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.      

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。     

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.      

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.      

求解Ⅰ型裂纹构元J积分的半解析方法

表征裂纹尖端应力应变场程度的J积分是一个定义明确、理论严密的弹塑性断裂力学基础参量.目前J积分的计算主要是依靠塑性因子法和有限元法,但对各类裂纹构元获得J积分以及载荷-位移关系的解析公式以实现材料断裂韧性理论预测和材料测试是断裂力学的重要和困难的任务.以J积分为参量的材料断裂测试中应用最广的是Ⅰ型裂纹试样的断裂韧性测试.本文在平面应变条件下,针对断裂韧性测试中使用的6种Ⅰ型裂纹构元,基于能量等效假设,提出了J积分-载荷和载荷-位移的工程半解析统一表征方法,进而结合有限元分析的少量计算获得J积分-载荷和载荷-位移关系的半解析公式待定参数.分析表明,6种Ⅰ型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移统一公式的预测结果与有限元结果吻合良好.新提出的J积分-载荷工程半解析公式包含了材料的弹性模量、应力强度系数和应变硬化指数,能够广泛适应不同的材料,且运用该公式能够方便获取任意载荷点对应的J积分值.应用新方法可便于获得各类Ⅰ型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移工程半解析公式.     

求解I型裂纹构元J积分的半解析方法

表征裂纹尖端应力应变场程度的J积分是一个定义明确、理论严密的弹塑性断裂力学基础参量. 目前J积分的计算主要是依靠塑性因子法和有限元法,但对各类裂纹构元获得J积分以及载荷-位移关系的解析公式以实现材料断裂韧性理论预测和材料测试是断裂力学的重要和困难的任务. 以J积分为参量的材料断裂测试中应用最广的是I型裂纹试样的断裂韧性测试. 本文在平面应变条件下,针对断裂韧性测试中使用的6种I型裂纹构元,基于能量等效假设,提出了J积分-载荷和载荷-位移的工程半解析统一表征方法,进而结合有限元分析的少量计算获得J积分-载荷和载荷-位移关系的半解析公式待定参数. 分析表明,6种I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移统一公式的预测结果与有限元结果吻合良好. 新提出的J积分-载荷工程半解析公式包含了材料的弹性模量、应力强度系数和应变硬化指数,能够广泛适应不同的材料,且运用该公式能够方便获取任意载荷点对应的J积分值. 应用新方法可便于获得各类I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移工程半解析公式.      

混凝土单轴受拉的非局部本构模型

混凝土受拉本构行为存在很强的局部软化现象,使得单轴受拉试验无法给出应力-应变关系,而只能给出应力-位移关系。本文根据内变量理论和等效应变假设建立了基于真实应变的混凝土单轴受力本构方程,并根据Weibull分布可以描述混凝土等脆性材料断裂过程的试验现象,建立了关于弹性应变的损伤演化规律。然后,通过假设平均应变与真实弹性应变的函数关系,在应力-平均应变的本构关系中采用平均弹性应变以描述其非局部行为,而在材料的损伤演化规律中采用真实弹性应变以描述其局部行为,由此建立了单轴受拉荷载条件下的非局部本构模型。最后,对一个单调受拉试验和一个反复受拉试验的仿真结果表明所提出的非局部本构模型可以准确地模拟试验结果。     

0Cr18Ni9不锈钢材料断裂韧度的实验研究和数值分析

从实验研究和数值分析两方面研究了0Cr18Ni9不锈钢材料的断裂韧度。首先,通过单轴拉伸测试得到0Cr18Ni9不锈钢材料的应力-应变曲线,并验证了该应力-应变曲线符合Ramberg-Osgood弹塑性本构模型,利用全局优化算法反演得到其弹塑性本构参数。然后,结合声发射技术和扫描电镜断口观察,确定了0Cr18Ni9不锈钢紧凑拉伸试样的起裂载荷和I型裂纹实际的起裂断裂韧度。进一步,根据数字图像相关方法得到的全场变形计算了J积分,J积分随时间逐渐增大;最后,采用有限元法计算了起裂时沿裂纹前缘各处的J积分分布,发现J积分呈现中间较大、表面较小的分布特征,而且有限元计算的J积分平均值与从光学位移场数据计算的J积分接近。     

