增材制造微结构演化及疲劳分散性计算

为了预测增材制造中工艺参数?微结构?力学性能之间的关联规律, 提出了集成离散元、相场模拟、晶体塑性有限元和极值概率理论的计算方法, 揭示了激光扫描速度对微结构演化、屈服应力和疲劳分散性的影响. 首先, 采用离散元实现了重力作用下粉床在已凝固层表面上的逐层铺设; 其次, 通过热?熔体?微结构耦合的非等温相场模拟, 获得了熔体、气孔、晶界、晶粒取向等的时空演化以及最终形成的多晶微结构; 然后, 应用晶体塑性有限元计算了增材制造多晶微结构的宏观力学响应, 并得到表征疲劳裂纹萌生驱动力的疲劳指示参数(FIP); 最后, 采用极值概率理论分析了增材制造多晶微结构的FIP极值分布规律及疲劳分散性. 以316L不锈钢选区激光熔化增材制造为例的计算结果表明: 增材制造微结构的宏观屈服强度随激光扫描速度的增加而降低, 且呈各向异性; FIP极值符合Gumbel极值分布规律, 激光扫描速度增加可降低增材制造微结构疲劳分散性, 但会导致FIP极值升高, 使得疲劳裂纹萌生驱动力增加, 疲劳寿命降低.      

基于数据驱动的增材制造铝合金的疲劳寿命预测

增材制造金属材料的疲劳损伤及寿命预测问题是当前研究的热点.论文以增材制造AlSi10Mg为典型应用对象,采用数据驱动方法开展疲劳寿命预测,考虑到其疲劳试验数据有限,采用经过试验验证的可靠的理论模型和数值计算方法来获取足够的疲劳数据,以弥补试验数据的不足.首先,提出了基于缺陷特征参数的疲劳损伤模型,其次,建立了理论模型的数值实现方法,并将数值计算结果与试验结果进行对比,验证了所提方法的可靠性.然后,开展数据驱动模型的训练与预测,采用K最近邻的数据驱动算法预测了增材制造AlSi10Mg的疲劳寿命,最后,深入分析了疲劳寿命随增材制造内部缺陷、疲劳载荷的变化规律,研究了数据驱动模型的训练数据量及模型参数对预测精度的影响.     

增材制造TC4钛合金的动态力学行为研究

增材制造TC4钛合金是具有优良的力学性能和工艺性能的金属材料,在航空航天领域已得到重要应用.近年来,在塑性力学的研究中,探究应力状态对金属材料变形和失效行为的影响得到广泛关注,然而大部分的研究都是在准静态下完成的,对于中高应变率下金属材料变形失效的研究较少.本文从增材制造TC4钛合金的基本力学性能出发,考虑应力状态和应...     

电弧增材制造不锈钢动态加载绝热剪切带内组织研究

绝热剪切失效是增材制造金属材料在高应变率载荷下的重要失效方式。使用电火花从冷金属过渡电弧增材技术制备的316L不锈钢单壁上沿着制造方向和扫描方向割出动态加载圆柱试样(尺寸为?4 mm×4 mm)。采用分离式霍普金森杆对增材制造316L试样在应变率4 000到6 000 s^-1下加载至绝热剪切状态,研究了其动态剪切变形行为特别是剪切带内微观组织特征结构。不同应变率动态加载下,电弧增材制造316L不锈钢的动态应力首先由于应变硬化而增大,随后绝热剪切热软化与应变硬化的平衡导致了动态变形最后阶段的应力平台效应。绝热剪切带中亚晶经历了动态再结晶过程,具有与基体完全不同的等轴晶形貌,晶粒尺寸大约在200～300 nm。动态剪切复杂热力过程导致剪切带内的亚晶形成了双重织构,既有与基体一致的沿着压缩方向的<110>丝织构,也有与宏观剪切方向相关的晶体学织构,即(111)沿着宏观剪切面,<112>沿着宏观剪切方向。不同剪切带的等轴亚晶都有大量残余Σ3 60°晶界,同时存在与基体相同的孪生织构,可以证明孪生再结晶是绝热剪切带内亚晶主要的动态再结晶机制。宏观绝热...     

