基于微结构动态演化机制的单晶镍基高温合金晶体塑性本构及其有限元模拟

因其优异的高温力学性能,镍基单晶高温合金在航空航天和能源等领域得到了广泛的应用.镍基单晶高温合金优异的高温性能来源于其特有的两相微结构.基于代表体胞模型及分块均匀化方法,以位错密度为主要内变量,发展了一个包含两相微结构和位错演化信息的单晶镍基高温合金塑性行为的本构模型.该本构模型充分考虑了镍基单晶合金中位错在基体相和沉淀增强相中的多种演化机制,例如,基体位错八面体滑移、立方滑移、位错攀移、交滑移、位错弓出、位错切过沉淀增强相以及位错Kear-Wilsdolf(K-W)锁形成与解锁等.在商用有限元软件ABAQUS的框架下,编制了UMAT用户材料子程序.利用该用户子程序,对单晶和多晶镍基高温合金在不同温度、不同加载方向下的单调塑性、循环塑性、蠕变等典型行为进行了计算模拟.结果表明:该晶体塑性本构模型能"统一地"刻画镍基高温合金在不同温度、不同方向下的多种变形行为,并与实验结果具有良好的一致性.     

位错热激活滑移的数值模拟

在三维离散位错动力学模型中,用Langevin力描述温度对位错的影响作用,模拟了位错克服晶格Peierls应力与阻尼应力的滑移过程．模拟结果表明,位错克服Peierls应力的热激活效应随温度的升高而增大,随应变率的增高而减小．利用热激活本构模型描述了位错热激活滑移过程,拟合了Peierls应力的激活能,结果表明含温度的离散位错动力学模型能较正确地模拟位错的热激活滑移过程．但Peierls阻碍的非离散化处理使激活能与指前因子均随温度升高而增大,这表明离散位错动力学模型模拟Peierls阻碍存在不足之处,其本质原因是介观级的位错动力学模型目前还无法正确模拟微观级的位错芯性质．     

bcc-Fe刃型位错偶极子的动力学过程模拟

用分子动力学方法模拟了bcc单晶铁中滑移面为(011)晶面、柏氏矢量b-=±[100]的刃型位错偶极子吸引至湮灭的动力学过程.模拟结果显示:沿[100]晶向滑移的正刃型位错穿越Peierls势垒的方式为滑移面上方芯原子沿[111]晶向滑移,滑移面下方芯原子沿[111]晶向滑移;芯原子滑移方向分别偏转为[111]和[111]晶向,同时芯能量以格波形式释放.统计了位错运动速度和Peierls势垒随时间或两位错距离的变化.     

位错动力学方法在辐照损伤力学中的应用

核能是人类最理想的清洁能源之一，在世界能源结构中发挥着巨大作用。核裂变或核聚变导致的辐照环境会引起材料的辐照损伤，进而显著影响材料的力学性能，造成辐照硬化、脆化、蠕变、肿胀等现象。无论是预测辐照材料的服役寿命，还是设计新型的抗辐照材料，都迫切需要建立强辐照环境下的塑性力学和损伤力学理论。分子动力学方法为理解辐照材料中的原子级相互作用机理提供了诸多有价值的信息，然而受限于时空尺度难以直接用于力学理论模型的建立。晶体塑性有限元方法可用于预测辐照材料的力学响应，但是往往需要基于已知的物理模型，并且拟合实验数据。位错动力学方法是联系纳米力学与连续介质力学的桥梁，是揭示大量微结构的累积相互作用机理，建立基于物理机制的塑性力学和损伤力学理论的强有力手段。位错动力学方法起源于上个世纪八十年代，起初主要用于研究位错间的短程和长程相互作用、计算位错运动引起的塑性变形、硬化、软化、变形局部化等。本文将展示三种耦合位错动力学和辐照损伤场的方法，并系统地综述研究者近年来使用该方法在理解辐照硬化、塑性变形局部化、晶界效应、温度效应、和发展多尺度耦合方法等方面取得的进展。     

