预延伸非晶聚合物材料各向异性变形局部化

给出一种可描述预延伸各向异性特性的背应力张量三维表达式，引入大变形弹塑性有限元驱动应力法，结合ＢＰＡ８ 链细观分子网络模型，模拟了预延伸各向异性非晶聚合物材料平面应变拉伸变形局部化力学行为．详细讨论了预延伸比（ＩｎｉｔｉａｌＤｒａｗｉｎｇＲａｔｉｏ；ＩＤＲ）和预延伸方向（ＩｎｉｔｉａｌＤｒａｗｉｎｇＤｉｒｅｃｔｉｏｎ；ＩＤＤ）对变形抗力、颈缩规律、剪切带方向以及试件中心部位链延伸比的影响．     

表面粗糙度对TC4钛合金柱壳剪切带形成的影响

剪切带是材料在高应变率加载条件下特有的变形和损伤形式之一,关于影响金属材料中剪切带形成的敏感性因素及其机理的研究,一直是科学研究和工程设计中关注的重点问题. 在柱壳高速坍塌过程中,剪切带优先在内表面形核, 其形核及扩展行为受内表面介观状态的影响显著.本文采用爆轰加载厚壁圆筒坍塌实验技术,结合材料表面处理技术、微结构表征技术和剪切带理论模型分析,研究了内表面粗糙度变化对TC4钛合金柱壳剪切带形成影响的细观动力学规律.结果表明, 在爆炸加载形成的高应变率条件下,表面粗糙度对TC4钛合金柱壳中剪切带形成具有明显影响. 在相同的变形条件下,随着试样内表面粗糙度的增大, 剪切带数量、长度和形核速率均增大;表面粗糙度越大, 部分剪切带扩展速率越快, 剪切带长度差异越大,剪切带的屏蔽效应增强. 分析表明,实验获得的剪切带间距与W-O模型和M模型预测结果基本吻合,具体数值受试样内表面粗糙度影响, 随着表面粗糙度的增大,实验结果逐渐小于预测数值.      

具确定弱区域正交各向异性薄板的弹塑性屈曲分析

基于弹塑性力学和损伤理论,建立了一个与应力球张量有关的具损伤正交各向异性材料的混合硬化屈服准则,该准则无量纲化后与各向同性材料的Mises准则同构,在此基础上,建立了正交各向异性材料的增量型和全量型弹塑性损伤本构方程,并以具确定弱区域正交各向异性矩形薄板为例,根据屈曲时的能量准则和全量理论,以等效塑性应变为内变量,对其弹塑性屈曲问题进行了分析,讨论了几何参数和弱区域对正交各向异性薄板弹塑性屈曲临界应力的影响.     

理想正交各向异性弹塑性材料平面应变条件下静止裂纹尖端场

以Hill唯象理论为基础,建立正交各向异性弹塑性材料的本构关系,给出理想正交各向异性弹塑性材料在平面应变条件下混合型静止裂纹尖端的弹塑性场.与J.Pan的解不同,采用自相似假定,可以用解析方法求得不存在应力间断的应力场.对满塑性区条件和应变的奇异性加以讨论,这些为建立断裂准则提供了理论的依据.     

复杂加载下混凝土的弹塑性本构模型

混凝土材料在不同应力路径下或复杂加载条件下会表现出差异性显著的应力应变关系,在小幅循环加载条件下,其应力应变关系会表现出类似于弹性变形的滞回曲线.在不同应力水平下,混凝土的应力应变关系以及破坏特性都具有静水压力相关特点,即随着静水压力增大,各向异性强度特性弱化.此外,混凝土受压及受拉破坏机理不同,因而对应于混凝土硬化损伤亦有不同,即可分为受压硬化损伤,受拉硬化损伤及两者的混合硬化损伤类型.基于Hsieh模型,对该模型进行了三点改进.(1)针对小幅循环加载下混凝土无塑性变形的试验规律,而模型中在应力水平较低的循环加载条件下始终存在塑性变形的预测问题,采用在边界面模型框架下,设置了应力空间的弹性域,初始屈服面与后续临界状态屈服面几何相似的假定.(2)基于广义非线性强度准则将原模型采用变换应力方法将其推广为三维弹塑性本构模型,采用变换后模型可合理的考虑不同应力路径对于子午面以及偏平面上静水压力效应形成的影响,并避免了边界面应力点奇异问题.(3)分别对拉压两种加载损伤模式建议了相应的硬化参数表达式,可分别用于描述上述加载中产生的应变软化及强度退化行为.基于多种加载路径模拟表明:所建立的三维弹塑性本构模型可合理地用于描述混凝土的一般应力应变关系特性.     

