准静态条件下金属材料的临界断裂准则研究

本文针对9种金属材料完成了具有不同约束程度的10类试样的延性断裂试验,获得了发生拉、压、扭和裂尖断裂等破坏形式构型试样的载荷-位移试验关系;基于圆棒漏斗试样拉伸试验所得直至破坏的载荷-位移曲线,采用有限元辅助试验(finite-element-analysis aided testing, FAT)方法得到了9种材料直至破坏的全程等效应力-应变曲线,以此作为材料本构关系通过有限元分析获得了各类试样直至临界破坏的载荷-位移关系模拟.载荷-位移关系模拟结果与试验结果有较好的一致性,表明用于解决试样颈缩问题的FAT方法所获得的全程材料本构关系针对各向同性材料具有真实性和普适性.对应9种材料、10类试样的36个载荷-位移临界断裂点,通过有限元分析获得了对应的材料临界断裂应力、应变与临界应力三轴度,研究表明,第一主应力在延性变形过程中为主控断裂的主导参量;通过研究光滑、缺口、裂纹等构型试样的断裂状态,提出了-1至3范围的应力三轴度下由第一主应力主控的统一塑性临界断裂准则.     

准静态条件下金属材料的临界断裂准则研究

本文针对9种金属材料完成了具有不同约束程度的10类试样的延性断裂试验, 获得了发生拉、压、扭和裂尖断裂等破坏形式构型试样的载荷-位移试验关系; 基于圆棒漏斗试样拉伸试验所得直至破坏的载荷-位移曲线, 采用有限元辅助试验(finite-element-analysis aided testing, FAT)方法得到了9种材料直至破坏的全程等效应力-应变曲线, 以此作为材料本构关系通过有限元分析获得了各类试样直至临界破坏的载荷-位移关系模拟. 载荷-位移关系模拟结果与试验结果有较好的一致性, 表明用于解决试样颈缩问题的FAT方法所获得的全程材料本构关系针对各向同性材料具有真实性和普适性. 对应9种材料、10类试样的36 个载荷-位移临界断裂点, 通过有限元分析获得了对应的材料临界断裂应力、应变与临界应力三轴度, 研究表明, 第一主应力在延性变形过程中为主控断裂的主导参量; 通过研究光滑、缺口、裂纹等构型试样的断裂状态, 提出了$-1$至3范围的应力三轴度下由第一主应力主控的统一塑性临界断裂准则.      

小冲杆试验的有限元模拟中GTN模型参数的确定

GTN模型参数的选择一直是小冲杆模拟中一个至关重要的环节,其正确与否直接影响着模拟得到的载荷-位移曲线的正确性。以16MnR材料作为研究对象,结合拉伸试验与小冲杆试验的实验结果,逐步确定出有限元模拟中的GTN模型参数。本文重点介绍了参数fN,fc,ff的确定方法。结果发现,拟合的载荷位移曲线不具有唯一性。为了验证所用方法的正确性,增加了试样断后减薄率作为另一评判标准。这一做法后来证明是可行的。这说明载荷位移曲线不能作为判断GTN参数正确的唯一准则,而增加的断后减薄率作为另一判断标准,对此方法有很好的辅助作用。上述结果可为小冲杆实验的有限元模拟夯实基础。     

基于BP神经网络与小冲杆试验确定在役管道钢弹塑性性能方法研究

为了能够在不停输油气工况下获得在役管道材料的弹塑性力学性能,提出了一种人工智能BP (backpropagation)神经网络、小冲杆试验与有限元模拟相结合,通过确定材料真应力-应变曲线从而获得材料弹塑性力学性能的方法.首先,通过系统改变Hollomon公式中的参数K, n值,获得457组具有不同弹塑性力学性能的假想材料本构关系,其次,将得到的本构关系代入经试验验证的含有Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)损伤参数的小冲杆试验二维轴对称有限元模型,通过有限元计算得到了与真应力-应变曲线一一对应的457条不同假想材料的载荷-位移曲线,最终将两组数据作为数据库输入BP神经网络进行训练,建立了同种材料小冲杆试验载荷-位移曲线与真应力-应变曲线之间的关联关系.通过此关联关系,可利用试验得到的小冲杆载荷-位移曲线获取在役管道钢的真应力-应变曲线,从而确定其弹塑性力学性能.通过对比BP神经网络得到的X80管道钢真应力-应变曲线与单轴拉伸试验的结果以及引用现有文献中不同材料的试验数据对此关系进行验证,证明了该方法的准确性与广泛适用性.     