冲击载荷下镁铝合金裂纹动态扩展过程的数值模拟

采用基于黏聚裂纹模型的扩展有限元方法,开展了镁铝合金结构冲击破坏过程的数值模拟研究。通过镁铝合金三点弯曲试样冲击实验,获得了不同子弹撞击速度下试样的冲击破坏模式。在此基础上,建立了实验结构的扩展有限元模型,并采用最大主应力准则,以及含损伤型的本构关系模拟材料的冲击断裂行为。对于裂纹尖端附近区域,采用黏聚裂纹模型模拟裂纹的断裂过程。对子弹速度分别为12.2、15.1、26.3 m/s的3种工况下镁铝合金试样的动态破坏过程进行了数值模拟研究,获得了与实验相一致的断裂模式。计算结果表明,试样以Ⅰ型断裂模式为主,裂纹沿初始预制裂纹方向扩展。当裂纹扩展到一定程度后,在试样韧带区域被撞击端附近,由于应力波及边界效应导致该区域处于复杂应力状态,试样出现复合型断裂模式,裂纹偏离原扩展路径,与本文实验结果相吻合。     

基于深度学习和细观力学的颗粒材料本构关系研究

颗粒材料的本构关系对岩土工程等众多领域至关重要. 不同于传统的唯象本构理论, 本文基于机器学习模型探索了一种细观力学理论指导下的数据驱动型颗粒材料本构关系预测方法. 根据Vogit均质化假设, 建立了小应变条件下颗粒材料应力?应变解析关系, 此关系唯一地确定了一组与颗粒材料本构行为相关的细观组构变量. 这些变量与反应颗粒材料宏观性质的主应力和主应变信息通过一系列离散元三轴压缩数值试验获得. 考虑到细观组构变量为内变量, 不能直接作为本构模型的输入. 本文基于有向图方法将颗粒材料微观结构信息隐式地包含在应力?应变的预测当中, 并采用门控循环单元(GRU)循环神经网络作为基础深度学习模型描述有向图中结点之间的映射关系. 通过将有向图从目标节点沿源节点展开, 整个应力?应变预测模型可由两个神经网络分别训练并组装而成. 将训练后的深度学习模型在全新的数据集上进行测试, 结果表明该训练策略能有效捕捉到颗粒材料在常规三轴任意加卸载, 等中主应力系数b的真三轴加载, 和等平均有效应力p的真三轴加卸载等复杂多轴加载工况下的应力?应变响应关系, 模型具有良好的内插和外推预测能力. 考虑到深度学习模型捕捉颗粒材料力学响应的能力及其开放式学习的特点, 充分结合数据驱动方法和理论本构模型可能是颗粒材料本构研究的一个重要方向.      

基于数字散斑相关实验测量的材料构型力的计算方法

材料构型力学主要研究材料中的缺陷(夹杂、空穴、位错、裂纹、塑性区等)的构型(形状、尺寸和位置)改变时,所引起的系统自由能的变化。本研究将基于数字散斑相关技术,实验测量材料试件的位移场分布,随后通过材料构型力的定义式,计算求得弹塑性材料中缺陷构型力的分布。其方法概括如下:位移场通过数字图像相关技术测得;应变及位移梯度场利用三次样条拟合获得;线弹性材料应力通过简单线弹性本构方程获取,而塑性材料的表面应力场通过Ramberg-Osgood本构方程计算求得;弹塑性应变能密度分布则由应力-应变曲线数值积分获得。该方法对普通弹性材料或者弹塑性材料均适用,可以用于各种不同的缺陷及缺陷群的材料构型力测量。     