冲击载荷下钨合金圆台试件绝热剪切变形局部化的数值模拟

采用有限元计算编码ABAQUS模拟了钨合金圆台试件在冲击载荷下的变形和剪切局部化行为.计算采用二维轴对称应变条件下的绝热模型.钨合金的本构方程采用热粘塑性形式的Johnson-Cook模型.为了得到不同尺度的变形信息,计算中用了两种网格;先用粗糙网格分析试件变形局部化的概貌;接着,用细密网格(在变形局部化区域,网格尺寸达到10μm)分析绝热剪切带的形成和发展.有限元模拟得到的绝热剪切带位置和方向与实验一致.计算结果表明,绝热剪切带的形成和发展与试件的应力状态密切相关.     

弹塑性介质中空洞的长大与剪切分叉

本文利用Eulerian坐标系下弹塑性大变形基本公式及分叉屈曲的理论,采用有限元数值法,探索平面应变条件下具有幂硬化弹塑性材料,在不同位移加载参数及不同原始孔洞体积百分数下,材料内部空洞的长大、剪切分叉以及材料宏观力学行为.计算结果表明,宏观材料的软化、塑性可膨胀性、内部损伤的发展以及剪切分叉的临界应变值等,都与加载参数α、原始空洞尺度有着密切的关系.     

分子动力学模拟金属玻璃板拉伸时剪切带的形成和演化过程

金属玻璃在低温高应力条件下容易生成剪切带而导致结构的破坏，大大限制了它的推广应用。本文采用分子动力学模拟研究了三种Cu64Zr36（不带缺口、一侧带缺口、两侧带缺口）金属玻璃板试样在拉伸过程中剪切带的形成和演化过程及其力学性能。结果表明：不带缺口金属玻璃板试样在低温高应力的拉伸过程中会自发出现局部剪切转变区，发生剪切局部化，继续拉伸会在与加载轴大约成45°方向上形成剪切带。剪切带的形成与剪切转变区的分布和局部化有关，带缺口比不带缺口的试样会更早出现应变局部化，即在较低的拉伸应变下便形成剪切带，其拉伸强度也相应较低。相同条件下，一侧带缺口与两侧带缺口的试样在拉伸强度上几乎相同，但两侧带缺口试样的应变局部化程度稍低，主要是两侧缺口处均出现了剪切转变区，导致其分布和局部化不够集中，这也是形成主剪切带和次剪切带的主要原因。以上结果为进一步从原子尺度理解金属玻璃剪切带的形成和演化特征提供了重要的信息。     

分子动力学模拟金属玻璃板拉伸时剪切带的形成和演化过程

金属玻璃在低温高应力条件下容易生成剪切带而导致结构的破坏，大大限制了它的推广应用。本文采用分子动力学模拟研究了三种Cu64Zr36（不带缺口、一侧带缺口、两侧带缺口）金属玻璃板试样在拉伸过程中剪切带的形成和演化过程及其力学性能。结果表明：不带缺口金属玻璃板试样在低温高应力的拉伸过程中会自发出现局部剪切转变区，发生剪切局部化，继续拉伸会在与加载轴大约成45°方向上形成剪切带。剪切带的形成与剪切转变区的分布和局部化有关，带缺口比不带缺口的试样会更早出现应变局部化，即在较低的拉伸应变下便形成剪切带，其拉伸强度也相应较低。相同条件下，一侧带缺口与两侧带缺口的试样在拉伸强度上几乎相同，但两侧带缺口试样的应变局部化程度稍低，主要是两侧缺口处均出现了剪切转变区，导致其分布和局部化不够集中，这也是形成主剪切带和次剪切带的主要原因。以上结果为进一步从原子尺度理解金属玻璃剪切带的形成和演化特征提供了重要的信息。     