基于BP神经网络与小冲杆试验确定在役管道钢弹塑性性能方法研究

为了能够在不停输油气工况下获得在役管道材料的弹塑性力学性能, 提出了一种人工智能BP (back-propagation)神经网络、小冲杆试验与有限元模拟相结合,通过确定材料真应力-应变曲线从而获得材料弹塑性力学性能的方法. 首先,通过系统改变Hollomon公式中的参数$K$, $n$值,获得457组具有不同弹塑性力学性能的假想材料本构关系, 其次,将得到的本构关系代入经试验验证的含有Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)损伤参数的小冲杆试验二维轴对称有限元模型,通过有限元计算得到了与真应力-应变曲线一一对应的457条不同假想材料的载荷-位移曲线,最终将两组数据作为数据库输入BP神经网络进行训练,建立了同种材料小冲杆试验载荷-位移曲线与真应力-应变曲线之间的关联关系.通过此关联关系,可利用试验得到的小冲杆载荷-位移曲线获取在役管道钢的真应力-应变曲线,从而确定其弹塑性力学性能.通过对比BP神经网络得到的X80管道钢真应力-应变曲线与单轴拉伸试验的结果以及引用现有文献中不同材料的试验数据对此关系进行验证,证明了该方法的准确性与广泛适用性.      

双相钢板料的单向拉伸断裂失效研究(Ⅱ)——弧长法非线性有限元分析

为了获得docol800DP双相钢板料的等效塑性应变和应力三轴度在单向拉伸断裂失效过程中的变化历程,对其拉伸过程进行了弧长法非线性有限元分析。根据试验得到的材料参数建立了双相钢单向拉伸试件的有限元模型,考虑大变形引起的几何非线性和塑性强化引起的材料非线性,模拟了试件拉伸变形的全过程。计算结果表明:弧长法可较好地模拟试件变形的全程,计算得到的典型变形阶段、集中性失稳带的分布及方向与试验结果吻合很好;发生失稳变形时的应变与理论分析结果一致。最后,给出了起裂点处失效参数的变化历程,为定量化研究双相钢材料的断裂失效模型提供准确的数据支持。     

金属材料三维断裂韧度厚度效应的有限元模拟

随着金属材料大壁厚结构件在工程中的广泛应用,对其断裂韧度的厚度效应研究具有重要的科学意义和工程价值。本研究基于有限元和实验相结合的方法,对金属材料断裂韧度的厚度效应进行预测。首先,通过一组薄壁厚金属材料标准三点弯曲试验得到试样失效时的临界载荷值,并利用内聚力模型与基于虚拟裂纹闭合技术的裂纹扩展模拟方法得到裂纹扩展时的单元临界能量释放率。随后,以此临界能量释放率作为裂纹扩展的启裂准则门槛值,通过有限元计算得到不同试样厚度下裂纹启裂时的裂尖断裂参数随着厚度的变化规律。最后,为了验证有限元模拟结果的准确性,本研究进行了另外两组不同厚度下三点弯曲试样的断裂韧度试验,并将试验结果与有限元结果进行了对比,验证了有限元所模拟的断裂韧度厚度效应的准确性。本研究旨在,通过薄壁厚三点弯曲试样的实验结果结合有限元模拟工作,即可实现金属材料断裂韧度的整个厚度效应曲线,为任意厚度下金属材料断裂韧度预测提供一种可靠的研究方法,有益于缩减试验成本,为大壁厚工程结构件的失效预测提供依据。     

基于厚度法确定小冲杆试验能量转变温度

以A106管材钢为研究对象,进行了小冲杆断裂试验,获得断后试样的最小厚度;在对试样断裂后的变形分析中,建立了试样厚度减薄率与温度的关系,规避了低温试验中载荷和位移测量不准确导致小冲杆能量转变温度不确定的问题。结果表明:基于厚度法可以准确确定小冲杆断裂试验的能量转变温度;小冲杆断裂试验后,试样最薄厚度的减小率与温度曲线关系呈现S型,有上平台、转变区、下平台三个典型区域;根据厚度减薄率与温度曲线关系可以得到小冲杆的能量转变温度。采用厚度法得到的小冲杆断裂试验的转变温度与能量法获得的结果基本一致。     

