光滑圆柱拉伸试件的颈缩分析

对Gurson本构方程作了初步的研究，并对圆柱光滑拉伸试件在颈缩阶段用Gurson本构方程做了大应变弹塑性有限元分析。讨论了颈缩区空穴形核、扩张、静水应力以及材料软化的问题，初步揭示了空穴的演化过程和材料的破坏机理。有限元分析的结果表明，颈缩阶段空穴长大聚合机理非常显著，而形核作用相对较弱。     

基于图像分析的金属颈缩过程实验测量方法

提出了一种基于简易图像分析的试件颈缩测量的方法,可以方便有效地定位试件颈缩部位并测量其直径的变化,同时可以测量试件的轴向应变,进而得到试件的名义应力应变曲线及真应力应变曲线．本方法为普通实验室中试件颈缩的测量提供了方便而有效的实现手段,因而可以有效促进材料力学等课程的教学．     

图像相关法在高分子材料拉伸性能研究中的应用

本文对聚碳酸酯(PC)和丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)的合金(PC/ABS)高分子材料不同环境温度下的拉伸性能进行了试验研究。根据图像相关分析法编制了图像法位移测量分析软件,并对该分析软件的适用性进行了分析。系统研究了PC/ABS高分子材料拉伸试验时三个方向的位移场和应变场。根据测得的位移场研究了该高分子材料拉伸过程中应变和应变率的变化以及应力应变变化规律,并对试验结果进行了详细分析。结果表明,文中采用的图像法位移测量系统具有较高的测试精度;拉伸过程中,试件厚度方向的收缩变形大于宽度方向的收缩变形;颈缩过程区具有非常高的应变率,颈缩后的平直颈缩区的应变率快速下降到一个很低的应变率继续缓慢变形;尽管载荷位移曲线出现了较大的载荷下降现象,PC/ABS拉伸时的真应力应变曲线没有明显的应力下降现象出现,因此,载荷下降现象主要由颈缩时的截面减小引起;高分子材料PC/ABS的屈服应力随环境温度的升高而降低。     

基于Aramis系统的韧性材料颈缩段应变分析

为了研究韧性材料在颈缩状态下颈部的应力分布,本文首先从理论入手,对比了传统的颈缩半经验应力解——Bridgman解和陈篪解。详细讨论了两解的差异,指出陈篪解的精度高于Bridgman解。然后,在室温下对16组Q235和Q345钢材进行了单轴拉伸实验,并在此过程中利用Aramis系统同步进行跟踪测量,得到了材料在颈缩段最小截面上的半径和表面轴向应变。最后,利用这些实验数据对比讨论了两解的精度和造成误差的原因。结果表明:造成陈篪解误差的原因是在整个颈缩过程中,应变均布假定并不能得到很好的满足,且在整个颈缩过程中,颈部最小截面上的径向应变的值始终大于环向应变。本文研究得到的成果,能为今后研究者计算颈缩段应力分布提供依据,并为分析韧性断裂机理提供参考。     

Cr15Mn9Cu2Ni1N不锈钢的高温拉伸变形特性分析

利用热/力模拟试验机,对Cr15Mn9Cu2Ni1N不锈钢进行了950℃~1200℃高温范围内的拉伸试验;采用有限元方法对试样的均匀变形过程进行了分析。高温拉伸过程中,试样在达到最大应力后并不立即颈缩,而是还要经历一段宏观均匀变形后才颈缩。分析结果表明:最大应力之后,试样端部区域等效应力降低,横截面积收缩量减小,而中心区域横截面积收缩量增大,形成了潜在颈缩区;在应变速率敏感性的作用下,潜在颈缩区的变形抗力随应变速率的增大而增加,使变形不能在该区域集中,而转向其它位置,保持了试样的宏观均匀变形,且颈缩未在最大应力后立即发生;在高温拉伸条件下,材料应变速率敏感性的增大是颈缩延迟发生的主要原因,随着变形温度升高,应变速率敏感性增大,也使得试样颈缩前的均匀变形量增大。     

高导无氧铜杆高应变率拉伸下的颈缩与断裂

采用Hopkinson拉伸实验装置和一种高速拉伸断裂实验新装置,对高导无氧铜(OFHC)杆件进行了一系列高应变率拉伸断裂试验.实验结果表明,局部化的断裂应变随拉伸速度增大并不明显增大,其断裂位置有随机性.存在一种临界拉伸速度,当冲击拉伸速度大于此值时,断裂即发生在冲击拉伸端附近,杆的其它部分几乎无应变.采用典型的Johnson-Cook本构关系,使用LS-DYNA程序进行一系列数值模拟,提出颈缩处直径收缩率达极值的颈缩失效判据,由此计算所得的局部化颈缩应变及断裂位置与试验回收结果有一定差别.     

