高强度钢板热成形本构理论与实验分析

热成形(热冲压)过程中硼钢的热、力、相变耦合关系是研究热成形理论的基础, 同时也是决定热成形工艺及数值模拟准确性的关键因素. 对热成形硼钢进行高温拉伸及淬火实验: 硼钢板材试样在奥氏体化(950℃)后保温一定时间, 然后在连续冷却的同时施加拉伸力, 记录此过程中力、位移、膨胀量及温度的变化. 通过对不同冷却速率及不同拉伸力情况下上述物理量的变化规律及微观组织性能的分析, 研究硼钢相变过程中的热、力、相变耦合关系. 建立了硼钢相变过程中的热、力、相变耦合模型. 通过引入混合定律对热成形过程中的多相材料热力学参数和力学性能进行等效分析; 对热成形应变组成及其形成机理进行了分析, 引入了相变体积应力及相变塑性应力等新概念. 硼钢高温流动应力采用修改的Norton-Hoff形式, 并通过实验确定了流动应力的材料常数. 在此基础上将热、力、相变耦合关系引入热成形本构方程中, 分别建立了高强度钢板热成形的全量形式及增量形式本构方程. 对U形零部件热成形过程进行了数值模拟, 并与实验结果进行比较, 结果证明建立的本构理论的有效性.      

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.      

高强度钢板热成形数值模拟-静力显式

在已建立的高强度钢热成形热、力、相变耦合本构方程的基础上,基于虚功率方程及持续平衡方程建立了热成形静力显式多场耦合有限元列武。将热成形过程中的相变潜热引入温度场,并进行了有限元分析;在自主开发的商业化金属成形CAE软件KMAS(King-Mesh Analysis System)基础上,开发了考虑多场耦合的非线性、大变...     

具有层状微观结构的NiTi单晶本构模型

建立了应力诱发的具有层状微观结构的NiTi单晶本构模型. 模型考虑母相和马氏体相弹性各向异性性质的差异, 以NiTi单晶相变过程中可能出现的24个马氏体变体为基础, 利用相变驱动力和理想界面的连续条件推导了马氏体相变的发生及发展过程, 以及单晶相变过程中宏微观应力应变的演化, 数值模拟了在不同加载方向材料的应力应变响应.结果表明, 对于不同的加载方向, NiTi单晶既存在强化也存在软化现象.      

核用钢高温力学性能及本构模型综述

为发展适用于结构完整性评定的高温非弹本构模型,本文对316奥氏体不锈钢和9Cr-1Mo钢高温力学性能及非弹本构模型进行了综述。通过比较单轴拉伸、应变控制循环、蠕变以及塑变−蠕变交互性能,展示了两类核用钢高温力学行为的异同。其中,温度、加载速率、应力水平等对核用钢高温力学性能均有影响。另外,综合评价了用于描述核用钢高温力学性能的两类非弹本构模型,并对模型发展趋势进行了讨论。对核用钢高温力学性能综合准确描述有助于解决工程中核反应堆结构完整评价问题。

     

本构模型对复合材料中X射线热击波数值模拟结果的影响

以碳酚醛靶中的一维应变热击波为例,讨论本构模型对热击波数值模拟结果的影响.数值模拟采用3种本构模型,即各向同性理想弹塑性本构模型、各向异性理想弹塑性本构模型及各向异性动态弹塑性本构模型.结果表明:与各向同性理想弹塑性、各向异性理想弹塑性本构模型相比,利用各向异性动态弹塑性本构模型获得的热击波应力峰值较小、应力峰值衰减较...     

异种不锈钢激光焊缝材料的动态本构关系

利用等应变测试法获取了304及316L激光焊接焊缝材料的准静态应力应变曲线,发现焊缝材料 具有明显的细晶硬脆化趋势。利用SHTB技术对304、316L及焊接构件材料高温动态力学性能进行了研究。 根据动态实验数据对不锈钢304及316L母材应变率及温度相关的Johnson-Cook本构方程参数进行了拟合。 利用LS-DYNA建立了SHTB动态拉伸实验数值模型,发现了在应力波加载初始阶段由于结构效应及材料 阻抗不匹配引起的应力不平衡现象。通过动态实验与数值模拟相结合的方法确定了焊缝材料的应变率相关 本构参数。     

FeCrAl合金材料织构对其宏观力学本构关系的影响研究

FeCrAl合金具有优良的高温抗氧化性和耐辐照性能,是事故容错核燃料包壳的重要候选材料. 其在加工过程和热处理过程中易形成α纤维织构（<110>//RD）和γ纤维织构（<111>//ND）,会影响材料的宏观力学性能与深加工成形能力. 本研究针对具有不同织构的多晶FeCrAl合金,建立了代表性体元模型, 使用晶体塑性有限元方法,在ABAQUS/Explicit中模拟材料单轴加载下的宏观应力应变曲线,分析不同织构对FeCrAl合金宏观力学本构关系的影响. 计算结果表明,对于具有α织构、γ织构和晶粒无择优取向的材料,在轧向上的应力应变曲线差异较小. γ织构会引起材料强烈的各向异性,在轧面法向上的屈服强度远高于轧向和横向上的屈服强度,这是因为晶粒的<111>方向平行于加载方向,滑移系难以启动. 提高γ纤维织构的比例,将增大轧面法向上的屈服强度. 本研究可以为优化FeCrAl合金材料织构、加工条件和材料力学性能提供参考.     