密排六方金属中的孪生及孪晶位错机制

密排六方晶体结构金属中可同时启动的滑移系少,孪生成为密排六方金属中重要的塑性变形形式．由于密排六方金属复杂的晶体结构,均匀切变不能保证所有晶格点都能与基体形成对称的晶体结构,因此密排六方金属的孪生通常为滑移和原子重组（shuffle）机制相结合．本文以密排六方金属中常见的{101 ̅2}、{101 ̅1}、{112 ̅2}及{102 ̅1}孪生为例,阐述不同类型孪生过程中的孪晶位错机制．分析表明,由于原子重组机制的参与,密排六方金属的孪生可以通过不同形式的孪晶位错实现．以上四种密排六方金属孪晶中,只有{112 ̅2}孪生中的一层孪晶位错是纯剪切机制,其余的孪生机制都需要原子重组的参与．孪生机制可以大致分为滑移主导、原子重组主导以及滑移-重组相结合的机制．当孪生类型确定时,即第一不畸变面（孪晶面）k_1（和孪晶剪切方向η_1）确定时,不同孪晶位错机制对应的孪晶剪切大小和方向均不同,第二不畸变面k_2和共轭剪切方向η_2也不相同,所导致孪晶的拉压性质也不同．不同剪切方向和大小的孪晶位错机制有可能在不同应力和温度条件下被激活,从而作为密排六方金属塑性的重要来源．     

基于晶体塑性理论研究铝材料高压高应变率下的强度特性

为了了解金属材料在极端加载下复杂动态响应过程中的多种机制和效应，重点针对Al材料在高压、高应变率加载下的塑性变形机制，在经典晶体塑性模型的基础上，对其中的非线性弹性、位错动力学和硬化形式进行改进，建立适用于高压、高应变率加载下的热弹-黏塑性晶体塑性模型。该模型可以较好地描述单晶铝和多晶铝材料屈服强度随压力的变化过程，相比宏观模型，用该模型还获得了多晶Al材料在冲击加载下的织构演化规律，揭示了织构择优取向行为和压力的关系。     

岩石节理动摩擦过程中的声发射和产热特性研究

节理岩体摩擦普遍存在于地震孕震、板块滑动等自然现象中。目前研究的重点主要集中于大位移下滑动摩擦特性的揭示,很鲜少有人对摩擦滑移初期阶段的相关特性进行研究。本文基于改进的分离式霍普金森压杆装置(SHPB)建立了多点声发射和红外测温等实验装置,研究了5种角度节理表面在摩擦滑动初期的声发射和产热特性。结果表明,与节理摩擦滑移相关的信息位于声发射信号的高频域中,对于所研究的花岗岩样品,其频率范围为78.1～312.5kHz,低于该频率范围的信号源于撞击界面的扰动;与节理摩擦滑移相关的产热信息位于红外测温信号的低频域中,5种节理面摩擦滑移产热对应的温升明显较低。为了揭示这些测量信号的内在规律,基于数值方法建立了合理的分析模型。计算结果表明,随着节理角度的增大,节理面越易滑移,节理表面温升幅值越大,但都低于0.1℃,与实验结果相一致。     

级联碰撞对层状珠光体力学行为的影响

铁素体合金钢是目前在核能工程界应用最为广泛的一种金属结构材料，以渗碳体和铁素体基体构成的层状珠光体是铁素体合金钢中常见的金相结构。深入理解辐照效应对层状珠光体力学性能的影响对高辐照条件下铁素体钢的材料设计与寿命评估有着重要的理论参考意义。基于以上考虑，本文采用分子动力学（MD）模拟，研究了连续低能铁原子级联碰撞对渗碳体/铁素体两相界面的破坏情况，探讨了经历不同程度级联碰撞的两相结构在单向拉伸以及压缩荷载下的初始屈服情况。通过对MD模拟结果的深入分析，得到了以下主要结论：a.辐照会破坏渗碳体/铁素体两相界面的失配位错结构，引起渗碳体的分解，并促进碳原子向铁素体的扩散；b.在单轴拉伸荷载作用下，级联碰撞会使初始屈服机制由{112}<111>位错滑移系的开动转变为间隙原子团簇附近位错环的形核与长大；c.在单轴压缩荷载作用下，级联碰撞会使初始塑性变形机制由{110}<111>滑移系的开动转变为{112}<111>滑移系的开动；d)无论在单轴拉伸还是压缩情况下，级联碰撞（及辐照效应）都会导致位错初始形核应力的提升。本文的研究结果为铁素体合金钢的辐照硬化和辐照脆化行为提供了新的微观解释，对于辐照条件下铁素体合金钢材料的优化设计有一定的参考意义。     

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.     