金属增材制造若干关键力学问题研究进展

金属增材制造是一种兼顾复杂结构和高性能构件成形需求的颠覆性制造技术, 在航空、航天、交通、核电等领域具有广阔的应用前景和发展空间. 该技术大规模推广应用所面临的制造效率和控形保性挑战是一个涉及力学、光学、材料、机械、控制等多学科交叉的难题. 本文针对其中涉及的若干关键力学问题, 阐述了近年来国内外在面向金属增材制造的结构拓扑优化设计、制造过程数值模拟、成形材料与结构的缺陷表征和性能评价方面的研究进展, 并对金属增材制造的结构设计?制造模拟?性能评价的发展趋势进行了展望.      

增材制造三维微点阵材料力学性能表征与细观优化设计研究进展

三维微点阵材料是一种由复杂拓扑胞元周期性排列构成的超轻质结构材料,兼具极低的密度、优越的力学特性和良好的能量吸收等性能,是满足轻量化、抗冲击和多功能集成需求的重要新型战略材料.增材制造技术的快速发展,为三维微点阵材料的制备和优化设计带来了便利的条件,二者的结合为航空航天、轨道交通以及武器装备等领域实现防护结构轻量化和多功能一体化提供了新思路.为阐明增材制造三维微点阵材料的动态力学特性与变形失效机理,进一步开展材料多尺度优化设计,拓展增材制造微点阵材料在冲击防护等领域的应用,对增材制造三维微点阵材料力学行为与设计的研究成果进行了系统的综述和展望.依据增材制造三维微点阵材料的多尺度结构特征,分别评述了不同类型微点阵材料的宏观动力学响应与失效机制、细观性能表征与结构优化设计、微观组织特征与变形机理等方面的研究,展望了未来增材制造三维微点阵材料在冲击防护领域面临的问题和挑战.     

增材制造技术发展对飞机结构设计教学的影响

增材制造技术突破传统制造约束,带来飞机结构设计理念和方法的转变,成为提升飞机结构性能、降低成本的重要支撑.飞机结构设计是飞行器设计专业本科核心专业课程,培养面向增材制造的飞机结构设计人才是提高航空装备设计水平的必要内容.创新结构设计理念和多学科协同设计方法是面向增材制造结构设计人员的必备素质.北京航空航天大学飞机结构设...     

面向增材制造的应力最小化连通性拓扑优化

增材制造与拓扑优化的有机结合将极大促进高性能产品的研发,但现有基于拓扑优化的设计性能和可制造性研究多是独立开展,或常局限于传统的刚度问题,缺乏对工程中至关重要的强度问题的考虑.面向增材制造,针对协同考虑强度和可制造连通性的结构优化问题,建立了材料体积和连通性标量场约束下的结构应力最小化拓扑优化模型.针对求解过程中的不同...     

激光选区熔化增材制造GP1不锈钢动态拉伸力学响应与层裂破坏

采用选择性激光熔化增材制造技术,制备了GP1不锈钢单轴拉伸板条试样和层裂圆片试样,并对材料微观结构进行了表征。借助Zwick-HTM5020高速拉伸试验机,并结合数字图像相关性全场应变测量技术,开展了增材制造GP1不锈钢材料的轴向拉伸力学性能实验研究,得到了不同应变率下材料的拉伸应力-应变曲线,结果显示:(1)GP1不锈钢流动应力具有比较显著的应变强化效应;(2)通过回收试样的电子背散射衍射表征,发现GP1不锈钢在拉伸变形过程中会发生奥氏体与马氏体之间的相变;(3)GP1不锈钢的屈服应力随着应变率呈幂指数增大,断裂应变在中低应变率下保持不变,但在高应变率下则显著减小。采用一级轻气炮实验装置和激光干涉粒子速度测量技术,开展了增材制造GP1不锈钢的层裂实验,发现GP1不锈钢的层裂强度随着飞片撞击速度增大而减小。单轴拉伸试样断口和层裂试样断口的显微分析结果表明:随着应变率增大,单轴拉伸断裂模式和断裂机理都发生了转变;层裂损伤易成核于激光熔池边界线的交汇处,断口韧窝形貌明显区别于单向拉伸断口。     

