单晶高温材料中铸造微孔洞的扩长

基于有限变形晶体塑性本构关系及三维体胞模型,采用有限元的方法,分析了在不同应力三维度、不同罗德参数、不同滑移系开动及不同加载取向下,单晶高温合金中铸造微孔洞扩长的力学行为。分析结果表明:累积剪切应变在铸造微孔洞的扩长中起着很重要的作用,大的累积剪切应变对应高含量的铸造微孔洞;开动滑移系族的类型对铸造微孔扩长的影响不容忽视,故准确的确定开动滑移系的类型,对于评估单晶热端部件的寿命至关重要。由于不同的取向具有不同的Schmid因子、弹性模量及开动滑移系,单晶高温合金中的铸造微孔洞的扩长还与取向密切相关,因此根据热端部件工况,合理的选择其取向是有必要的。     

基于微结构动态演化机制的单晶镍基高温合金晶体塑性本构及其有限元模拟

因其优异的高温力学性能,镍基单晶高温合金在航空航天和能源等领域得到了广泛的应用.镍基单晶高温合金优异的高温性能来源于其特有的两相微结构.基于代表体胞模型及分块均匀化方法,以位错密度为主要内变量,发展了一个包含两相微结构和位错演化信息的单晶镍基高温合金塑性行为的本构模型.该本构模型充分考虑了镍基单晶合金中位错在基体相和沉淀增强相中的多种演化机制,例如,基体位错八面体滑移、立方滑移、位错攀移、交滑移、位错弓出、位错切过沉淀增强相以及位错Kear-Wilsdolf(K-W)锁形成与解锁等.在商用有限元软件ABAQUS的框架下,编制了UMAT用户材料子程序.利用该用户子程序,对单晶和多晶镍基高温合金在不同温度、不同加载方向下的单调塑性、循环塑性、蠕变等典型行为进行了计算模拟.结果表明:该晶体塑性本构模型能"统一地"刻画镍基高温合金在不同温度、不同方向下的多种变形行为,并与实验结果具有良好的一致性.     

铀铌合金层裂行为的数值模拟

采用一种唯象模型来模拟铀铌合金在高应变率条件下的变形行为,该模型包括了材料的非线性弹性（状态方程）、率相关塑性和孔洞的形核及生长等多种效应。并且采用一种对角隐式Runge-Kuta方法来求解本构率方程组,提高了热粘塑性本构关系计算的稳定性及精度。对D.L.Tonks等的铀铌合金平板撞击实验进行了数值模拟,并将计算结果同文献中的实验和数值模拟结果进行了比较。结果表明,本文的计算结果比文献中的数值模拟结果更接近有关实验数据。     

汽车玻璃高温蠕变特性的实验与理论研究

通过对汽车用挡风玻璃进行不同温度、不同应力水平下的单轴拉伸蠕变实验,揭示了其非线性蠕变变形特性.实验发现,不同温度和载荷下的蠕变曲线形状类似,高温(550℃～590℃)下该材料的减速蠕变变形不很明显,主要表现为稳态和加速蠕变变形,且其断裂数据符合Monkman-Grant关系,应力和温度对其影响不显著.基于实验结果,本文建立了非线性高温蠕变本构方程.理论预测与实验数据进行了比较,结果表明所提出的本构方程能较好地描述汽车玻璃高温蠕变变形的全过程.     

考虑尺寸效应的多晶金属循环塑性分析

采用多晶塑性分析方法,设材料单元包含一定数量的各向异性单晶晶粒并考虑晶粒尺寸的影响,利用Taylor假设计算材料单元的应力和应变.模型引入考虑尺寸效应的晶体滑移硬化函数,同时针对晶体滑移引入背应力及其方向性硬化的描述,以反映不同晶粒尺寸材料在循环加载条件下的力学行为,利用该模型,论文第一作者采用显式格式编制了与ABAQUS商用有限元软件接口的用户材料子程序(VUMAT),实例计算证实该模型可以反映和描述多晶金属材料在反复加载条件下的循环塑性行为与尺寸效应.     

