双相钢板料的单向拉伸断裂失效研究(Ⅰ)——数字图像相关技术试验

通过数字图像相关技术试验研究了双相钢平板单向拉伸试件的拉伸变形和断裂失效过程,与理论结果对比分析了集中性失稳带的分布和方向.试验研究结果表明,试件的变形过程包括均匀变形、分散性失稳、集中性失稳和拉断4个阶段;集中性失稳的区域呈"×"形分布,与加载方向约成57°;起裂点位于局部颈缩截面的中心点处;双相钢的延伸率为18%.     

考虑应力三轴度影响的30CrMnSiNi2A钢韧性断裂研究

30CrMnSiNi2A钢是一种在军工领域应用广泛的低合金高强度钢。针对结构完整性的评估问题,采用试验和数值计算结合的方法研究了30CrMnSiNi2A钢的韧性断裂特性。对光滑圆棒试件在不同温度下进行准静态和动态拉伸试验,并通过有限元迭代方法标定了材料的Johnson-Cook动态本构模型参数,分析了温度和应变率对30CrMnSiNi2A钢断裂行为的影响。开展了缺口圆棒拉伸、缺口平板剪切和圆柱压缩试验,计算了各试件对应的平均应力三轴度和断裂应变,给出了应力三轴度在?1/3～1.5区间内的断裂应变变化曲线,分别确定了Johnson-Cook和Bao-Wierzbicki失效模型参数。研究表明,30CrMnSiNi2A钢的断裂应变与应力状态密切相关,且在不同的应力三轴度区间内曲线单调性差异较大,Bao-Wierzbicki失效模型较好地描述了这种钢在不同应力状态下的断裂特性。     

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。     

不同本构模型对橡胶制品有限元法适应性研究

为确定不同本构模型对橡胶制品进行非线性有限元分析的适应性,采用HyperMesh 和ABAQUS软件建立了橡胶标准试件和防尘罩制品的非线性有限元模型. 根据标准试件单轴拉伸试验数据,利用ABAQUS软件拟合了Mooney--Rivlin, Ogden 及Yeoh 3 种本构模型的特征参数,并给出了试件和制品轴向拉伸和压缩工况有限元分析结果. 实测试验与有限元分析结果对比发现:在应变不大于100% 时,两参数的Mooney--Rivlin本构模型计算误差较小;在应变大于100% 时, 用Yeoh 和Ogden 本构模型计算误差较小. 该结论对大变形橡胶元件的非线性特性理论分析具有实际意义.     

基于夏比冲击试验的材料失效模型参数

结合夏比冲击试验和ABAQUS显式动力数值模拟,对Q370d钢进行了Johnson-Cook失效模型参数研究。首先,在不考虑材料失效的情况下,通过3种不同厚度的无缺口试件冲击实验对有限元模型参数设置和材料本构模型的准确性进行了验证,同时还讨论了试件断裂区网格的合适尺寸;在此基础上,基于正交设计,通过大量的有限元数值模拟得到失效模型参数样本,利用回归分析求得冲击功与失效模型参数的回归方程组;最后结合夏比V型缺口冲击试验,求解Q370d钢的失效模型参数,并对断裂截面的力学特性进行了分析,可为工程应用提供参考。     

高强钢及软钢断裂失效行为表征与仿真预测

针对汽车碰撞、结构强度等分析中无法准确模拟高强钢及软钢的断裂失效,研究了高强钢及软钢的断裂失效特性以及其仿真预测方法．以宝钢高强钢HC340/590DP及软钢DC05为研究对象,首先通过不同应变率的拉伸试验和不同应力状态的断裂失效试验,来表征两种钢材的弹塑性及断裂失效行为．并从试验数据中得到LS-DYNA中的Damage Initiation and Evolution Criteria (DIEC)失效模型所需参数,建立失效模型,通过子系统试验及仿真计算对DIEC失效模型进行验证．结果表明基于准确的材料试验数据,正向建立的DIEC失效模型可以准确预测HC340/590D及DC05的断裂失效行为．本研究方法可推广到其他高强钢和软钢的断裂失效仿真预测中．     

6061-T6铝合金动态拉伸本构关系及失效行为

采用HMH-206高速材料试验机开展了6061-T6铝合金在0.001～100 s?1应变率范围内的静、动态拉伸力学性能实验,分析了其应力-应变响应特征和应变率敏感性,讨论了应变率对6061-T6铝合金流动应力和应变率敏感性指数的影响,并基于实验结果对Johnson-Cook本构模型进行了修正。结合缺口试件的实验结果和模拟数据,得到了材料的Johnson-Cook失效模型参数,并对模型的准确性和适用性进行了验证。结果表明,在拉伸载荷作用下,6061-T6铝合金表现出明显的应变硬化特征和应变率敏感性,其流动应力随应变率的升高而提高,修正的Johnson-Cook本构模型可以描述材料的动态塑性流动行为,建立的Johnson-Cook失效模型能够表征材料的断裂失效行为。     

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.      