面向增材制造的熔池凝固组织演变的相场研究

激光增材制造(laser additive manufacturing, LAM)技术极适合复杂整体构件的近净成形和高附值损伤件的快速修复. 然而, 激光增材制造熔池内部复杂的动态凝固过程显著影响成形件的终态组织, 进而制约其服役性能. 本文针对激光直接能量沉积(direct energy deposition by laser, DED-L) Inconel 718过程, 构建宏观传热传质与多相场耦合的多尺度数学模型, 解决了熔池宏?微观温度场的直接耦合, 并基于MPI并行程序设计实现了熔池二维的全域定量模拟, 研究了凝固过程中的晶粒演变过程. 结果表明, 模拟的熔池尺寸、凝固界面与实验结果吻合较好. 熔池凝固界面形态和晶体择优取向是影响晶粒演变的重要因素. 在熔池横截面上, 凝固过程主要受温度梯度方向的驱使, 取向与温度梯度方向夹角越小的晶粒占优生长. 在纵截面上, 晶粒的生长表现出弯曲生长以及“上三角”的晶粒特征, 温度梯度方向的渐变导致了晶粒弯曲, 相邻晶粒的竞争行为决定了晶粒形貌. 本文阐明了金属激光增材制造晶粒演变的机理, 有助于厘清增材制造热物理、化学、冶金过程, 为凝固组织的预测和调控提供理论指导. 此外, 该多尺度数学模型也适用于其他金属材料的激光增材制造过程.      

高周疲劳各向异性损伤问题研究

引用损伤力学方法研究金属构件疲劳问题，并采用微结构力学模型建立了各向异性疲劳损伤本构关系与附加力-有限元解法，以损伤划分步长预估了构件疲劳裂纹形成与扩展寿命．用这一方法预估30CrMnSiNi2A材料含缺口圆棒试件全寿命．结果表明，理论S—N曲线与试验S—N曲线吻合良好．该方法所需机时较少，可用于工程实际构件的疲劳寿命预估及抗疲劳优化设计．     

刚性微粒填充的高聚物非线性粘弹性本构关系的微力学分析

在应变具有可加性条件下,本文分析表明Eshelby线性微力学理论,包括其等效包含体方法和相应的平均化方法可推广应用于研究高刚度微粒填充高聚物的非线性粘弹性本构关系。     

EFFECT OF FABRICATION ON HIGH CYCLE FATIGUE PROPERTIES OF COPPER THIN FILMS

The influence of fabrication on the tensile and fatigue behavior of copper films manufactured by 3 kinds of fabrication methods was investigated. The tensile and high cycle fatigue tests were performed using the test machine developed by authors. Young＇s moduli （72, 71 and 69 GPa, respectively） are lower than the literature values （108-145 GPa）, while the yield strengths were as high as 358, 350 and 346 MPa, respectively and the ultimate strengths as 462, 456 and 446 MPa, respectively. There is not much difference in the tensile properties of the 3 kinds of films. There is little difference in the fatigue properties of the 3 kinds of films but one of them has shorter fatigue life than others in high cycle region and longer fatigue life than others in low cycle region.     