CoCrFeNiAlx系高熵合金的动态力学性能和本构关系

高熵合金,以其独特的合金设计和优异的综合性能,成为当下材料研究的热点。本文利用高真空电弧熔炼法成功制备出了CoCrFeNiAl_x（x=0, 0.6, 1）系高熵合金,并通过分离式霍普金森压杆对其进行一系列不同应变速率下的动态压缩试验。通过X射线、扫描电镜和透射电镜分析,深入探索了该合金系的晶体结构、微观组织和变形特征。最后,利用修正后的Johnson-Cook (J-C)本构模型,获得了该体系高熵合金的动态本构关系。     

Sn—Pb共晶钎料合金的Bodner—Partom本构方程

采用Ｂｏｄｎｅｒ－Ｐａｒｔｏｍ粘塑性本构理论研究了Ｓｎ－Ｐｂ共晶合金的本构方程。在应变速率１０－５—１０－２Ｓ－１、温度为－５５—１２５℃的外部变量范围内进行了单轴拉伸和稳态蠕变数值模拟，结果与实验吻合良好。同时讨论了该本构方程用于ＳＭＴ焊点热循环寿命预测的实际意义。     

Zr基非晶合金JH-2模型的构建及应用

为构建Zr_62.5Nb₃Cu_14.5Ni₁₄Al₆非晶合金在高压、大应变、高应变率状态下的材料模型,采用根据实验数据理论推导和数值模拟对比反馈的方法,对材料的Johnson-Holmquist本构模型（JH-2模型）参数进行了研究：材料的静水压力-体应变关系通过平板冲击实验数据和理论推导得到;无损材料强度与应变、应变率的关系通过轴向压缩实验数据确定;材料损伤参数与破碎材料强度参数的关系通过平板冲击实验数据确定;破碎材料强度参数通过数值模拟与实验结果对比的反馈法得到。将材料模型应用于平板冲击和破片侵彻的数值模拟,通过数值模拟与实验结果对比的方式,验证材料模型的准确性。结果表明,平板冲击实验中,材料的自由面粒子速度曲线与数值模拟结果吻合度较高;破片侵彻实验中,破片对钢靶的侵彻深度、开坑孔径与数值模拟结果的一致性较好,构建的材料模型较准确反映了材料的动态力学特性。

     

铁电单晶Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.32PbTiO3的实验及本构模型研究

对压力作用下沿[001]晶向极化的Pb(Mg弛豫型铁电单晶;极化旋转(相变);黏塑性模型;本构;细观力学国家自然科学基金,教育部全国优秀博士学位论文作者专项基金2006-11-06对压力作用下沿[001]晶向极化的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.32PbTiO3(PMN0.32PT)弛豫型铁电单晶的应力应变行为进行了实验研究,实验结果表明铁电单晶〈001〉晶向的应力应变行为和铁电多晶有本质的不同,是传统的电畴翻转机理所难以解释的,所提出的极化旋转(相变)模型合理地解释了实验中观察到的现象;基于提出的极化旋转(相变)模型,采用细观力学方法建立了铁电单晶的细观本构模型.在模型中采用黏塑性公式描述铁电单晶可能的8个相变系统的相变行为.为了验证模型的可靠性,用该模型模拟了铁电单晶〈001〉晶向的应力应变实验曲线.计算表明,该模型能较好地模拟铁电单晶〈001〉晶向的相变行为.     

含旋转椭球形夹杂复合材料的弹塑性本构关系

在体胞模型的基础之上应用解析方法分析了颗粒或短纤维增强复合材料的本构行为,结合数值计算给出了表征材料本构关系的解析表达式.提出了一种新的正交椭球坐标变换以简化推导过程.在计算中,将真实位移场分为两部分: 基本场和扰动场,然后通过摄动方法将原来的非线性问题转化为一组线性方程组的求解.计算了当基体材料和夹杂的特征参数取不同值时的应力应变曲线,并与已有的实验和分析结果进行了比较,符合得较好.通过对数值计算结果的拟合,提出了一个颗粒或短纤维增强复合材料的弹塑性本构关系的解析表达式.     

薄板坯连铸结晶器中钢液三维流动的数值模拟

采用高 Re数的紊流 K- ε两方程模型 ,且结合壁面函数法对薄板坯连铸结晶器中钢液的紊流流动进行了有限元数值模拟。在数值模拟中 ,考虑了凝固壳厚度分布对流场的影响。在掌握了结晶器内紊流粘性系数分布规律的基础上 ,将流动域在空间进行了分区 ,采用分区选定有效粘性系数的当量层流模型数值模拟了三维紊流流动 ,结果表明 ,当量层流模型可有效的获得与原紊流时均场基本一致的结果 ,但计算效率显著提高 ,为今后工程上计算薄板坯结晶器中的三维流动和考虑流动影响的凝固过程分析提供了实用的方法 ,计算结果也有助于人们对薄板坯连铸结晶器中钢液三维紊流流动特点和与流动有关的板坯质量等问题的理解     