位错动力学方法在辐照损伤力学中的应用

核能是人类最理想的清洁能源之一,在世界能源结构中发挥着巨大作用。核裂变或核聚变导致的辐照环境会引起材料的辐照损伤,进而显著影响材料的力学性能,造成辐照硬化、脆化、蠕变、肿胀等现象。无论是预测辐照材料的服役寿命,还是设计新型的抗辐照材料,都迫切需要建立强辐照环境下的塑性力学和损伤力学理论。分子动力学方法为理解辐照材料中的原子级相互作用机理提供了诸多有价值的信息,然而受限于时空尺度难以直接用于力学理论模型的建立。晶体塑性有限元方法可用于预测辐照材料的力学响应,但是往往需要基于已知的物理模型,并且拟合实验数据。位错动力学方法是联系纳米力学与连续介质力学的桥梁,是揭示大量微结构的累积相互作用机理,建立基于物理机制的塑性力学和损伤力学理论的强有力手段。位错动力学方法起源于上个世纪八十年代,起初主要用于研究位错间的短程和长程相互作用、计算位错运动引起的塑性变形、硬化、软化、变形局部化等。本文将展示三种耦合位错动力学和辐照损伤场的方法,并系统地综述研究者近年来使用该方法在理解辐照硬化、塑性变形局部化、晶界效应、温度效应、和发展多尺度耦合方法等方面取得的进展。     

THERMODYNAMIC VARIATIONAL APPROACH FOR CLIMB OF AN EDGE DISLOCATION

A general thermodynamic variational approach is applied to study the force on an edge dislocation, which drives the dislocation to climb. Our attention is focused on the physical mechanism responsible for dislocation climb. A dislocation in a material element climbs as a result of vacancies diffusing into or out from the dislocation core, with the dislocation acting as a source or a sink for vacancy diffusion in the material element. The basic governing equations for dislocation climb and the climb forces on the dislocation are obtained naturally as a result of the present thermodynamic variational approach.     

磁流体流动控制中的磁场配置效率研究

采用数值模拟方法研究了不同磁场空间构型对弹道式再入飞行器基准外形表面热流分布的影响. 计算模型为低磁雷诺数近似下的磁流体力学模型. 数值模拟结果表明两个大小相同、方向不同的磁偶极子对表面热流密度分布的影响存在较大差异,由此指出热流控制应用中磁场配置的效率问题. 随后的磁场详细作用机理分析表明上述差异的原因在于不同空间磁场分布对流动能量转化机制的影响不同. 以此为基础给出了在流动的不同区域,磁场空间分布应遵循的一般性原则.      

纳米线涂层中失配位错偶极子分析

研究了纳米线环形晶体薄膜涂层中失配位错偶极子与纳米线的干涉效应,并考虑纳米尺度应力效应及纳米线晶格失配的影响。运用弹性复势方法,分别获得了涂层和纳米线区域复势函数的精确解析解。利用求得的应力场和Peach-Koehler公式,得到了作用在螺型位错偶极子上像力和失配应力的精确表达式。算例结果表明,涂层纳米线界面应力和失配应力对涂层中失配位错偶极子的作用影响很大,由于界面应力和失配应力的存在,可以改变涂层内位错偶极子与纳米线干涉的引斥规律。与宏观尺度下的线型材料相比,纳米线材料由于界面效应的影响,位错偶极子在涂层中平衡位置的数量增加,涂层中更容易产生失配位错偶极子。考虑纳米线晶格失配的影响后,位错偶极子在涂层中平衡位置的数量增加。由此可知,减小纳米线晶格失配的影响,可以控制失配位错偶极子的产生。     

THREE-DIMENSION INTERACTIONS OF CIRCULAR CRACK IN TRANSVERSELY ISOTROPIC PIEZOELECTRIC SPACE WITH RESULTANT SOURCES

Exact solutions in form of elementary functions were derived for the stress and electric displacement intensity factors of a circular crack in a transversely isotropic piezoelectric space interacting with various stress and charge sources: force dipoles, electric dipoles, moments, force dilatation and rotation. The circular crack includes penny-shaped crack and external circular crack and the locations and orientations of these resultant sources with respect to the crack are arbitrary. Such stress and charge sources may model defects like vacancies, foreign particles, and dislocations. Numerical results are presented at last.     

Investigations of pipe-diffusion-based dislocation climb by discrete dislocation dynamics

A new numerical dislocation climb model based on incorporating the pipe diffusion theory (PDT) of vacancies with 3D discrete dislocation dynamics (DDD) is developed. In this model we hold that the climb rate of dislocations is determined by the gradient of the vacancy concentration on the segment, but not by the mechanical climb force as traditionally believed. The nodal forces on discrete dislocation segments in DDD simulation are transferred to PDT to calculate the vacancy concentration gradient. This transfer establishes a bridge connecting the DDD and PDT. The model is highly efficient and accurate. As verifications, two typical climb-involved examples are predicted, e.g. the activation of a Bardeen-Herring source as well as the shrinkage and annihilation of prismatic loops. Finally, the model is applied to study the breakup process of an infinite edge dislocation dipole into prismatic loops. This coupling methodology provides us a useful tool to intensively study the evolution of dislocation microstructures at high temperatures.     

