孔洞增长与汇合的数值模拟

在研究延性材料的层裂过程中，微孔洞的成核、增长与汇合是主要问题。在二维平面条件下，应用二维拉氏有限元弹塑性流体力学程序(LTZ-2D)，在动态拉伸作用下，对多种形状的孔洞增长、相互作用和汇合进行了数值模拟。结果表明，初始非圆形孔洞在动态拉伸作用下，经过了一定时间后，孔洞的增长均趋近于圆形。如果在孔洞周围允许材料损伤断裂的话，当孔洞继续长大到一定程度时，将产生破裂并且汇合。以铜材料为例，     

〈111〉晶向冲击加载下单晶铜中纳米孔洞增长的早期动力学行为

利用分子动力学方法模拟计算了单晶铜中纳米孔洞在沿〈111〉晶向冲击加载下增长的早期过程.测量发现不同加载强度下等效孔洞半径随时间近似成线性变化.观测到单孔洞增长的两种位错生长机理：加载强度较低时,只在沿着冲击加载方向的孔洞顶点附近区域有位错的成核和运动;而随着加载强度超过一定阈值,在沿冲击加载和其垂直方向的孔洞顶点区域都观察到位错的成核和运动.在前一种机理作用下,孔洞只沿加载方向增长;在后一种机理作用下,孔洞同时沿加载和垂直于加载方向增长.分析孔洞表面原子的位移历史,发现沿加载及与其垂直方向的孔洞顶点沿径向的速度基本恒定,由此提出了一个孔洞生长模型,可以解释孔洞增长的线性生长规律.关键词：纳米孔洞分子动力学冲击加载位错     

沿〈111〉晶向冲击加载下铜中纳米孔洞增长的塑性机制

用分子动力学方法计算模拟了单晶铜中纳米孔洞（约φ1．3nm）在〈111〉晶向冲击加载过程中的演化及其周围区域发生塑性变形的过程。模拟结果的原子图像如图1所示，其中活塞速度为500m／s，图中所示为4族连续三层穿过孔洞中心的{111}晶面在4000个时间步时（处于拉伸应力状态）的原子排列图像。从面心立方铜晶体中位错成核及运动特点可知，当位错在{111}面上成核和运动后，将产生层错和部分位错结构，我们正是根据此特点来判断在某{111}晶面上是否有位错的成核和运动。从图1可以看到，沿〈111〉晶向冲击加载后，     

惯性对多孔金属材料动态力学行为的影响

对泡沫金属材料的力学性能已经进行了十分广泛的研究,但在对泡沫金属的应变率效应和惯性效应的研究中,尚存在一些矛盾的结论。为进一步认清惯性在多孔金属动态响应中的作用,用有限元计算方法模拟了二维Voronoi蜂窝的动态压缩行为,得到了不同速度下Voronoi蜂窝的3种变形模式。通过改变基体材料的密度和冲击速度进行数值实验,得到了相应试件的由冲击面和支撑面得到的宏观平均应力应变曲线和平台应力。根据数值模拟的结果,着重分析了惯性效应的影响。研究发现,惯性并不影响蜂窝的应力应变曲线,但它导致试件中宏观变形不均匀,是平台应力提高的主要原因。     

沿〈111〉晶向冲击加载下铜中纳米孔洞增长的塑性机制研究

 用分子动力学方法计算模拟了沿〈111〉晶向冲击加载过程中，单晶铜中纳米孔洞（直径约1.3 nm）的演化及其周围区域发生塑性变形的过程。模拟结果表明，在沿〈111〉晶向冲击加载后，在面心立方（fcc）结构中的4族{111}晶面中有3族发生了滑移。伴随孔洞的增长，在所激活的3族{111}晶面上，观察到位错在孔洞表面附近区域成核，然后向外滑移，其中在剪切应力最大的〈112〉方向上，其位错速度超过横波声速，其它〈112〉方向的位错速度低于横波声速。模拟得到的位错阻尼系数范围与实验值基本符合。由于孔洞周围产生的滑移在空间比较对称，孔洞增长形貌接近球形。在恒定的冲击强度下，孔洞半径增长速率近似保持恒定，其速率随着冲击强度的增加而增大。     

刚热粘塑性轴对称一维流的解法

根据轴对称一维流动的控制方程,采用刚塑性流体假设,将偏微分方程组化为一阶常微分方程组,从而可引入热粘塑性本构关系。利用成熟的一阶常微分方程组解法求解。文中还对厚壁圆管承受外压作用下塌缩运动情况、应力分布、温度分布进行了计算。     