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。     

半结晶聚合物损伤演化的实验表征与数值模拟

损伤本构模型对研究材料的断裂失效行为有重要意义, 但聚合物材料损伤演化的定量表征实验研究相对匮乏. 通过4种高密度聚乙烯(high density polythylene, HDPE)缺口圆棒试样的单轴拉伸实验获得了各类试样的载荷-位移曲线和真应力-应变曲线, 采用实验和有限元模拟相结合的方法确定了HDPE材料不同应力状态下的本构关系, 并建立了缺口半径与应力三轴度之间的关系;采用两阶段实验法定量描述了4种HDPE试样单轴拉伸过程中的弹性模量变化, 并建立了基于弹性模量衰减的损伤演化方程, 结合中断实验和扫描电子显微镜分析了应力状态对HDPE材料微观结构演化的影响. 结果表明缺口半径越小, 应力三轴度越大, 损伤起始越早、演化越快; 微观表现为: 高应力三轴度促进孔洞的萌生和发展, 但抑制纤维状结构的产生;基于实验和有限元模拟获得的断裂应变、应力三轴度、损伤演化方程等信息提出了一种适用于聚合物的损伤模型参数确定方法, 最后将本文获得的本构关系和损伤模型用于HDPE平板的冲压成形模拟, 模拟结果与实验结果吻合良好.      

在役设备材料弹塑性力学参数测定方法综述--小冲杆实验力学研究进展之一

20多年以来,采用小型试件的小冲杆试验技术来测量在役设备材料的各种力学参数已经取得了很大进展,这个方法已经用来确定材料的弹性模量、屈服强度、塑性性能、抗拉强度、韧一脆转变温度、断裂韧度、蠕变性能和黏塑性性能等各种力学性能。由于从小冲杆试验的测量结果来确定材料的力学性能是一个反问题,因此,与此有关的反问题分析方法也得到了相应的发展。本文系统综述小冲杆试验的测量技术及从测量数据来确定材料弹塑性参数的各种经验方法和计算方法,例如有限元分析和参数法、反向有限元法、有限元和反方法、反向识别和人工神经网络、有限元优化和试验变形形状以及杂交反方法等。     

关联Drucker-Prager条件下等效塑性应变系数

针对岩石类材料,试图在关联Drucker-Prager条件下建立更一般化的等效塑性应变定义方法,并研究等效塑性应变系数在塑性变形过程中的变化。首先列举了国内外常用的等效塑性应变定义方法,并分析了它们的不合理性。然后从等效应力和等效塑性应变的定义出发,推导出关联Drucker-Prager条件下等效塑性应变系数。结合室内致密砂岩三轴压缩试验,以塑性体应变为内变量,研究了致密砂岩峰后内摩擦角和粘聚力随内变量的变化,进而研究了等效塑性应变系数随塑性变形的变化。研究发现:等效塑性应变系数依赖于屈服准则的选取,等效塑性应变系数为(2/3)~(1/2)是Mises屈服准则下的特例;关联Drucker-Prager条件下等效塑性应变系数C(2/3)~(1/2),并且随着塑性变形的发展而减小最终趋于稳定值;对于岩石类材料,很多有限元软件中不区分具体情况而直接选用C=(2/3)~(1/2)计算等效塑性应变存在较大的误差。     

基于应变能的复杂应力场低周疲劳分析

塑性应变能使材料微观组织结构发生不可逆变化,从而引起等效宏观应力,该应力随循环加载而增大．假定材料疲劳源处破坏是由最大拉应力引起的,最大等效宏观应力与外加应力叠加达到材料本征断裂应力时形成微裂纹．微裂纹引起上述两部分应力变化,继续加载直至宏观裂纹出现,从而得到材料的疲劳寿命．本文所建立的多轴疲劳寿命公式包含材料参数、拉应力以及塑性应变能等,以上数据可通过单轴疲劳数据和有限元方法获得．通过对SM45C材料的计算验证,表明该模型对多轴随机应变加载低周疲劳寿命,具有良好的预测结果．     