复杂应力状态下GCr15轴承钢的动态剪切及熔融特性研究

本文探究了GCr15轴承钢压剪试样在冲击载荷下的绝热剪切和熔融破坏特性．首先,实验研究发现GCr15轴承钢的力学性能具有拉-压不对称性、应力状态及应变率敏感性．因此,通过引入应力三轴度、洛德角、应变率和绝热剪切温升机制扩展了经典J-C本构模型,并对GCr15轴承钢的动态单轴压缩和压剪试验结果进行了数值实现．研究结果表明,应力三轴度和洛德角是影响动态冲击下压剪试样的绝热剪切产生和熔融特性的重要因素．     

一个综合模糊裂纹和损伤的混凝土应变软化本构模型

本文研究就变软化材料的本构关系，提出了一个考虑损伤的粘塑性模型，损伤不仅影响材料的临界应力，而且影响材料的粘塑性，为模拟材料的应变软化行为，假设受损混凝土的破坏局部区域由模糊裂纹和损伤所统治，软化模量和局部区域尺度参量依赖于模糊裂纹扩展时释放的断裂能的参变量，用文中提出的模型计算了混凝土单轴压缩时不同应变速率下的瞬时应力应变响应以及等应力长期作用下的徐变，均得到很的结果。     

STUDY ON NONLINEAR CONSTITUTIVE RELATIONSHIP AND FRACTURE BEHAVIOR OF STITCHED C/SiC COMPOSITES$^{\bf 1)}$

C/SiC复合材料具有高比强度、高比模量和优良的热稳定性能等一系列优点, 广泛应用于航空航天领域中. 裂纹扩展进而引起的脆性断裂是其主要失效形式之一, 因而材料的断裂性能分析对材料的结构设计和应用有重要的指导意义. 本文开展了缝合式C/SiC复合材料简单力学试验和断裂试验, 研究了材料在不同载荷下的力学响应及断裂特征. 基于缝合式C/SiC复合材料简单力学试验, 建立了材料宏观非线性损伤本构方程, 并模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 本构方程采用简单函数描述了材料在复杂应力状态下的非线性应力-应变曲线, 并考虑了反向加载过程中造成的裂纹闭合. 基于商业有限元软件ABAQUS, 通过编写UMAT子程序实现非线性损伤本构方程, 采用单个单元验证了建立的本构方程的有效性. 在此基础上, 采用线弹性损伤本构和非线性损伤本构分别模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 采用非线性损伤本构方程模拟的力-位移曲线结果与试验结果更为吻合, 非线性损伤本构预测的失效载荷与试验失效载荷更为接近, 验证了所建立的非线性损伤本构方程的准确性, 为C/SiC复合材料断裂行为的研究提供了借鉴, 为缝合式C/SiC复合材料结构的设计和应用提供了理论基础.     

轴、侧向同卸荷下砂岩力学特性影响的试验研究

本文以实际岩体工程为背景,利用WDT-1500 仪器开展了轴向、侧向同时卸荷条件下砂岩的三轴试验. 结果表明:轴、侧向同卸荷这种卸荷路径下,砂岩试样破坏时并没有出现应力峰值,为了定义试样的破坏强度,将最大与最小主应力差随最小主应力的变化关系曲线上应力跌落的拐点处的应力值定义为破坏强度. 砂岩变形初始段发生应力跌落和轴向应变回弹,破坏前无明显的弹性和屈服阶段;试验的过程中,砂岩的侧向变形明显大于轴向变形,其体积应变一直处于膨胀状态;相对于砂岩的常规三轴试验结果,试样破坏时的强度在轴向、侧向同时卸荷条件下有所降低. 初始轴压和初始围压对试样的力学特征有十分显著的影响,但围压的卸荷速率却并不显著. 砂岩的破坏特征主要是以张-拉为主的混合张剪的破坏.      