粘塑性损伤模型模拟准超塑性单轴拉伸行为

发展了Chaboche粘塑性本构模型的大变形隐式算法，用损伤(DM)和无损伤(NDM)模型模拟准超塑性单轴拉伸。发现变形过程可分为三个阶段：均匀变形、颈缩发展、断裂破坏阶段。DM可准确模拟前两个阶段变形，NDM只能较好地模拟均匀变形阶段，表明DM可以较精确地描述稳定发展的动态过程。由于有限元方法只能描述连续介质，因此对于断裂破坏阶段，NDM模拟载荷大于试验结果，DM的载荷小于试验结果，这是由高应变速率敏感性造成。DM能够描述试验中出现地多处颈缩现象，局部应变速率分布随时间演化反映了颈缩发展程度。严重颈缩部位的距离代表着超塑性变形能力，距离越大，抗颈缩能力越好。     

粗晶LY-12合金准超塑性单轴拉伸模拟

在试验的基础上，利用Chaboche本构模型对LY-12准超塑性单轴拉伸变形进行数值模拟，对其能够实现大延伸率的力学现象进行分析，由于材料具有高应变速率敏感指数，颈缩不发生在标距中间，而是有多处出现颈缩，不同颈缩相互的松弛作用对变形起重要作用，模拟和试验都表明，温度一定，不同应变速率下，颈缩发生的位置和颈缩程度不同，从而最大破坏延伸率也不同，利用该模型可以预测粗晶LY—12材料的超塑性变形能力和可能破坏的部位。     

延性金属膨胀环的运动及断裂的三维数值模拟

利用LS-DYNA三维动力有限元软件对延性金属环的膨胀运动与断裂进行数值模拟。在膨胀环圆周加入泊松随机分布断裂成核点,利用J-C本构模型,研究诸如颈缩形成时间、颈缩区与均匀变形区的温度、应力、应变的对比等颈缩形成机理,以及讨论了环圆周上断裂成核点的泊松随机分布碎裂特性的影响。数值计算结果与实验结果、理论分析结果吻合较好,表明施加泊松随机断裂成核点的数值模拟方法是合理的。     

低碳钢应变场与温度场的耦合试验分析

为研究应变场与温度场之间的耦合关系,对低碳钢平板试样开展静态拉伸试验。利用数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)方法与红外热成像(Infrared Thermography,IR)方法获得试样表面位移/应变场和温度场。试验结果表明:在弹性变形阶段,试样表面温度有小幅下降;在塑性变形阶段,应变越大,温度越高,应变场与温度场的变化都呈现相似的局部性;峰值后的颈缩阶段,颈缩部分的应变和温度都出现骤增现象。最大温升与最大应变呈非线性关系,其变化规律分为3个阶段:弹性变形阶段的微小降温、塑性变形阶段的急剧升温和颈缩阶段的平缓升温。     

韧性材料颈缩主应力面上应变分布假定的研究

为了深入研究韧性材料主应力面的应变分布情况，讨论Bridgman关于主应力面上应变均布假定的精度．本文首先结合断口学基本理论与在室温条件下拉伸断裂的Q235钢、40Cr钢和45#钢断口电子显微镜扫描结果，从微观角度分析其韧窝分布后发现应变均布假定存在一定的误差；然后基于体积守恒和Aramis三维应变观测系统测得的试验结果，将计算值和试验值进行对比分析发现，三种材料中除含碳量较高的45#钢外，应变均布假定并不适用于分析颈缩主应力面上应变分布．本文的研究成果可为进一步研究韧性材料颈缩大塑性阶段的应力、应变本构关系提供一定的参考．     

基于偏析线的圆棒颈缩分析

本文基于拉伸圆棒颈缩后纵剖面上形成的偏析线(腐蚀后可见)提出了建立颈部最小截面上的应变场的方法。利用试验得到的有关数据,并借助于塑性全量理论及逐步插值积分法得到颈缩后材料的及最小截面上的应力场。计算结果反映了宏观断裂过程中微观结构变化所导致的应变“软化”现象。电镜观察表明:曲线上的极值点所对应的颈缩状态正反映了微结构中的次级空洞大量形成的阶段,紧随而来的是宏观断裂的到来,因此是一个与材料临界断裂有着密切关系的一个量。     

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．     

金属成形过程中的塑性失稳

本文评述了金属成形过程中塑性失稳现象(剪切带、颈缩、皱曲)研究的最新进展和仍存在的问题,着重讨论了塑性失稳预报和本构关系选择的密切关系,指出了塑性失稳预报结果取决于所选择的本构关系。还讨论了材料各向异性、应变率敏感性、不均匀性及其幅度、惯性等因素对塑性失稳的影响。除此之外,对作为分析塑性失稳的基本理论工具——Hill分叉准则亦作了简要讨论。      

