.该模型中将损伤分为宏观弹性损伤和塑性损伤两部分,并采用不同的损伤演化方程来描述这两类损伤.针对材料不同的失效模式,分别采用损伤变量门槛值和最大应变作为失效判据.将模型应用于调质42CrMo钢单轴应力循环下全寿命棘轮行为的描述和低周疲劳寿命预测中,模拟结果和实验结果吻合较好.     

电子封装钎料合金耦合损伤的多轴时相关低周疲劳失效研究

基于63Sn-37Pb钎料合金材料的多轴时相关循环变形行为及疲劳失效行为,提出了耦合损伤的多轴时相关理论模型及疲劳失效模型,模型引入了损伤演化方程,考虑了时相关效应及非比例路径效应,能较好地模拟材料在不同非比例加载路径下的循环变形行为及疲劳失效行为,较准确地预测多轴疲劳寿命.     

复合材料厚壁圆筒的疲劳损伤研究

基于能量耗散法,推导出了复合材料厚壁圆筒的疲劳损伤和疲劳寿命函数;在此基础上,采用有限元软件 ABAQUS 建立复合材料圆筒模型,进行了模拟周期内压载荷作用下的疲劳仿真计算,得到了随着循环数的增加,疲劳损伤变量不断增大和材料性能不断退化的损伤规律。以同样的方法和载荷边界条件计算了全金属圆筒疲劳损伤的起始和演化。对比结果表明：相同循环次数作用下,后者的裂纹扩展长度和张开位移更大;随着循环次数的增加,后者的疲劳破坏比前者更剧烈,更难预测。     

电镀铜薄膜力学性能的实验研究

电子器件中大量使用铜膜作为电信号通道,而且一般采用电镀工艺制成.铜膜的力学性能参数对于其热疲劳可靠性的研究非常重要.目前有关该材料的力学性能研究尚不充分,而且数据极为不统一.本文借助于纳米压痕法、声发射等实验手段对电镀铜薄膜的静态力学性能(包括弹性模量和屈服强度等)及疲劳性能进行了测试.结果发现,与大块铜材料相比,电镀铜薄膜的弹性模量低很多,但屈服强度与大块铜材料相当,甚至高出200％.同时,本文采用弯曲疲劳实验,以电阻变化为失效判据,对镀铜材料的疲劳性能进行了测试,获取了该材料不同失效判据下的疲劳寿命预测模型的系数.     

升温热冲击环境下超高温陶瓷材料抗热震性能的热-损伤模型

在现有的抗热震理论基础上考虑到超高温陶瓷材料热物理性能对温度的敏感性及损伤在其使役历程中随温度的演化,建立了适用于升温服役环境下表征超高温陶瓷材料抗热震性能的热-损伤模型。该模型考虑了微裂纹尺寸、密度、热冲击环境温度等因素对材料抗热震性能的影响。利用此模型研究了超高温陶瓷材料在升温服役环境下损伤以微裂纹形核规律演化时对其抗热震性能的影响。从理论上验证了基于材料微结构设计思想在制备超高温陶瓷材料时,引进一定密度一定尺寸的微裂纹并控制其随温度演化规律以形核方式进行,既可以使材料保持较高的强度又能大幅度提升材料的抗热震性能。     

高量程MEMS加速度计的热应力仿真与可靠性评估

硅压敏电阻阻值漂移过大导致输出失效是高量程MEMS加速度计在恶劣温度环境下工作的主要失效模式之一。通过模拟仿真加速度计悬臂梁、芯片结构和封装后整体模型的热应力分布情况,确定了压敏电阻所在结构梁区域是最容易失效的位置,且最大热应力分布在芯片梁与质量块倒角处,其值约为107 N/m2;通过设计的高温加速恒定应力试验验证了加速度计的温度敏感特性,根据试验数据的特征采用三种可靠度评估方法定量外推出高量程MEMS加速度计在规定应力条件下的可靠度指标。研究结果表明,加速性能退化试验和基于退化量的可靠性评估方法适用于高量程MEMS加速度计在温度环境中的可靠性研究,能够利用有限的试验数据获得可信度较高的评估结果。     

马氏体钢表面磁控溅射类金刚石薄膜滚动接触疲劳失效机理

采用磁控溅射技术在马氏体钢基体表面制备类金刚石(DLC)薄膜,应用扫描电镜、Raman光谱仪和划痕测试仪等对薄膜进行表征. 基于对失效表面及截面微观特征的详细分析,研究了DLC薄膜在接触疲劳载荷下的失效特征和机理. 结果表明:DLC薄膜试样的滚动接触疲劳(RCF)寿命比基体的寿命显著提高,且薄膜磨损后试样的剩余寿命仍比原基体寿命长. 薄膜厚度3 μm,处于接触最大应力分布的15 μm范围内. DLC薄膜是从基体表面粗糙峰处产生微裂纹进而导致薄膜剥落,基体材料裸露,最终试样失效.      

混凝土疲劳分析方法综述

从探究物理机制的视角对混凝土疲劳研究进行了逻辑上的梳理,表明既有研究可分为3 类主要模型:基于疲劳试验分析的现象学模型、基于断裂力学的疲劳裂纹扩展模型和基于损伤力学的疲劳损伤演化模型. 通过解析具有典型性的研究,论述了不同类型研究的特点. 进而,从还原论的角度出发,阐明了速率过程理论可以作为解释混凝土材料疲劳损伤演化的物理基础. 注意到疲劳试验结果所表现出的显著随机性,阐述了应以物理随机系统思想研究混凝土疲劳问题的观点.     