隧道围岩强度不均地段塌方成因及其处理方法

采用微面模型理论和损伤力学方法，建立了节理岩体的弹塑性损伤耦合微面模型. 在节理岩体的微 面上，将岩体视为由节理面与岩石组成的二元介质，以节理连通率作为岩体沿该方向的面积 损伤变量，考虑微面法向拉应力和压应力下的不同塑性变形和损伤耦合作用机制，基于塑性 理论建立了节理岩体的微面塑性损伤增量本构关系. 采用微面物理量与宏观物理量的几何约 束模型，根据微面方向积分导出了节理岩体的宏观弹塑性增量本构关系. 编制了节理岩体微 面模型的MARC有限元子程序，对节理岩体的单轴拉伸、压缩试验和泥浆压力作用下的井壁稳 定问题进行了数值模拟研究. 数值计算结果表明，该模型能很好地揭示载荷作用下节理岩体 的各向异性非弹性变形和次生节理演化过程.     

On strain and damage interactions during tearing: 3D in situ measurements and simulations for a ductile alloy (AA2139-T3)

Strain and damage interactions during tearing of a ductile Al-alloy with high work hardening are assessed in situ and in 3D combining two recently developed experimental techniques, namely, synchrotron laminography and digital volume correlation. Digital volume correlation consists of registering 3D laminography images. Via simultaneous assessments of 3D strain and damage at a distance of 1-mm ahead of a notch root of a thin Compact Tension-like specimen, it is found that parallel crossing slant strained bands are active from the beginning of loading in a region where the crack will be slanted. These bands have an intermittent activity but are stable in space. Even at late stages of deformation strained bands can stop their activity highlighting the importance of plasticity on the failure process rather than damage softening. One void is followed over the loading history and seen to grow and orient along the slant strained band at very late stages of deformation. Void growth and strain are quantified. Gurson–Tvergaard–Needleman-type simulations using damage nucleation for shear, which is based on the Lode parameter, are performed and capture slant fracture but not the initial strain fields and in particular the experimentally found slant bands. The band formation and strain distribution inside and outside the bands are discussed further using plane strain simulations accounting for plastic material heterogeneity in soft zones.     

Deformation and failure mechanism in AISI 4340 steel under ballistic impact

Deformation and failure mechanism in quench-hardened AISI 4340 steel under ballistic impact is investigated. The influence of microstructure on damage evolution is also evaluated. Strain localization and shear failure along adiabatic shear bands are the dominant deformation and failure mechanisms. The time and critical strain for the commencement of strain localization is influenced by strain rate and microstructure. The microstructure of the steel sample also influenced the type of adiabatic shear bands formed during impact. Failure mechanism involves nucleation of micro-voids, which clusters to form bigger pores. Extremely fine micro-cracks are initiated adjacent to the pores and in shear flow direction along the shear bands. These micro-cracks become interconnected and grow to macro-cracks, which cause fracture of some of the investigated cylindrical steel samples under impact. The susceptibility of the adiabatic shear bands to cracking increases with decreasing tempering temperature of the steel.     

Analysis of Damage and Failure in Anisotropic Ductile Metals Based on Biaxial Experiments with the H-Specimen

Background

Dependence of strength and failure behavior of anisotropic ductile metals on loading direction and on stress state has been indicated by many experiments. To realistically predict safety and lifetime of structures these effects must be taken into account in material models and numerical analysis.

Objective

The influence of stress state and loading direction on damage and failure behavior of the anisotropic aluminum alloy EN AW-2017A is investigated.