实心圆试件扭转试验确定大应变本构关系

提出并完成了通过实心圆轴扭转试验建立大应变本构关系的方法。它比单向拉伸试验所得到的本构关系更为精确。因拉伸实验变形较大时试件伸长和变细对测量结果有影响；尤其在“颈缩”后，很难对有关力学量作有效测量和分析。即扭转本构关系的描绘更为完整。以低碳钢为例，扭转本构关系所描述的有效区间比拉伸本构关系大十余倍。该方法将有利于探讨研究更大应变下的材料力学行为。     

基于试验与有限元耦合技术的延性材料全程单轴本构关系获取方法

摘 要: 材料拉伸直至断裂的全程单轴本构关系对材料大变形和断裂机理研究具有重要意义。传统拉伸试验获取的材料真应力-真应变曲线在试样颈缩后不可测。借助可以精确测量三维变形的DIC(Digital image correlate) 技术和有限元分析技术(Finite element analysis),本文提出了基于漏斗试样拉伸试验获取材料全程单轴本构关系的新方法,即TF(Test and FEA)方法。该方法将TF方法获取的材料全程单轴应力应变关系曲线作为有限元软件中的材料本构关系对漏斗试样拉伸变形过程进行模拟,其模拟载荷-位移曲线、漏斗根部直径-位移曲线和漏斗变形轮廓线等均与试验结果吻合良好,试样表面模拟应变也与DIC测试结果吻合, 根据不同半径漏斗试样模拟获得的全程真应力-真应变曲线保持良好一致性。最后,还对试样颈缩断面的力学行为进行了讨论,并给出了304不锈钢、汽轮机叶片材料2Cr12Ni4Mo3VNBN和 1Gr12Ni3Mo2VN、汽轮机转子材料30Cr2Ni4MoV的全程单轴本构关系模型参数、破断应力和破断应变。     

基于超高速相机的数字图像相关性全场应变分析在SHTB实验中的应用

基于超高速相机和数字图像相关性全场应变分析方法对传统的分离式Hopkinson拉杆(SHTB)实验系统进行改进,获得尼龙和铝合金材料的动态拉伸应力应变曲线,验证了数字图像相关性全场应变分析在SHTB实验中的有效性。实验结果显示:该方法测量的平均应变与应变片测量结果一致性很好, 而传统的SHTB实验原理计算的应变结果则明显偏大,需要对试件原始标距进行修正后才能获得有效的试件应变,并且在试件的材料和几何尺寸不变的条件下标距修正不依赖于应变率。基于数字图像相关性全场应变测量,讨论了应变均匀性问题:脆性的尼龙试件在标距范围内应变均匀性良好,而韧性的铝合金试件表现出比较严重的应变不均匀性,归因于颈缩变形的影响。     

实心圆轴扭转测定本构关系的概念和方法

本文提出了实心圆轴扭转试验建立有限应变本构关系(τ—γ曲线)的概念，并在文[1]工作的基础上完成了通过实心圆轴扭转试验建立文献[6]形式的有限应变本构关系的方法，它比单向拉伸试验所得到的本构关系更为精确，因拉伸实验变形较大时试件伸长和变细对测量结果有影响，尤其在“颈缩”后，很难对有关力学量作有效测量和分析，扭转本构关系的描绘也更为完整，以低碳钢为例，扭转本构关系所描述的有效范围比拉伸本构关系大十余倍，本文方法将有利于探讨研究更大应变下的材料力学行为。     

高分子材料平面应变拉伸变形局部化

将基于应变软化玻璃状高分子材料微观特征建立的ＢＰＡ８－链分子网络模型引入ＵｐｄａｔｉｎｇＬａｇｒａｎｇｅ有限元方法，建立了适于变形局部化分析的大变形弹塑性有限元驱动应力法．在此基础上，数值模拟了初始各向同性高分子材料平面应变拉伸变形局部化的传播过程．探讨了ＢＰＡ模型对具有加工硬化特性的结晶性高分子材料变形分析的适应性；分析了局部化传播过程中颈缩截面的非均匀应力三轴效应；最后，讨论了网格尺寸以及初始几何不均匀性对颈缩扩散以及应力三轴效应的影响     

低碳钢单轴拉伸实验颈缩段的应力分析

为了深入研究塑性材料在单轴拉伸过程中的颈缩应力分布,结合Aramis三维应变测量系统对Q235钢和Q345钢进行了单轴拉伸实验。基于已有文献的颈缩外形理论,结合实验数据提出了颈缩阶段几何尺寸的变化规律公式,并与传统经验公式进行了对比。采用本文给出的颈缩阶段几何尺寸的变化规律公式计算,Q235钢误差率为27.73%,Q345钢误差率为20.49%;采用传统经验公式计算,Q235钢误差率为64.33%,Q345钢误差率为70.78%。结果表明,本文提出的变化规律公式精确度远高于传统公式精确度。基于此,在考虑材料系数的基础上推导出了包含材料系数的半解析半经验应力分布方程。