腐蚀环境下结构系统疲劳主要失效模式识别

疲劳主要失效模式识别是结构系统疲劳可靠性理论研究的主要内容之一。本文研究了腐蚀环境下结构系统疲劳主要失效模式识别方法:(1)建立了腐蚀环境下结构元部件损伤随机模型,对该模型的适用性作了讨论;(2)研究了识别结构系统疲劳主要失效模式的全局分枝约界法,与结构元部件损伤随机模型结合,实现腐蚀环境下结构系统疲劳主要失效模式识别,并对算法执行过程作了调整;(3)引入了一种安全裕量方程确定方法。理论分析和数值算例表明,本文所提算法可实现腐蚀环境下结构系统疲劳主要失效模式识别。     

一种基于材料韧性耗散分析的疲劳损伤定量新方法

依据疲劳过程中结构钢力学性能的变化规律,从反映疲劳损伤机理、对损伤过程表现敏感且便于实验测试等方面对上述材料弹性、塑性、强度和韧性等参量进行综合考察后指出,韧性是一个适合作为疲劳损伤表征的力学参量,并进一步建立了韧性随疲劳损伤演化的耗散模型。从交变载荷下材料韧性耗散规律出发,结合疲劳损伤的能耗过程分析,系统研究并提出了以韧性为基本参量的疲劳损伤变量、损伤临界值、损伤演化方程和累积损伤模型,据此建立了一种新的疲劳损伤定量方法,并在实验中得到了验证。通过与其它方法比较表明：根据韧性耗散定义损伤变量优于基于延性、强度和弹性模量变化的损伤度量方法,由此得到的累积损伤模型较Ｍｉｎｅｒ线性法则与Ｍａｎｓｏｎ双线性累积损伤法则更符合实验结果。因此,上述疲劳损伤定量方法可为现阶段工程结构的抗疲劳设计与寿命估算提供新的研究手段     

准脆性材料断裂过程区中的圆饼微裂纹损伤计算

准脆性工程材料及结构在外力作用下，不仅引起内部缺陷变化和微裂纹的出现及发展，且使得其结构承载能力降低或性能劣化．在其材料失效过程中常存在裂缝与断裂损伤过程区．为研究材料细观缺陷或微裂纹与宏观破坏的规律，通过细观力学方法，对于代表性体积单元RVE中的圆饼型微裂纹的尺寸与密度变化，探讨其宏观断裂过程区力学参量与损伤之间的量化关系．借助宏观断裂过程区的黏聚裂纹模型，将损伤单元RVE嵌入到宏观裂缝端部的断裂过程区中，对其进行联接细观损伤到宏观破坏的力学多尺度研究．文中也通过实验数据，对其理论计算结果进行了算例的讨论与分析．     

镁合金疲劳后的静态拉伸声发射特性研究

基于声发射对微损伤的高敏感性特点,本文对不同疲劳损伤程度试件静态拉伸过程中的声发射信号进行分析,得出了镁合金材料的早期损伤演化规律.首先,构建了对疲劳加载后的镁合金进行静态拉伸并同时采集声发射信号的试验方案,实现利用不同损伤程度下材料拉伸声发射性能的差异性来评价材料疲劳损伤的目的;其次,对所采集声发射信号的统计分析,研...     

低周疲劳随机损伤过程的有限元模拟

讨论了一种低周疲劳下随机损伤演变过程 数值模拟方法，借助于Ｌｅｍａｉｔｒｅ＆Ｄｕｆａｉｌｌｙ给出的代表性体元的微观力学模型，建立了损伤与微裂纹尺寸的关系，采用随机初始损伤反映材料中固的的微缺陷，将所得模型与有限元结合对低周疲劳损伤过程进行了数值模拟。     

热障涂层材料性能和失效机理研究进展

热障涂层材料破坏由大尺度屈曲和层离机制产生, 而这些机制又是微裂纹形核、扩展及相互连通结果的积累.由于特殊制备工艺和使用环境, 材料性能涉及到许多特殊机制.近半个世纪的研究,人们对其性能有了充分认识.综述 近几年的研究结果,内容包括:热生长氧化现象及其热力学描述;热生长应力与材料失效的联系;材料破坏机理与性能 控制参数和材料微组织的联系;微缺陷演化产生的材料屈曲和层离所需的能量释放率;破坏 准则、服役寿命预计模型和评价标准等.     

结构系统静强度与断裂的综合可靠性分析

基于疲劳载荷作用下裂纹扩展的随机性,建立了结构系统综合考虑静强度和断裂的可靠性分析方法,该方法给出了元件静强度失效时所对应的当量寿命,并建立了元件综合失效判别准则,分析了元件静强度失效和断裂失效之间的相关性.算例表明,随使用年限的增加,元件静强度失效和断裂失效之间的相关性也在增加;在不同的使用年限内,结构系统主要失效路径是不同的,并且在结构系统主要失效路径中既有元件静强度失效又有元件断裂失效;若只考虑静强度或断裂的结构可靠性分析,分析结果偏于危险.     

柔性路面的各向异性疲劳损伤数值模型研究

根据柔性路面在交通荷载作用下的力学响应特点,推导了一个各向异性疲劳损伤本构方程,并基于ABAQUS软件及其二次开发平台,建立了考虑各向异性疲劳损伤的路面结构有限元模型。通过建立的模型计算车辆作用下路面结构的疲劳寿命,其结果与试验数据吻合良好,误差最高仅为3.8%,证明该模型精确可靠。最后,分析了疲劳损伤的演化规律,以及路面结构参数对疲劳性能的影响。结果表明,路面纵向疲劳损伤演化速率比横向大得多,随着车辆循环作用,路面结构的各向异性逐渐增强,进而又加剧疲劳损伤的演化。另外,沥青层越厚、土基弹性模量越大,路面疲劳损伤演化得越慢;而当土基较弱、沥青层较薄时,增加级配碎石层厚度可以显著延缓柔性路面的疲劳开裂。