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。     

压力容器高应变区应变疲劳裂纹扩展试验研究

针对压力容器几何结构不连续高应变区断裂和疲劳破坏特点,本文通过对应变循环条件下疲劳裂纹扩展影响因素和控制参量的理论分析,提出将△J作为应变循环条件下疲劳裂纹扩展速率的控制参量,并在EPRI弹塑性断裂分析工程方法基础上,提出了△J的工程计算方法,并通过模拟应变疲劳裂纹扩展的SCT试样试验,验证了△J工程计算方法的可靠性,根据SCT试样应变疲劳裂纹扩展试验研究结果,在考虑了压力容器高应变区几何形状和材质变化对应变疲劳裂纹扩展参量影响后,提出了一种压力容器高应变区应变疲劳裂纹扩展速率工程估算方法。     

基于J-C模型的镁合金MB2动静态拉伸破坏行为

为了研究不同应力状态和应变率条件下镁合金MB2的拉伸破坏行为,利用材料试验机和分离式Hopkinson拉杆(SHTB),对镁合金MB2的光滑及缺口圆柱试件进行了动静态拉伸加载;拟合得到了镁合金MB2的动静态拉伸本构关系,建立了其修正的Johnson-Cook失效破坏准则,并对不同试件的拉伸破坏行为进行了数值模拟;利用SEM对宏观破坏模式对应的微观损伤机理进行了分析。结果表明,随着应力三轴度的增加,镁合金MB2的等效破坏应变先增大后减小,宏观破坏模式由剪切转为正拉断,微观损伤机制由混合断裂转变为韧窝断裂;而随着应变率的增加,等效破坏应变不断减小,破坏模式不发生改变。Johnson-Cook本构关系和修正后的Johnson-Cook失效破坏准则能较好地拟合动态静态拉伸实验结果并预测不同试件的杯锥形破坏特征。     

动态拉伸试验中试样应变测试的有效性分析

为了评估将试样通过胶粘连接到加载杆的Hopkinson杆装置所获得试样应变的有效性,对四种强度刚度差异较大的纤维增强复合材料进行了动态拉伸试验。试验时,试样通过环氧胶和杆夹层粘接,试样的应变分别按照Hopkinson杆一维应力波理论计算和试样上应变计直接准确测量得到。结果证明：对小变形碳纤维复合材料,按一维应力波理论计算的应变与试样上直接所测应变值偏差超过100%;对较大变形的GFRP和KFRP层合板,两者偏差小于40%。说明采用Hopkinson杆一维应力波理论计算的试样应变不准确。为修正不准确性,一是通过大量数据分析建立按一维应力波理论计算值与直接测量应变之间的关系式,用此式可使此试验装置获得有效的试样应变;二是借助ABAQUS有限元模拟分析得出粘胶层以及试样过渡弧段的变形,用一维应力波理论计算的应变减去此变形,也可获得有效的试样应变。     

在役设备材料断裂力学参数测定方法综述--小冲杆实验力学研究进展之二

20多年以来, 用小型试件的小冲杆实验技术来测量在役设备材料的各种力学参数已经取得了很大进展. 小冲杆实验的试样虽然还没有标准, 但一般均采用直径为3～10mm,厚度为0.1～0.5mm的圆片试样.这个方法已经用来确定材料的弹性模量、屈服强度、塑性性能、抗拉强度、断裂形态转变温度、断裂韧性、蠕变性能以及表示塑性硬化和韧性损伤的微观力学参数和黏塑性性能等各种力学性能.该方法兼具取样方便和几乎无损的优点,非常适用于那些无法取出传统试样或取样不经济的场合,因此引起科技界和工业界的关注.本文综述了小冲杆试验的测量技术及从测量数据来确定材料断裂形态转变温度、断裂韧性和主曲线的移动温度的各种计算方法研究进展.     

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。     

小冲杆试验确定材料拉伸断后伸长率的研究

小冲杆试验技术可以近似无损地测试材料的力学性能.本文对几十种材料进行了小冲杆试验研究,对小冲杆试样的抽向挠度δ与拉伸断后伸长率A进行了经验关联.研究表明,对于试验中涉及的几十种材料,二者之间没有统一的线性相关公式,但可以按材料的杭拉强度和屈强比将材料分类,然后分别对δ和A进行线性关联.对于抗拉强度小于600MPa的材料...