一个高周疲劳损伤演化修正模型

将连续损伤力学应用到疲劳问题中, 得到合理的疲劳损伤演化方程,被认为是预测疲劳寿命最有效的方法之一. 在研究Lemaitre最新疲劳损伤演化方程基础上, 根据试验数据提出了一个修正的高周疲劳损伤演化方程, 该方程可以考虑应力幅、平均应力等影响因素. 以2A12-T4铝合金为例, 得到了修正模型的材料常数. 将该修正模型以UMAT子程序形式嵌入ABAQUS主程序, 计算了两种构件14种不同受载情况下的疲劳寿命, 所得计算寿命与试验结果误差均值约15%, 说明修正的疲劳损伤演化方程可以很好地计算金属构件的高周疲劳寿命.      

钢质蜂窝夹芯梁的高温疲劳模型

针对钎焊钢质蜂窝夹芯梁开展高温三点弯曲疲劳实验研究. 结果表明芯子排列方向显著影响结构疲劳性能, 高温下W向试件易于承受循环载荷. 提出基于疲劳模量退化的寿命预测经验函数方法, 其参数与材料性质、载荷环境等因素有关. 该方法可以预测结构疲劳寿命而避免大量重复性实验. 结果表明: 对于L向试件, 剩余模量退化规律可用二阶多项式拟合; 而W向试件则倾向于用指数型函数描述. 从刚度退化方程中得到非线性累积损伤模型, 并与线性Miner准则和试验结果进行了比较, 合理解释了蜂窝夹芯梁的高温损伤问题.      

A STUDY OF LOW CYCLE FATIGUE PROPERTIES OF MATERIALS BASED ON THE FUNNEL-SHEET SPECIMENS1)

根据能量等效方法,针对漏斗薄片试样,提出了关联Ramberg-Osgood 幂律参数、试样几何参数的载荷-位移半解析统一模型。采用有限元数值模拟,正、反向验证了该模型的有效性。在此基础上,提出了通过漏斗薄片试样低循环试验实现材料低周疲劳性能的预测方法。基于薄片试样低循环试验数据,完成了SS316L, N18及SAPH440 三种材料的低周疲劳性能预测,预测结果与标准试样试验结果具有良好的一致性。并利用该方法完成了N18与SAPH在不同温度条件下的低周疲劳性能预测。     

松质骨的细观力学研究评述

用细观力学方法分析松质骨的力学性能,研究松质骨的弹性模量、压缩强度与其相对密度之间的关系,这是骨力学的一个重要研究方向．      

松质骨的细观力学研究评述

用细观力学方法分析松质骨的力学性能，研究松质骨的弹性模量、压缩强度与其相对密度之间的关系，这是骨力学的一个重要研究方向．     

Q235钢缺口试样拉压低循环疲劳的实验研究

以Q235钢制U型缺口板试样为研究对象,用有限元方法计算其缺口根部等效应变幅对应的试样标距段位移,以此控制试验机进行拉压循环疲劳试验。然后用局部应力应变法对试验测得的寿命结果进行分析。结果表明：无论用有限元还是修正Neuber公式计算缺口根部的应力应变,局部应力应变法的疲劳寿命评估只适用于缺口半径较大的试样;对缺口半径较小试样的估计寿命明显低于实测值,且有限元法比修正Neuber法更保守。进而又对试样缺口区域应变梯度的影响进行了探讨：参照有限元计算的应变梯度,利用Taylor模型估算了缺口根部的屈服应力和流动应力;在此基础上重新计算应变分布并估计试样的疲劳寿命,结果证实考虑应变梯度影响可改善缺口试样的疲劳寿命估计。     

先进高强度钢的断裂失效准则研究

先进高强度钢(AHSS)是通过相变获得高强度的应用前景最好的汽车轻量化材料.与传统深拉钢相比,AHSS韧性相对较低,在冲压成形过程中容易发生断裂,阻碍了它在汽车上的广泛应用,因而AHSS的断裂失效研究成为当前国内外研究的热点.论文以AHSS的代表钢种双相钢(DP)为研究对象,通过试验与数值计算相结合的方法研究其在不同三轴应力状态下的失效特性,尝试寻找一个适用于它的失效准则,用于其断裂失效的预测.