损伤演化对韧性金属碎裂过程的影响

固体在冲击拉伸载荷作用下会断裂成多个碎片，基于线性内聚力断裂假设的Mott-Grady模型能较好地预测碎裂过程所产生的平均碎片尺度的下限。然而实际上，韧性金属的损伤演化是多元化的，为此通过数值模拟方法研究了不同损伤演化规律对韧性碎裂过程的影响。利用ABAQUS/Explicit动态有限元软件数值再现了韧性金属杆（45钢）在高应变率下拉伸碎裂的过程，分析了线性和非线性损伤演化对韧性碎裂过程的影响规律。结果表明:损伤演化规律对韧性金属的碎裂过程具有显著影响，非线性指标α越大，碎裂过程产生的碎片数越少；Grady-Kipp碎裂公式仍能在一定范围内预测韧性碎裂过程中产生的碎片尺寸；当非线性指标α远大于零时，在较低冲击拉伸载荷作用下，数值模拟结果和Grady-Kipp模型预测值偏差较大，随着应变率增大，数值模拟结果与Grady-Kipp模型预测值吻合较好。     

一种基于材料韧性耗散分析的疲劳损伤定量新方法

依据疲劳过程中结构钢力学性能的变化规律,从反映疲劳损伤机理、对损伤过程表现敏感且便于实验测试等方面对上述材料弹性、塑性、强度和韧性等参量进行综合考察后指出,韧性是一个适合作为疲劳损伤表征的力学参量,并进一步建立了韧性随疲劳损伤演化的耗散模型。从交变载荷下材料韧性耗散规律出发,结合疲劳损伤的能耗过程分析,系统研究并提出了以韧性为基本参量的疲劳损伤变量、损伤临界值、损伤演化方程和累积损伤模型,据此建立了一种新的疲劳损伤定量方法,并在实验中得到了验证。通过与其它方法比较表明：根据韧性耗散定义损伤变量优于基于延性、强度和弹性模量变化的损伤度量方法,由此得到的累积损伤模型较Ｍｉｎｅｒ线性法则与Ｍａｎｓｏｎ双线性累积损伤法则更符合实验结果。因此,上述疲劳损伤定量方法可为现阶段工程结构的抗疲劳设计与寿命估算提供新的研究手段     

基于韧性耗散模型的损伤定量分析方法

材料的静力韧性便于工程测量,对疲劳损伤较其它宏观损伤变量更敏感。本文以材料静力韧性为宏观损伤变量,依据疲劳过程中金属材料韧性随疲劳循环加载而变化的实验结果的规律分析,得到了应力和循环数表达的损伤演化方程和损伤累积模型。该模型能较好地反映加载顺序的影响。推导出该疲劳损伤累积模型在多级加载下的递推公式。经四种金属材料疲劳试验数据验证结果表明,该模型预测疲劳寿命是较为满意的。由于疲劳试验数据分散性大,结果有待进一步验证。     

45#钢的损伤演化方程和层裂准则研究

通过唯象分析和细观物理统计相结合的方法建立了一种韧性材料的损伤演化方程。在试验结果和内变量理论的基础上得到了45#钢的含损伤热—粘塑性本构关系。用有限差分方法计算了45#钢平板撞击所产生的应力波传播规律、损伤演化规律及层裂进程。通过自由面速度历史的数值模拟,并基于计算结果与试验结果间的最佳一致性,得到了损伤演化方程中的材料参数和极限损伤数值,并以此为依据建立了材料的应力率层裂准则。     

内聚力界面单元与复合材料的界面损伤分析

推导了一种基于内聚力模型无厚的界面单元,用来模拟复合材料纤维与基体之间的界面层．研究了纤维周期分布的复合材料受横向荷载时,在界面不同的强韧性条件下其界面损伤演化的规律和对复合材料整体性质的影响     

受载高聚物裂尖的损伤和银纹化

采用扫描电子显微镜(SEM)，对高聚物裂尖银纹损伤的引发和演化过程进行了原位观测．将固态高聚物本体材料视为线黏弹体，裂尖银纹区视为非线性损伤区，通过构造银纹区的损伤演化方程，给出了银纹区应力模型和银纹生长规律，数值结果与已有实验吻合良好。     

晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响

采用不同热处理工艺制备了3种晶粒尺寸（60、100、500 μm）的高纯铝板材,利用平板撞击实验研究了其层裂行为。通过改变飞片击靶速度,在靶板中实现初始层裂状态和完全层裂状态。基于自由面速度时程曲线和微损伤演化及断口显微形貌分析,讨论了晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响规律。实验结果显示:（1）晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响强烈依赖于冲击加载应力幅值,在低应力条件下,层裂强度与晶粒尺寸之间表现出反Hall-Petch关系,而在高应力条件下,晶粒尺寸对层裂强度几乎没有影响;（2）随着晶粒尺寸的增大,靶板损伤区微孔洞的尺寸和分布范围均增大,但数量显著减少,在微孔洞周围还发现比较严重的晶粒细化现象;（3）随着晶粒尺寸的增大,层裂微观机制从韧性沿晶断裂向准脆性沿晶断裂转变,且在断口上观察到少量随机分布的小圆球,归因于微孔洞长大和聚集过程中严重塑性变形引起的热效应。     

金属基复合材料和强度与损伤分析

用观察计算力学的方法分析了金属基复合材料（ＭＭＣ）多重损伤与强度的关系,采用唯象的内聚力模型模拟纤维／基体界面的脱粘和采用Ｇ－Ｔ模型描述韧性基体的损伤。并用上述模型分析了长纤维增强ＭＭＣ在横向荷载作用下损伤演化的规律,讨论了不同界面性质与材料强度及损伤、破坏模式之间的关系。     

金属基复合材料的强度与损伤分析

用细观计算力学的方法分析了金属基复合材料(MMC)多重损伤与强度的关系,采用唯象的内聚力模型模拟纤维/基体界面的脱粘和采用G-T模型描述韧性基体的损伤.并用上述模型分析了长纤维增强MMC在横向荷载作用下损伤演化的规律,讨论了不同界面性质与材料强度及损伤、破坏模式之间的关系.     

韧性断裂的微观模型及其在约束断裂中的应用

详细分析了不同形状断裂试件及小范围屈服模型裂纹端部的损伤演化，提出了韧性断裂的宏观起裂相当于裂尖前方一特征位置处的损伤达到一临界值。利用此模型获得了与实验相一致的宏观断裂韧性及与约束无关的理论断裂韧性。     

A study on the damage evaluation of weld heat affected zone

From the micro- and macroscopic points of view, the damage evolution of weld-simulated heat affected zone (HAZ) is studied. In the framework of continuum damage mechanics (CDM), the ductile and low cycle fatigue (LCF) damage evolution laws of HAZ have been examined. Two alternative laws of damage are proposed in this paper, which may meet the need for describing damage evolution of ductile rupture and LCF fracture, respectively.     

基于连续体损伤理论的硼钢高温成形极限确定法

为了应对节能减排及汽车安全性的双重要求,先进高强钢的开发和应用受到愈来愈高的重视. 超高强度钢板热冲压成形技术是减轻车身重量、提高汽车抗冲击和防撞性能的重要途径,目前已经成为世界汽车制造行业的热门技术. 成形极限是硼钢热冲压成形过程中一个非常重要的表征参数,但由于高温半球形凸模胀形试验(Nakazima) 的复杂性造成实验测试面临诸多困难. 针对硼钢热冲压成形过程特点,提出将韧性损伤模型与有限元数值模拟技术结合起来预测硼钢高温成形极限的方法. 在连续体损伤力学基础上,建立了考虑有效应力和等效塑性应变对微孔损伤影响的勒迈特(Lemaitre) 韧性损伤演化方程,在损伤耗散势函数中引入了等效塑性应变因子,从而寻找到能够准确反映硼钢在奥氏体状态下的成形特性的勒迈特耗散势函数. 选取基于遗传算法的基于非支配排序的多目标优化算法(NSGA-II) 与有限元分析软件“FORGETM” 相结合的方法优化韧性损伤模型中材料的损伤因子,并利用优化后的损伤因子准确预测到板料成形过程的拉伸失稳和断裂现象. 将建立的韧性损伤模型引入到硼钢高温半球形凸模胀形有限元仿真模型中,通过预测的成形极限与实验测定结果的比较,验证了所提韧性损伤模型预测硼钢高温成形极限的可靠性.      

含裂隙材料的空洞化损伤

本文研究了含有微小裂隙的韧性材料中细观损伤的演化。随外加应力的增大,在裂隙周围的基体中微小空洞不断地萌生并扩展。在一些情况下,由此而形成的内部损伤与仅有大小空洞的损伤有显著的不同特点。结果还表明,具有细观尺度的短裂纹,其损伤作用不宜用裂纹长度作标志。文中最后提出一个材料韧性断裂的判据。     

A new ductile fracture theory and its applications

This investigation discusses further the extent to which a new damage theory recently proposed by the author can serve as a unified theory to characterize various ductile failure problems. A general damage integral and corresponding criterion for ductile fracture are presented. A new parameter for ductile fracture is emphasized, which is experimentally verified as a material constant independent of stress state, has clear physical meaning, and can easily be determined. The applicability of this theory to evaluation of the ductility of welds and engineering materials under various conditions is examined. Also, it is used to predict the effect of residual stress on failure of welds, to predict sheetforming limits, and to correlate the variability of elasto-plastic fracture toughness valuesJ _1c and δ _c with different specimen geometries. A new constraint correction method is proposed, and constraint corrected new toughness parameterJ _dc and δ _dc are recommended. Experiments have shown that the toughness variation with different specimen geometries can effectively be removed by use of the method. The general applicability of the theory to characterization of various ductile failures provides a new design tool for engineering components or structures.     