应变率对Gr/Al金属基复合材料力学性能的影响

利用自行研制的冲击拉伸实验装置对单向石墨纤维增强铝基复合材料实施了不同应变率下的拉伸实验。获得了材料在００００５～１３００ｓ－１应变率范围内完整的应力应变曲线。结果表明Ｇｒ／Ａｌ的应力应变曲线可分为两个部分:非线性弹脆性变形以及材料失稳后的残余变形。实验结果还表明Ｇｒ／Ａｌ是一种应变率敏感材料,随着应变率的提高,材料的拉伸强度、失稳应变以及剩余应力均相应提高。根据不同应变率下的实验结果,提出了计及应变率强化效应的复合丝束统计本构模型,模型拟合的结果与实验结果吻合得很好。拟合结果还表明,特征纤维统计分布的Ｗｅｉｂｕｌ参数（尺度参数与形状参数）均是与应变率无关的,复合材料的应变率效应主要是由基体的应变率强化效应引起的。     

ZL114A铝合金本构关系与失效准则参数的确定

针对航空发动机机匣材料ZL114A铝合金,构建描述该材料在较大温度范围下大变形及失效行为的材料模型。通过万能试验机及分离式霍普金森压杆试验装置测试ZL114A铝合金在常温准静态、高温和高应变率下的力学性能,分析温度和应变率对材料流动应力的影响。采用有限元程序和优化算法反求25～375℃内材料的硬化参数,结合高应变率(1 310～5 964 s^-1)下材料的动态行为关系,构建包含塑性应变、温度及应变率的经验型本构模型。开展缺口拉伸、缺口压缩等试验并建立相对应的有限元模型,获取材料在不同应力三轴度下的失效应变,标定分段形式的Johnson-Cook (J-C)失效准则参数。通过不同温度下的平板侵彻试验和数值模拟验证失效准则及其参数的有效性。结果表明,ZL114A铝合金具有明显的应变硬化、温度软化及高应变率强化特性;具有应力饱和特征的Hockett-Sherby (HS)硬化模型较为准确地描述材料大变形下的力学行为;构建的材料本构关系可以描述ZL114A铝合金在大应变、宽温度、高应变率下的力学行为;分段形式的失效准则具有预测不同温度下材料失效行为的能力。     

SiC/Al梯度功能材料紧凑拉伸试件裂纹扩展分析

SiC/Al梯度功能材料各梯度层由不同体积浓度的陶瓷和金属组成,由于材料组分梯度变化,克服了双材料界面的应力突变问题,获得了优异的使用性能.本文首先采用激光云纹干涉法,对具有四个梯度层的SiC/Al梯度功能材料紧凑拉伸试件在机械荷载作用下的拉伸实验位移场进行记录,进而获得紧凑拉伸试件裂纹口位移P-V曲线以及材料断裂韧度实验值;然后根据层合梯度功能材料理论分析模型,建立FGM紧凑拉伸试件的渐近分网有限元平面应变模型,采用通用有限元软件的单元删除模块对试件模型进行裂纹扩展单元的应变模拟分析,从计算所得的裂纹尖端应变图像分析得出梯度材料试件的裂纹扩展规律.     

对称拉压循环对HRB400E钢弹塑性行为影响的试验研究

对HRB400E钢在单向拉伸、拉压循环和循环后拉伸载荷作用下的力学行为进行了试验研究,采用0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%和1%八种对称应变幅对HRB400E薄壁圆管试件施加100周次拉压循环载荷,循环后施加单轴拉伸载荷直至试件断裂。试验数据分析表明,循环加载过程中HRB400E钢前10周应力应变曲线曲率明显变小,峰值应力明显下降,呈现循环软化特性,随着应变循环幅值的增大,循环滞回曲线稳定所需循环周次逐渐减小。HRB400E钢在不同应变幅循环后的拉伸弹性模量均出现下降,下降幅度约为3%～8%,屈服应力会随着预循环应变幅的增大而增大,随着预循环应变幅增大材料的硬化效应有所减弱。与单轴拉伸相比,循环后拉伸的强度极限和断裂应变无明显变化,塑性变形能力没有明显下降,破坏为典型的塑性剪切断裂模式,薄壁圆管试件断口中的断裂纤维区和剪切唇区位于接近管壁处,断面径向中部的断裂扩展区中,在大韧窝周围存在多个较小韧窝。     