Methods

New biaxial experiments and numerical simulations have been performed with the H-specimen under different load ratios. Digital image correlation shows evolution of strain fields and scanning electron microscopy is used to visualize failure modes on fracture surfaces. Corresponding numerical studies predict stress states to explain damage and fracture processes on the micro-scale.

Results

The stress state, the load ratio and the loading direction with respect to the principal axes of anisotropy affect the width and orientation of localized strain fields and the formation of damage mechanisms and fracture modes at the micro-level.

Conclusions

The enhanced experimental program with biaxial tests considering different loading directions and load ratios is suggested for characterization of anisotropic metals.

     

土的工程力学性质的颗粒流模拟

基于颗粒流理论,引入不同的颗粒接触连接本构模型,分别建立了砂土和粘性土的颗粒流模型．通过颗粒流数值模型试验,对砂土和粘性土的室内平面应变试验及其剪切带形成和发展进行了数值模拟,分别对比了不同围压下颗粒流试样与室内试验的应力应变关系曲线,基本再现了砂土和粘性土试样应力．应变关系．通过砂土和粘性土PFC试样剪切带模拟表明,当围压较小时试样内部颗粒位移量小而且分布范围较广,当围压增大时,试样内部颗粒位移量也增大,而且发生较大位移颗粒的分布范围趋于集中,同时随着围压的增大试样内部形成明显的剪切带．无论砂土还是粘性土的PFC试样,随着围压的增加剪切带的形状趋于集中,而且剪切带宽度在减小．在围压很小时,试样内形成大的破坏区域,在围压较大时出现明显的线破坏区．这些规律基本与室内试验结果相似。     

动力应变局部化传播及尺寸效应数值模拟

采用 FLAC-3 D模拟了应变软化岩土材料局部化剪切带的发展、扩容对剪切带倾角的影响及试件的宽度效应。随着加载时步的增加 ,彼此孤立的两个应变场逐渐靠近、叠加 ,最终形成了剪切带网络。无论端面约束强或弱 ,剪切带的倾角的数值模拟结果都与罗斯科倾角比较接近。增加试样宽度 ,剪切带的宽度增加 ,剪切带变得不平直 ;宽度越大 ,岩样上端面中点的压应力 -加载时步曲线的峰值强度越大 ,宽度对弹性阶段没有大的影响     

平板内后分叉的局部化带

已知剪切带状分叉将引发裂隙．为模拟其后继效应，本文利用大应变有限元的空单元技术设计了自动释放损伤单元内残余应力的方法．这种损伤松弛可以具有各向同性或各向异性的性质．结果显示，受单向拉伸平板中心的水平裂隙会向斜角方向辐射局部化带，带内有明显厚度颈缩及平面错动．由此说明实验所观察到的这类局限于带内的变形应属于后分叉的效应     

表面加工塑性层对金属柱壳剪切带自组织单旋起始的影响

在外爆加载金属柱壳高速坍塌过程中, 发生塑性变形失稳形成的剪切带具有高度的自组织特征, 甚至出现剪切带排列的单旋现象—剪切带在顺时针和逆时针两个方向呈现一个方向占优的现象. 柱壳在坍塌时, 最大剪切应力位于柱壳内表面, 剪切带的形核及扩展行为受内表面材料介观状态的影响显著. 本文通过选材和控制柱壳加工工艺, 获得了内表面具有不同厚度塑性层的20钢柱壳, 采用厚壁圆筒实验技术, 研究了表面加工塑性层对金属柱壳绝热剪切带自组织单旋现象起始的影响规律及其物理机制. 研究结果表明, 金属柱壳内表面加工塑性层显著改变了试样剪切带的起始条件, 沿顺时针或逆时针方向排列的剪切带形核数量在总剪切带数量中所占比例取决于表面加工塑性层的厚度和晶粒取向, 具有单一晶粒拉伸方向的较厚塑性层样品更容易形成单向螺旋剪切带结构. 在相同变形条件下, 随着塑性层厚度增加, 剪切带平均形核速率和扩展速率增大, 剪切带平均间距减小. 结果可为理解金属柱壳在高速塌陷过程中绝热剪切带占优取向现象提供有价值的参考.