混凝土材料动态压缩强度的应变率强化规律

混凝土材料的动态压缩强度具有明显的应变率效应,而且在低、高应变率下压缩强度的动态强化因子(Dynamic Increase Factor,DIF)与应变率的关系具有明显的区别。参考近30余年相关文献中大量的混凝土动态压缩实验数据,结合理论分析,探讨了在不同应变率阶段混凝土压缩强度DIF的变化规律,分析准静态压缩强度对压缩强度DIF的影响规律。最后对实验结果进行拟合,得到混凝土材料在不同应变率区间内压缩强度DIF的预测表达式。研究表明：混凝土材料的压缩强度DIF随着应变率的增加呈递增趋势,具有相似的线性关系;压缩强度DIF曲线按照斜率变化分为3个阶段,且在高应变率下斜率最大;不同准静态压缩强度的混凝土DIF随应变率变化的规律有少许区别,但它们之间没有明显的界限,DIF随应变率递增的趋势与准静态压缩强度没有明显的联系。

     

混凝土材料动态拉伸强度的应变率强化规律

混凝土是重要的工程材料,研究其在动态作用下的力学性能具有极其重要的意义与价值。混凝土材料的动态拉伸强度具有明显的应变率效应,而且在低应变率与高应变率条件下的动态强化因子ψDIF(DIF:Dynamic Increase Factor)与应变率的关系具有明显的区别。参考现有的相关综述文献,收集近二十余年来大量的混凝土动态拉伸试验结果数据,结合理论分析,探讨了在不同应变率阶段混凝土材料拉伸强度动态强化因子的变化规律, 以及不同试验手段如直接拉伸、动态劈裂与层裂等对拉伸动态强化因子的影响规律。最后对试验结果进行拟合,得到混凝土材料在不同应变率区间时拉伸强度动态强化因子的预测表达式。研究表明：(1)混凝土材料的动态强化因子ψDIF随着应变率的增加呈递增趋势,${{psi }_{text{DIF}}}-ln bar{dot{varepsilon }}$具有类似的线性关系;(2)混凝土材料的拉伸强度ψDIF值随应变率增加而递增的趋势在3个不同应变率阶段,斜率明显不同,在高应变率时变化趋势最明显;(3)无论是低应变率区间还是高应变率区间,混凝土的动态拉伸强度ψDIF值与试验方式(直接拉伸、动态劈裂、层裂及其他方式)并没有明显的关系。     

陶瓷材料的动态压缩测试

陶瓷材料是地面车辆和航空器防护装甲的重要组成材料。一直以来，陶瓷材料的高应变率压缩性能都受到众多研究者的密切关注。陶瓷材料的高应变率压缩性能是通过SHPB试验获得的。对于传统的SHPB试验，必须满足“一维应力假设”、“试样的轴向应力均匀假设”和“压杆弹性假设”，才可以得到有效的测试结果。而这些基本假设均受到陶瓷材料高强度、高弹性模量和高脆性的挑战。     

激光加载锡的动态破碎颗粒尺寸分布

基于Grady能量破坏准则,结合固体动态断裂碎块尺寸分布规律研究结果,提出了材料微层裂破碎颗粒质量分布改进模型,并对强激光加载下锡的熔化破碎实验进行了理论计算。研究显示,理论计算的锡的微层裂破碎颗粒分布数随直径变化规律与实验结果一致,模型进一步改进需考虑应变率变化等更多综合因素影响。     

Slip band formation and mobile dislocation density generation in high rate deformation of single fcc crystals

The mechanisms for the nucleation, thickening, and growth of crystallographic slip bands from the sub-nanoscale to the microscale are studied using three-dimensional dislocation dynamics. In the simulations, a single fcc crystal is strained along the [111] direction at three different high strain rates: 10⁴, 10⁵, and 10⁶?s^??1. Dislocation inertia and drag are included and the simulations were conducted with and without cross-slip. With cross-slip, slip bands form parallel to active (111) planes as a result of double cross-slip onto fresh glide planes within localized regions of the crystal. In this manner, fine nanoscale slip bands nucleate throughout the crystal, and, with further straining, build up to larger bands by a proposed self-replicating mechanism. It is shown that slip bands are regions of concentrated glide, high dislocation multiplication rates, and high dislocation velocities. Cross-slip increases in activity proportionally with the product of the total dislocation density and the square root of the applied stress. Effects of cross-slip on work hardening are attributed to the role of cross-slip on mobile dislocation generation, rather than slip band formation. A new dislocation density evolution law is presented for high rates, which introduces the mobile density, a state variable that is missing in most constitutive laws.     