缝合式C/SiC复合材料非线性本构关系及断裂行为研究

C/SiC复合材料具有高比强度、高比模量和优良的热稳定性能等一系列优点, 广泛应用于航空航天领域中. 裂纹扩展进而引起的脆性断裂是其主要失效形式之一, 因而材料的断裂性能分析对材料的结构设计和应用有重要的指导意义. 本文开展了缝合式C/SiC复合材料简单力学试验和断裂试验, 研究了材料在不同载荷下的力学响应及断裂特征. 基于缝合式C/SiC复合材料简单力学试验, 建立了材料宏观非线性损伤本构方程, 并模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 本构方程采用简单函数描述了材料在复杂应力状态下的非线性应力-应变曲线, 并考虑了反向加载过程中造成的裂纹闭合. 基于商业有限元软件ABAQUS, 通过编写UMAT子程序实现非线性损伤本构方程, 采用单个单元验证了建立的本构方程的有效性. 在此基础上, 采用线弹性损伤本构和非线性损伤本构分别模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 采用非线性损伤本构方程模拟的力-位移曲线结果与试验结果更为吻合, 非线性损伤本构预测的失效载荷与试验失效载荷更为接近, 验证了所建立的非线性损伤本构方程的准确性, 为C/SiC复合材料断裂行为的研究提供了借鉴, 为缝合式C/SiC复合材料结构的设计和应用提供了理论基础.      

PMMA材料的动态压缩力学特性及应变率相关本构模型研究

利用INSTRON万能试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB)对PMMA试件在较宽应变率范围内进行了单轴压缩实验,研究加载应变率对PMMA材料力学性能的影响.利用扫描电子显微镜对回收的试样进行了显微观察,重点分析不同加载应变率下PMMA的微观损伤破坏模式.结果表明:随着应变率的增大,PMMA的流动应力显著地增加,且冲击加载条件下,峰值应力的应变率敏感性明显高于准静态;在准静态加载条件下,PMMA试样呈现明显的延性破坏特征,在动态加载条件下则表现为脆性破坏.最后,对PMMA材料的ZWT粘弹性本构模型参数进行了拟合,拟合结果与实验结果吻合较好,表明该本构模型能够较好地描述较宽应变率范围内PMMA材料的应力应变关系.     

金属材料的强度与应力-应变关系的球压入测试方法

压入法获取材料单轴应力-应变关系和抗拉强度对服役结构完整性评价有重要的基础意义.假定材料均匀连续、各向同性、应力应变关系符合Hollomon律,基于能量等效假定,即代表性体积单元(representativevolume element, RVE)的vonMises等效和有效变形域内能量中值等效假定,本文提出了关联材料载荷、深度、球压头直径和Hollomon律的四参数半解析球压入(semi-analyticalspherical indentation,SSI)模型.通过球压入载荷-深度试验关系获得材料的应力-应变关系和抗拉强度.考虑压入过程中的损伤效应,针对金属材料提出了用于球压入测试的材料弹性模量修正模型.对11种延性金属材料完成了球压入试验,采用本文提出的球压入试验方法测到的弹性模量、应力-应变关系和抗拉强度与单轴拉伸试验结果吻合良好.      

金属材料的强度与应力–应变关系的球压入测试方法

压入法获取材料单轴应力–应变关系和抗拉强度对服役结构完整性评价有重要的基础意义.假定材料均匀连续、各向同性、应力应变关系符合Hollomon律,基于能量等效假定,即代表性体积单元(representative volume element, RVE)的von Mises等效和有效变形域内能量中值等效假定,本文提出了关联材料载荷、深度、球压头直径和Hollomon律的四参数半解析球压入(semi-analytical spherical indentation, SSI)模型.通过球压入载荷–深度试验关系获得材料的应力–应变关系和抗拉强度.考虑压入过程中的损伤效应,针对金属材料提出了用于球压入测试的材料弹性模量修正模型.对11种延性金属材料完成了球压入试验,采用本文提出的球压入试验方法测到的弹性模量、应力–应变关系和抗拉强度与单轴拉伸试验结果吻合良好.