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。     

镁合金MB2在高应力三轴度下的拉伸破坏行为研究

通过光滑试件及不同曲率半径缺口圆柱试件的拉伸试验,实现对镁合金MB2的单向及多向应力状态加载。结合数值模拟分析,研究了不同试件在拉伸加载过程中应力状态的变化。以应力三轴度为参数,给出了镁合金MB2等效破坏应变的变化规律,在应力三轴度-等效破坏应变空间建立了镁合金MB2的失效破坏准则。利用扫描电镜对试件断口形貌进行观察,分析了导致材料宏观延性变化的微观损伤机理,对不同应力状态下镁合金MB2的失效破坏行为做出了合理解释。     

超弹性形状记忆合金管单向拉伸试验的数值模拟

NiTi形状记忆合金具有很强的超弹性行为，这种超弹性行为是由于材料在应力作用下发生可逆的马氏体相变所引起。最近Sun和Lee^[4]在NiTi形状记忆合金管单向拉伸试验中观测到，应力诱导马氏体相变具有螺旋带状的形貌特征，本文对此作了数值模拟研究。采用包含应变软化效应的三线性本构关系，建立了NiTi形状记忆合金管的三维有限元模型。通过迭代计算，成功地再现了试验中所观察到的螺旋状相变带从形成到长大的全过程。数值计算结果表明，产生这一独特现象的力学机制，在于NiTi形状记忆合金管在拉伸状态下出现的局部变形失稳极其传播。     

金属试件变形断裂过程的计算模拟分析——组合功密度模型的应用

本文作者已建立了一个既适用于裂纹体亦适用于无裂纹体的统一损伤断裂模型——组合功密度模型。在本文中,作者应用该模型并结合大应变弹塑性有限元方法对40Cr制的圆棒光滑拉伸试件、圆棒切口拉伸试件和三点弯曲裂纹试件的变形和断裂过程进行了计算模拟。模拟结果很好地再现了两种圆棒拉伸试件的实验过程;而对于三点弯曲试件,模拟得到的载荷——加载位移关系曲线、裂纹扩展量——加载位移关系曲线、J_R阻力曲线和断裂韧性J_(IC)值等均与实测结果相当吻合。证实了该模型既能用于模拟预测无裂纹体中的裂纹萌生和扩展,也能模拟预测裂纹体中的裂纹起裂和稳定扩展过程。     

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．     

超高强度钢AF1410塑性流动特性及其本构关系

在本文中,为揭示超高强度钢AF1410的塑性流动性,并研究其塑性流动本构关系,利用CSS4410电子万能试验机和改进的Hopkinson拉压杆技术,对AF1410钢在温度从100K到600K,应变率从0.001/s到2000/s,塑性应变超过20%的塑性流动特性进行了试验研究。结果表明,拉伸加载下AF1410钢屈服强度低于压缩屈服强度,且随应变率增加,拉压屈服强度差值越来越大;该材料塑性流动应力对应变率敏感性低,而对温度较为敏感;随应变率的提高,该材料拉伸失效应变减小,但温度对失效应变无明显影响。最后基于位错的运动学关系,借助试验数据,获得了AF1410钢的塑性流动物理概念本构模型,并通过与经典J-C模型的结果对比对该物理概念本构模型进行了评估分析,表明该物理概念本构模型在较宽温度和应变率范围能较好的预测AF1410钢的塑性流动应力。     

基于ASME应变限制准则的小冲杆试验等效断裂应变

小冲杆试验(Small Punch Test,SPT)技术是一种新型微试样试验技术,通过极少量材料就能得到材料的许多力学性能。本文以压力容器常用钢材Q345R为研究对象,通过ABAQUS有限元软件模拟小冲杆试验过程,得到了小冲杆试样最先失效单元的应力三轴度;然后根据ASME防止局部失效的应变限制准则中求解多轴应变极限的方法,对小冲杆试验的等效断裂应变进行了研究。研究结果表明:基于ASME应变限制准则的等效断裂应变具有较大的保守性,作者所提出的修正应变限制准则参数的方法是可行的。此外,小冲杆试样的尺寸效应对等效断裂应变也有重要影响,使得计算的等效断裂应变比有限元模拟的应变值小。     

厚度与加载速率对铁素体钢断裂韧性影响的SP压杆法实验研究

采用SP压杆实验方法,在常温下研究小圆薄片断裂韧性的厚度效应及加载速率对断裂特性的影响.实验结果表明,随着厚度的增加,断裂变形能增加,断裂部分的外表面因双向应力状态表现出微突起,微突起四周存在微小裂纹;随着加载速度的增加,断裂变形能增加,剪切断裂表面表现出从密集韧窝到韧窝连接成片特征.考虑试件变形过程中不同部分的能量耗散,从SP试件的整体断裂变形能得到试件的断裂韧性的宏观表达,断裂韧性随着厚度的增加而增加,随着加载速度的增加而减少.采用临界塑性断裂应变作为裂纹起裂判据,单位面积的能量耗散率作为裂纹扩展和失效判据的断裂模型,用有限元方法对SP压杆实验进行模拟,得到与实验结果比较相符的模拟结果.