水模拟连铸结晶器中流速值的氢气泡测试方法

为了获得连铸结晶器中钢液的流速值，以验证数学模拟结果，本文用相似准则原理设计的水模拟板坯连铸结晶，将氢气泡测试技术首先用于其中流速的定量测定，利用氢气泡团的时间－脉线组合图谱所提供的时间－位移信息，测定了不同拉速下水模拟结晶器中若干点的速度及分布，对发泡阴极丝的定位方法和测量位置选择进行了描述，总结了试验中的经验。     

粗晶超塑性单轴拉伸颈缩模拟

利用粘塑性本构模型模拟粗晶超塑性单轴拉伸。数值结果表明,颈缩的位置及发展过程受拉伸应变速率的影响。不只一处分散不均匀变形相互牵制与协调,使材料得以在接近均匀的状态下经受大的变形,模拟得到的局部应变速率演化曲线,可以预测变形局部化发展的情况。     

Excess pressure losses in the capillary flow of molten polymers

The excess pressure losses due to end effects in the capillary flow of a linear low-density polyethylene resin (LLDPE) were studied both experimentally and numerically. First, they were determined experimentally by using two methods: i) by extrapolating experimental data of pressure drop versus length-to-radius ratios (L/R) to zero capillary length and ii) by means of using orifice dies (L/R 0). Both methods resulted in about the same end corrections. Numerical simulation was also used to model this important aspect of experimental rheology. The constitutive equation used in the simulations is a multimode K-BKZ equation proposed by Papanastasiou et al. (1983, J. Rheol. 27:387) and further modified by Luo and Tanner (1988, Int. J. Num. Meth. Eng., 25:9). It was found that the numerical predictions agreed qualitatively, but underestimated the experimental data for the various geometries used to determine the end effects.Dedicated to the memory of Professor Tasos C. Papanastasiou     

连铸结晶器内部流场及熔渣卷入的数值模拟

针对连铸结晶器内部流场及熔渣卷入过程 ,提出了两方程k -ε湍流模型和充填法数值计算模型 ,并采用硅油 /水模拟体系代替熔渣 /钢液体系 ,进行了模拟试验和数值计算。对充气造成的浸入式水口水流脉动的影响进行分析。计算结果与试验结果符合良好 ,表明本文所采用的数值模拟方法是适用的     

小方坯连铸结晶器内凝固坯壳形成及变形热力耦和有限元分析

采用热－力耦合有限元方法分析小方坯连铸结晶器内凝固坯壳的形成及应力分布,得到结晶器长度、结晶器锥度、拉坯速度和钢液过热度等工艺参数对凝固坯壳形成和应力分布的影响规律,所得结果对小方坯连续铸造工艺参数的确定和产品质量的控制具有指导意义。     

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。     

三维编织复合材料剪切性能分析

根据三维四向编织复合材料的结构特点，提出了刚度合成法预测编织复合材料剪切弹性模量，比较了整体编织试件和裁剪所得试件理论剪切性能差别，分析了三维编织T300／QY9512复合材料的剪切性能随试件沿宽度和厚度两个方向内部单胞数目的变化规律。结果表明，三维编织复合材料剪切弹性模量是与试件尺寸相关的，只有当试件尺寸较大、沿宽度和厚度两个方向内部单胞数目较多时，试件尺寸的影响可以忽略。当沿宽度方向单胞数目较大时，整体编织试件和裁剪所得试件的剪切模量相近。本文还得到了在复合材料板的纤维体积含量不变的情况下，剪切模量随编织角的变化规律。     

浅水域中多船编队航行时的船波干涉

以Green-Naghdi(GN)方程为基础,采用波动方程和运动网格的有限元法研究多船在浅水域中集体航行时的波浪干涉特性。把运动船舶对水面的扰动作为移动压强直接加在GN方程里,以描述运动船体和水面的相互作用。GN方程合理地考虑非线性和频率散射对浅水船波的影响。以Series60 CB=0.6船体为算例,给出两船并行、前后跟随、三船品字形编队航行时的波浪干涉图形,波浪阻力及侧向力的数值分析结果。计算结果表明:1)当两船并行时,两船承受侧向吸引力,同时波浪阻力稍有增加。2)当两船前后跟随时,两船的波浪阻力都减小。3)当三船品字形航行时,前船的阻力减小,后船的阻力增加,同时后面两船的吸力减小。