FeCrAl合金材料织构对其宏观力学本构关系的影响研究

FeCrAl合金具有优良的高温抗氧化性和耐辐照性能,是事故容错核燃料包壳的重要候选材料.其在加工过程和热处理过程中易形成a纤维织构(//RD)和γ纤维织构(//ND),会影响材料的宏观力学性能与深加工成形能力.该研究针对具有不同织构的多晶FeCrAl合金,建立了代表性体元模型,使用晶体塑性有限元方法,在ABAQUS/Explicit中模拟材料单轴加载下的宏观应力应变曲线,分析不同织构对FeCrAl合金宏观力学本构关系的影响.计算结果表明,对于具有a织构、γ织构和晶粒无择优取向的材料,在轧向上的应力应变曲线差异较小.γ织构会引起材料强烈的各向异性,在轧面法向上的屈服强度远高于轧向和横向上的屈服强度,这是因为晶粒的方向平行于加载方向,滑移系难以启动.提高γ纤维织构的比例,将增大轧面法向上的屈服强度.该研究可以为优化FeCrAl合金材料织构、加工条件和材料力学性能提供参考.     

材料超高温动态拉伸SHTB实验方法的有效性分析

针对高温拉伸分离式Hopkinson杆实验技术,通过数值模拟、实验验证以及几种典型材料的高温动态拉伸性能测试相结合的方法,对此实验技术中存在的几个关键问题进行了深入研究。结果表明:对于平板状钩挂式拉伸试样,通过标距段尺寸优化后,应力分布均匀,流动应力曲线与螺纹拉伸试样一致,且应力上升段后没有剧烈跳动;通过精确气动控制,在加载脉冲到来同时,可实现有效的试样快速同步组装和加载;当试样温度为1 200 ℃时,在冷加载杆与高温试样接触以及应力波加载试样的整个过程中,试样平均温度下降约1.3%,而加载杆端温升低于180 ℃。为了验证此实验技术,对3D打印TC4、镍基单晶高温合金DD6进行了最高温度约1 200 ℃时的高温动态拉伸力学性能实验测试。     

珍珠母的微结构与力学行为研究进展

珍珠母(nacre或mother-of-pearl)是软体动物贝壳内层的主要结构材料,具有优异的力学性能,已成为当前先进工程材料仿生设计和制备的研究热点.该生物材料具有完善的分级微结构,使其强度与韧性远高于组成这种材料的纯文石相.本文从珍珠母的微结构、实验研究以及力学模型3个方面对珍珠母的研究现状进行了概述,并指出目前研究中一些仍待解决的关键问题.      

热端部件低温热腐蚀疲劳损伤机理、寿命模型和抗腐蚀设计方法

对于沿海地区或海洋环境中使用的航空发动机来说,由于高温、机械载荷和盐雾环境的共同作用,热腐蚀疲劳破坏是影响其热端部件服役寿命的主要因素.本文对热端部件低温热腐蚀疲劳损伤机理、寿命模型和防腐蚀设计方法进行了总结、归纳及评述,提出了未来的研究趋势与发展方向.首先介绍航空发动机热端部件的热腐蚀疲劳故障案例、损伤演化机理;其次,重点分析了低温腐蚀疲劳寿命的唯象模型、损伤力学模型、断裂力学模型以及机器学习模型;再次,对几种代表性的考虑腐蚀演化不同阶段的分段式腐蚀疲劳全寿命模型进行综述,还分析指出了腐蚀疲劳全寿命模型的发展趋势;从次,对航空发动机材料选择、零件制造、结构强度设计和外场运行维护不同阶段的抗腐蚀方法进行了综述.最后,对增材制造零部件的热腐蚀疲劳问题以及无损检测技术、人工智能等与热腐蚀疲劳研究的结合进行了展望.     

Cyclic impact compaction of ultra high molecular weight polyethylene powder

Bulk specimens of GUR 4150 ultra-high-molecular-weight polyethylene with a molar mass of 9.2 · 10⁶ g/mol are obtained by cyclic impact compaction. During compaction, the material remains in the solid state, which ensures the preservation of the crystalline phase with a volume fraction of up to 66%. The strength properties of the specimens are not inferior to those of the products obtained using the industrial hot molding process. It is shown that the method described here is suitable for producing compacts with micro- and nanosized additives.     