Investigation of shear damage considering the evolution of anisotropy

The damage that occurs in shear deformations in view of anisotropy evolution is investigated. It is widely believed in the mechanics research community that damage (or porosity) does not evolve (increase) in shear deformations since the hydrostatic stress in shear is zero. This paper proves that the above statement can be false in large deformations of simple shear. The simulation using the proposed anisotropic ductile fracture model (macro-scale) in this study indicates that hydrostatic stress becomes nonzero and (thus) porosity evolves (increases or decreases) in the simple shear deformation of anisotropic (orthotropic) materials. The simple shear simulation using a crystal plasticity based damage model (meso-scale) shows the same physics as manifested in the above macro-scale model that porosity evolves due to the grain-to-grain interaction, i.e., due to the evolution of anisotropy. Through a series of simple shear simulations, this study investigates the effect of the evolution of anisotropy, i.e., the rotation of the orthotropic axes onto the damage (porosity) evolution. The effect of the evolutions of void orientation and void shape onto the damage (porosity) evolution is investigated as well. It is found out that the interaction among porosity, the matrix anisotropy and void orientation/shape plays a crucial role in the ductile damage of porous materials.     

一个新的普遍形式的局部损伤断裂准则

利用损伤函数概念，建立了一个普遍形式的局部断裂准则。该准则考虑了局掊应力，应变和损伤历史对断裂的影响，根据损伤力学理选取了一个新的连续损伤函数，从而导出一个新的连续损伤断裂准则。新的临界断裂参数ＷＤＣ，具有明显的物理意义，且易通过试验测得，是一个不依赖于应力状态的材料九。文中还从细观力学理论和有关的试验资料出发，选取了相应的损伤函数，再现了前人的细观力学准则和经验准则。     

Effects of stress invariants and reverse loading on ductile fracture initiation

Recent research studies on ductile fracture of metals have shown that the ductile fracture initiation is significantly affected by the stress state. In this study, the effects of the stress invariants as well as the effect of the reverse loading on ductile fracture are considered. To estimate the reduction of load carrying capacity and ductile fracture initiation, a scalar damage expression is proposed. This scalar damage is a function of the accumulated plastic strain, the first stress invariant and the Lode angle. To incorporate the effect of the reverse loading, the accumulated plastic strain is divided into the tension and compression components and each component has a different weight coefficient. For evaluating the plastic deformation until fracture initiation, the proposed damage function is coupled with the cyclic plasticity model which is affected by all of the stress invariants and pervious plastic deformation history.For verification and evaluation of this damage-plasticity constitutive equation a series of experimental tests are conducted on high-strength steel, DIN 1.6959. In addition finite element simulations are carried out including the integration of the constitutive equations using the modified return mapping algorithm. The modeling results show good agreement with experimental results.     

聊聊动态强度和损伤演化

材料强度在传统上常理解为材料在外载荷下抵抗流动/变形和破断的能力。由流变阶段到貌似突发的破断,其实源于一个隐含的应变率/时间相关的损伤演化过程。动态损伤演化研究的难点在于损伤与流变总是耦合在一起发展的。研究发现,热激活损伤演化模型可成功描述材料宏观损伤的动态演化。在此基础上,从实测的含损伤演化的表观应力应变曲线,可将两者解耦分开,并可确定各自相关的材料参数。这一思路可推广到中医脉诊的客观化研究,通过脉搏波信息定量反演脉搏波系统的正常及病态本构关系,可诊断生命体偏离正常状态的程度(病情),这可视为一种广义的损伤演化和强度问题。上述思路还可推广到地震预报研究,即“对地球把脉”。与加卸载响应比理论相结合,通过相邻3处的地震波信息来反演地球相关板块含损伤演化的非线性载荷-响应曲线,再区分出损伤演化程度,将有利于改进地震预报,这可视为另一种广义的损伤演化和强度问题。     

单向应力状态下钢材高温分析的损伤模型

本文结合结构钢材火灾高温分析的特点，通过对Ｌｅｍａｉｔｒｅ关于常温下金属材料延性损伤模型和修改，提出一种适用应力状态下钢材高温分析的损伤模型，为进行钢框架在火灾高温作用下及火灾冷却后的２和损伤分析提供可能性。