高加载率条件下LY12铝合金损伤断裂现象的研究

 本文以球形实体中含有一球形空穴为基本单元,通过分析单元的受力状态,推导出了一个韧性介质空穴增长模型。模型中考虑了介质的硬化,应变率效应,同时还考虑了惯性效应。在考虑空穴成核效应时,采用了热激活成核机制。对LY12铝合金进行了二维层裂实验,采用本文提出的动态损伤模型,借助于二维Lagrange弹塑性流动有限差分程序对二维层裂实验进行了数值模拟,计算结果与实验吻合较好。     

单晶铜在动态加载下空洞增长的分子动力学研究

冲击载荷下延性材料的损伤是材料中微空洞的产生和长大演化的结果.利用分子动力学模拟 方法对延性金属单晶铜中单个空洞在动态加载下的演化发展进行了研究,得到了空洞增长过 程中的应力分布及空洞增长演化随冲击强度变化的规律.模拟结果表明,动态加载下的前期 压缩过程对后期拉伸应力场作用下的空洞增长演化特征有不可忽视的影响,微空洞增长的阈 值则与单晶实验中层裂强度随拉伸应力作用时间减少而增加的趋势相一致.关键词：层裂分子动力学动态加载空洞     

无氧铜环颈缩区孔洞长大与局域化温升效应研究

利用金相显微镜,对电磁加载下无氧铜（M态TU1）环碎片的颈缩部位进行了金相分析,观察到了颈缩区孔洞长大、汇通及孔洞壁熔化现象。利用球形孔洞模型,分析了颈缩区孔洞长大条件,发现周向偏应力更适合于描述膨胀环颈缩区的孔洞长大。据此,讨论了颈缩区的局域化温升效应。研究结果为延性金属环膨胀颈缩失稳的细观机理研究提供参考。     

延性金属层裂强度对温度、晶粒尺寸和加载应变率的依赖特性及其物理建模

层裂强度表征了材料内部最大动态抗拉能力,并与材料本身的力学性质以及损伤早期演化相关.建立层裂强度计算的解析表达式,深入认识层裂强度所包含的微细观物理涵义,有利于更好地优化延性金属材料的层裂强度.目前大量的实验表明:延性金属材料的层裂强度对加载拉伸应变率、温度效应以及材料初始微细观结构具有很强的依赖关系.本文基于对孔洞成核与增长的损伤早期演化特性的分析,以及对温度效应和晶粒尺寸与材料本身力学性质之间关系的分析,给出了简单、实用的层裂强度的解析物理模型,物理模型的计算结果与典型延性金属高纯铝、铜和钽的层裂强度实验结果基本符合,从而验证了我们给出的层裂强度模型具有较好的适用性和预测性.     

爆炸载荷下纳米晶铜晶粒度分布及影响因素研究

采用爆炸动态加载使粗晶铜发生高应变率塑性大变形的方法制备了纳米晶铜。利用X射线衍射法对其晶粒度进行了检测,借助于LS-DYNA3D非线性有限元程序对试样变形过程进行了数值模拟,在此基础上对应变和应变率进行了统计,分析了宏、细观应变对晶粒细化程度的影响。结果表明：采用爆炸加载法可制备出纳米晶铜,平均晶粒度范围可有效控制在100 nm以内;爆炸加载过程中应变率高达104 s-1,应变的提高有利于晶粒细化;在爆炸加载方向晶粒度成不均匀分布。     

电磁量计随爆轰波运动惯性性质的二维数值模拟

利用二维非线性有限元动力分析程序,对金属电磁测速量计在爆轰波质速测量中随爆轰波运动的惯性性质进行了二维数值模拟。     

高压、高应变率与低压、高应变率实验的本构关联性

指出Johnson-Cook（J-C）、Zerilli-Armstrong（Z-A）、Bodner-Parton（B-P）本构方程在一定条件下的适用性,表明对于低压、高应变率实验,单一曲线假定似乎可以采用。通过等效应力、等效应变,可以将不同应力状态下的流动应力函数采用统一的方程描述。然而,这些本构方程的确立,并不包括平面冲击波实验。对适合于平面冲击波实验的Steinberg-Cochran-Guinan（SCG）本构方程,讨论了其方程中所包含的高压与高应变率耦合效应。指出,以剪切模量度量的流动应力具有应变率相关性。基于温度效应的新发现以及直接测量平面冲击波流动应力的新进展,分别用J-C本构及SCG本构方程估算了钨材料在高压、高应变率加载下的流动应力。结果表明,采用J-C本构估算的流动应力仅在压力为10 GPa以下才能与实验数据相近,当压力高于10 GPa时,流动应力只能采用SCG本构估算。也指出了高压、高应变率本构方程与低压、高应变率本构方程所对应的不同物理背景。     

基于微孔洞长大惯性机制的动态拉伸断裂模型构建

采用圆柱体胞模型分析方法,对球形微孔洞在不同加载应变率条件下的动力学响应行为进行了有限元分析,计算结果表明：在微孔洞稳定增长阶段,惯性对微孔洞的快速增长起着关键性作用,其它因素的影响基本可以忽略,微孔洞半径增长率与平均应力的平方根成正比。提出了一个微孔洞增长惯性机制的损伤度演化方程,结合逾渗软化函数描述微孔洞聚集行为,从而构建了一个新的动态拉伸断裂模型,并通过自定义材料模型子程序,把断裂模型嵌入LS-DYNA程序中,对无氧铜平板撞击层裂实验进行了数值模拟研究,计算结果与实验结果的比较令人满意,初步检验了新模型的实用性。