前交叉韧带损伤的继发性生物力学影响

前交叉韧带(anterior cruciate ligament, ACL)损伤往往会导致半月板及周边韧带的继发性损伤. 由于离体实验和临床研究的局限性,损伤的机理仍未得到清晰的认识. 基于核磁共振断层扫面图像重建了一个比较完整和精确的膝关节三维有限元模型. 采用文献报道的解剖测量数据对关节的解剖尺寸进行了检验,证明模型在几何上比较准确. 并且对文献报道的膝关节实验作了模拟,得出的计算结果与实验比较吻合,证明模型能够在一定程度上再现膝关节真实的运动情况. 然后利用该模型对ACL损伤前后的膝关节进行模拟,分别在屈膝0$^\circ$和30$^\circ$的姿态下对胫骨施加前后方向和竖直方向的载荷. 结果表明, ACL的损伤改变了关节组织上的应力分布:内侧半月板后段的应力显著增加;外侧半月板、后交叉韧带以及侧副韧带上的应力改变程度则取决于载荷的类型和屈膝的角度. 该研究有助于认识ACL损伤之后周边组织的继发性损伤现象,并对容易诱发损伤的高危动作进行分析和预防,对研究ACL的损伤和治疗具有重要的意义.      

DYNAMIC MODEL AND MECHANICAL ANALYSIS OF THE ROTATING ARM OF THE DEEP SEA MINING MECHANISM1)

深海采矿机构多关节转臂运动时受到海洋水动力作用,转臂驱动油缸力矩与变幅机构驱动力受到影响。分析了深海采矿机构转臂受水动力的影响,建立采矿转臂在调整采矿姿态时的动力学模型。基于采矿机构特定转臂尺寸实例,得出了关节驱动力矩与变幅机构油缸驱动力曲线,以及基于ADMAS模型关节驱动力矩曲线。通过对采矿转臂进行动力学数值求解与仿真分析,验证其动力学方程的正确性。     

井眼轨迹控制工具主轴载荷与造斜能力关系研究

井眼轨迹控制工具是随钻实时完成导向功能的一种导向式钻井工具.在复杂工况下,主轴承受钻压、扭矩和偏置机构作用力等,十分复杂.在课题组前期研究的基础上,对样机主轴的力学行为开展了进一步的研究,在建立主轴静力学模型的基础上,分析了工具外壳刚度、偏置机构安装位置等因素对主轴力学行为与造斜能力的影响规律.研究发现,主轴下端偏转角、偏心机构作用力和最大截面弯矩会随着偏心位移增加呈线性增加;随着外壳刚度的增加和偏置机构安装的位置与上支撑轴承之间距离的增加,工具造斜能力也会增强;通过分析偏置机构安装位置和外壳刚度对主轴力学行为的影响规律发现,随着外壳刚度的增大和偏置机构安装位置与上支撑轴承之间距离的增大,主轴最大截面弯矩也会增大.最后,给出了最佳的外壳刚度与偏置机构安装位置建议.     

Chemically and mechanically driven creep due to generation and annihilation of vacancies with non-ideal sources and sinks

The classical concept of Nabarro creep is extended for a general dislocation microstructure. The specific mechanism of the creep consists in generation and annihilation of vacancies at dislocation jogs acting as non-ideal sources and sinks for vacancies. This mechanism causes the climb of dislocations, allowing for local volume and shape change. The final kinetic equations, relating the dislocation microstructure and the local stress state to the creep rate, are derived by means of the thermodynamic extremal principle. Closed-form equations for the creep rate are derived for isotropic polycrystals. Based on the model the creep rate in the ferritic P-91 type steel at very low applied stress is evaluated and compared with experiment.     

官地水电站坝区岩体的浅表生结构

浅表生结构的研究 ,对认识河谷岩体的岩体结构特征、工程岩体结构建模及稳定性评价等具有重要意义。官地水电站坝区玄武岩体的浅表生结构极为发育 ,且其分布具有一定的规律性。本文通过对浅表生结构的发育分布及变形破裂形迹的调查分析 ,研究了浅表生结构的空间发育规律及其组合形式 ,结合地质地貌演化机制分析 ,探讨了浅表生结构的形成机制 ,建立了坝区浅表生结构的基本模式