延性单晶非均匀变形的三维有限元模拟

对延性单晶在拉伸载荷作用下的应变局域化和颈缩等非均匀变形过程进行了三维有限元数值模拟。将相关晶体塑性本构模型及一种新的数值积分方法补充到ABAQUS6.1商用有限元软件中。该方法的特点是，利用晶体塑性的动力学方程，获得一个关于晶体弹性变形梯度的演化方程，采用半隐式积分方案进行求解。本文推导出一种新的应力变本构矩阵。按此方式更新本构矩阵，计算速度和计算稳定性大大提高。加载方式，边界条件和变形程度等因素影响着滑移系的启动状况，这是平面模型所不能预测的。本文利用三维有限元方法模拟了不同取向下滑移系的启动状况，全面地考虑了FCC单晶材料12个可能滑移系在变形过程中的启动状况，合理地模拟了FCC面心立方单晶沿不同取向加载时晶轴旋转导致的应变局域化和颈缩等非均匀变形过程。     

激光场中量子散射三重微分散射截面的研究

在量子散射框架下,对真实激光场引进多光子相互作用准静态过程模型,考虑束缚-自由跃迁中电磁场的规范一致性及电子与激光场长程相互作用的极限,研究激光场对量子散射过程中三重微分散射截面的影响。多数共面非对称情况下激光场对三重微分散射截面有提升作用,此外靶原子处于激发态时binary峰出现分裂,激光场对三重微分散射截面也有放大作用。     

基于能量极值原理的单晶体塑性滑移的有限变形分析

对FCC单晶体的率无关弹塑性力学响应的本构关系进行了数值模拟。用一个基于能量极值原理的数值计算方法来处理复杂的多面塑性问题，这种算法可以有效地模拟单晶体多滑移系的启动，在这一理论框架下，增量的应力应变关系可以从所构造的能量函数中推导出来。对于滑移系激活情况的判定则可转化为求解活动约束的非线性数学规划问题，通过对时间的离散，此问题又可细化为逐步二次规划问题，并采用有效集法来搜索启动滑移系，进而求得弹塑性本构关系，数值结果表明该方法具有稳定、收敛、可行的特点，在数值计算的基础上研究了单轴拉伸下晶体的不同取向对单晶体硬化程度和滑移系激活情况的影响。     

On plastic anisotropy of constitutive model for rate-dependent single crystal

An algorithm for single crystals was developed and implemented to simulate plastic anisotropy using a rate-dependent slip model. The proposed procedure was a slightly modified form of single crystal constitutive model of Sarma and Zacharia. Modified Euler method, together with Newton-Raphson method was used to integrate this equation which was stable and efficient. The model together with the developed algorithm was used to study three problems. First, plastic anisotropy was examined by simulating the crystal deformation in tension and plane strain compression, respectively. Secondly, the orientation effect of some material parameters in the model and applied strain rate on plastic anisotropy for single crystal also is investigated. Thirdly, the influence of loading direction on the active slip system was discussed.     

率相关晶体塑性模型的塑性各向异性分析

在Sarma和Zacharia的工作基础上,改进了单晶晶体弹粘塑性本构模型的积分算法,并采用改进的欧拉法结合迭代方法求解,特点是稳定性好计算效率较高．然后用上述模型及算法研究了:1）在单向拉伸和平面应变压缩变形下单晶塑性各向异性的特点;2）晶体模型中的主要材料参数（应变率敏感指数m和潜硬化比率q）和加载应变率对单晶塑性各向异性的影响;3）沿不同的晶体方向加载对滑移系启动的影响．     

力和扩散机理下外延形貌的演化分析

本文提出了一个新的基于扩散界面的相场模型来描述外延生长中岛的形核、生长及熟化过程. 该模型同时考虑了弹性场、表面能、沉积、扩散、解吸和能量势垒等热力学及动力学过程对表面纳米形貌的影响. 采用经典的BCF模型来描述生长中的扩散形核过程, 而采用一个新的包含弹性应变能的自由能函数, 通过变分得到一个描述多层岛生长的相场方程, 该方法可以有效地描述外延生长中复杂的外延形貌. 采用有限差分格式对非线性耦合方程组进行求解. 数值结果显示, 该模型可以真实地再现外延生长中多层岛结构(即山丘状形貌)的演化过程, 模拟结果与已有实验结果一致. 同时模拟了生长过程中随外延形貌演化而形成的复杂生长应力, 研究表明, 在生长过程中, 岛中存在着复杂的应力分布, 且在岛边界处应力达到局部最大, 这与实验结果定性一致. 此外, 本文的重要发现是, 外延生长中的应力演化明显地影响原子的扩散过程, 当应力存在时, 外延结构变化较无弹性场时变快. 该项研究对理解外延生长中各物理机理的协同作用有重要的指导意义.     

HILL屈服准则与晶体塑性模型对FCC单晶材料塑性各向异性描述能力的比较

采用宏观HILL模型和晶体塑性模型对面心立方单晶(FCC)材料的非均匀交形进行了数值模拟，意在比较两种不同尺度的模型对塑性各向异性的描述能力的差异。为了使两种模型具有可比性，对于FCC单晶材科，本文提出一种用晶体塑性模型来确定HILL模型中各向异性参数的标定方法。数值分析表明，两类模型对单晶体塑性各向异性的描述能力存在着差异。对FCC单晶材料，HILL模型对各向异性的预测能力没有晶体塑性模型细致，晶体塑性模型更能追踪塑性各向异性的变化。但两种模型对应力应变响应预测的趋势是一致的。对两种模型描述的差异，做了详细的分析。     

单晶体塑性滑移有限变形下的应力计算

为了探讨和发展单晶金属材料的非弹性有限变形分析方法,提出一种单晶体各向异性弹塑性分析的计算格式.该方法是一种以初始构形为变形计算参考构形的描述方法,它对单晶体塑性构形的演化用增量计算以跟随加载路径,而在应力计算时在卸载构形的基础上用Hencky对数弹性应变来计算总量的应力以保证计算的稳定和收敛;通过求解满足瞬时屈服条件和应力与弹性应变关系的广义胡克定律的非线性方程组来搜索激活滑移系.     

晶粒数量对多晶集合体初始各向异性的影响

Taylor类多晶晶体粘塑性模型被用于研究晶粒数量对随机分布多晶体拉伸塑性各向异性的影响。分别沿包含不同晶粒数量的多晶集合体的各方向进行单向拉伸数值模拟实验，得到多晶集合体各方向在一定等效应变下的等效应力，并用云图和等高线表示在多晶体的参考球面上。定义了描述多晶集合体各向异性程度的参考指标。讨论了三种确定晶体随机取向的方法。计算结果表明：晶粒数量有限的多晶集合体的应力应变响应仍有一定的各向异性，且随着晶粒数量增多，多晶集合体的各向异性程度降低；就所包含晶粒数相同的多晶集合体来说，在确定晶粒随机取向时，选取不同的方法对它的各向异性程度也有一定的影响。     

两种晶体塑性损伤模型在有限变形条件下的比较

对建立在连续损伤力学和内变量理论基础上的两种晶体塑性损伤模型进行了比较,旨在比较两种模型在描述材料物理性能方面的适用性以及由加载而引起变形响应的不同之处.模拟结果显示,两种模型均能反映出塑性各向异性和损伤的演化;由加载而导致有限变形的响应不仅依赖于变形,而且也依赖于晶格取向;尽管两种模型在揭示单晶体的物理性能方面是不同的,但是在预测材料力学性能方面有着相同的预测趋势.