A Phenomenological Constitutive Model for Describing Thermo-Viscoplastic Behavior of Al-Zn-Mg-Cu Alloy Under Hot Working Condition

In order to predict the high-temperature deformation behavior of Al-Zn-Mg-Cu alloy, the hot compression tests were conducted in the strain rate range of (0.001–0.1)s⁻¹ and the forming temperature range of (573–723) K. Based on the experimental results, Johnson-Cook model was found inadequate to describe the high-temperature deformation behavior of Al-Zn-Mg-Cu alloy. Therefore, a new phenomenological constitutive model is proposed, considering the coupled effects of strain, strain rate and forming temperature on the material flow behavior of Al-Zn-Mg-Cu alloy. In the proposed model, the material constants are presented as functions of strain rate. The proposed constitutive model correlates well with the experimental results confirming that the proposed model can give an accurate and precise estimate of flow stress for the Al-Zn-Mg-Cu alloy investigated in this study.     

Application of Laser Deposition to Mechanical Characterization of Advanced High Strength Steels Subject to Non-Proportional Loading

Background

Characterization of hardening and fracture limits of advanced high strength steels (AHSSs) undergoing strain path changes (SPCs) are particularly challenging for plane strain condition, which commonly occurs in sheet metal forming. There is a need for a simple, engineering-friendly method to characterize materials subjected to complex loading paths that mimic stress conditions in actual forming processes.

Objective

Experimental additive manufacturing techniques have been applied to reinforce AHSS specimens subjected to SPCs in order to broaden capabilities for characterizing hardening behavior and fracture limits.

Methods

Hardening curves subject to SPCs (e.g. uniaxial tension or equi-biaxial tension followed by plane strain) have been obtained with a programmable biaxial tensile testing system using cruciform-shaped specimens with load-bearing arms reinforced by laser deposition. A notched specimen selectively reinforced by laser deposition was newly designed to characterize fracture limits subjected to SPCs ending with plane strain condition.

Results

Complex loading histories were successfully enabled by applying laser deposition technology. Results show that both hardening behavior and fracture limits of a TRIP-assisted steel and a dual-phase steel are dependent on loading history.

Conclusions

It appears that the laser deposition technique can be used for material characterization under specific SPCs. Hardening behavior of AHSSs under SPCs ending with plane strain is quite different from traditional uniaxial tension-uniaxial compression tests. For materials sensitive to SPCs, multi-step forming can be a great option to reach the targeted forming shape.

     

高强混凝土热-力响应的断裂相场分析方法研究

高强混凝土(High-Strength Concrete, HSC)的力学性能受温度影响较大,尤其在高温环境下性能衰退剧烈,因此在结构分析中宜采用随温度变化的材料性能参数．断裂相场方法基于Griffith变分断裂准则,无需复杂的裂纹拓展追踪技术便可处理多裂纹的问题,可方便地模拟裂纹的萌生、扩展、分岔及汇合过程．本文采用适宜进行结构断裂分析的断裂相场方法,基于能量泛函变分原理,将温度对混凝土材料弹性模量及断裂能的影响引入断裂相场分析方法中,用于高强混凝土高温环境下的强度和破坏分析．以高温作用下高强混凝土梁三点弯曲试验为算例,进行方法验证,通过与实测结果对比,证实了算法的有效性．     

福州轨道交通建设中的岩土工程问题

由于福州盆地工程地质条件的复杂性以及隧道工程的特殊性,在福州轨道交通建设过程中将遇到大量环境岩土工程问题。主要的环境岩土工程问题有:(1)隧道掘进范围内的承压含水层。承压含水层富水性、透水性强,由于开挖深度大,必须考虑下部承压水的影响,避免产生基坑突涌问题。砂砾卵石层直接覆盖于基岩裂隙热水上,受热水构造带高温热水的直接补给以及热传导,地下轨道交通建设对地热场是否存在影响以及地热对轨道交通的影响需要深入研究。(2)软土的大变形与低强度。导致地基失稳与土体结构强度破坏。(3)深大基坑开挖施工引发的可能灾变。基坑开挖易产生滑塌、流泥、突水(涌)、地表沉陷等问题,必须采取有效的支护措施,避免基坑失稳而影响工程安全及周边环境。对这些环境岩土工程问题,应加强勘察新技术的应用,查明建设场地岩土工程地质条件; 采用人工地层冻结法、桩基托换技术进行施工; 开发和利用适合本地区岩土条件的新技术、新工艺,如新型桩、新的止水、降水措施等基坑支护新技术,以及采用信息化施工新技术。