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.     

考虑两种晶界的各向异性双晶和三晶体晶界附近弹塑性应力场分析

采用率相关的晶体滑移有限元程序对具有不同晶体取向的双晶体晶界附近及三晶体三晶粒交汇处的弹塑性应力场进行了计算,考虑了几何晶界和物理晶界的影响.计算结果表明:双晶体及三晶体考虑几何晶界和物理晶界时,这两种晶界具有相同的应力分布趋势,只是物理晶界比几何晶界的应力集中程度小,双晶体晶界附近有较大的应力梯度,存在应力集中现象.三晶体三晶粒交汇处可能是应力集中之地也可能不造成应力集中,这主要取决于晶粒晶体取向及加载方向.由此可见,要准确理解金属材料的断裂过程,还需要从细观的角度对晶界的力学响应进行细致和深入的研究.     

考虑晶体滑移面分解正应力的细观损伤模型

材料内部的解理、滑移面剥离等细观损伤是引起宏观失效的根源,从细观尺度研究损伤的发生和发展有助于深入认识材料的变形和失效过程.本文基于晶体塑性理论,从滑移系的受力和变形出发研究材料的细观损伤,建立了考虑滑移面分解正应力的细观损伤模型,为晶体材料解理断裂的分析提供了新方法.首先,在晶体弹塑性变形构型的基础上引入损伤变形梯度...     

混凝土三维细观模型的建模方法与力学特性分析

根据混凝土材料的细观组成和结构特点,基于三维Voronoi图形提出了一种简单高效的混凝土细观模型生成方法,利用塑性损伤模型对该细观模型进行了单、多轴应力状态下的准静态分析以及SHPB动态有限元分析。结果表明,数值模拟得到的应力应变曲线和破坏模式与实验结果基本吻合,本文中提出的混凝土三维细观模型可较好地模拟混凝土的静、动态力学特性,为进一步从细观力学角度研究混凝土损伤演化规律和破坏机理提供了模型基础。     

立方晶系多晶体细观马氏体相变有限元模拟

从马氏体相变切变机理入手,考虑相变体积变化,定义相变机械驱动能及其等效驱动应力,并在假设细观化学驱动能均匀的前提下,建立细观动力学模型.在此模型基础上,通过Marc软件二次开发,开展弹塑性立方晶系多晶体单向拉伸下的应力耦合细观马氏体相变有限元模拟.有限元模型的每个单元同时代表一个材料主轴随机分布的晶粒,屈服准则采用立方晶系单参数Hill准则,细观相变率与细观等效驱动应力关系取指数形式.三个多晶体样本模拟显示:1)细观马氏体相变分布不均匀,且不均匀程度随增量步增加呈先快后慢的减弱;2)多晶体宏观相变率-宏观拉伸应力模拟曲线呈指数态势,但在整个加载过程中,相变量均较细观模型的小.     

考虑细观变形特征的镁合金宏观本构模型及数值模拟

为了能有效描述镁合金宏观各向异性塑性行为,考虑了滑移、孪生、去孪生三种细观变形模式的特点,给出了相应的硬化函数;根据VonMises屈服准则,发展了一种镁合金宏观本构模型及其迭代算法。模型将变形模式的开启与晶粒取向相关联,同时针对镁合金孪生变形时引起的晶粒重新定向问题,描述了一种晶向偏转的方法。在此基础上编写了ABAQUS/UMAT材料用户子程序;利用开发的本构模型,开展了单轴拉伸、单轴压缩、单轴循环拉压加载条件下镁合金塑性行为的数值模拟,并对随机织构下的镁合金板材轧制过程进行了有限元仿真实验。模拟结果表明:单轴拉伸、单轴压缩和循环加载情形下的镁合金宏观硬化行为与实验结果基本吻合;轧制后镁合金板材表现出了应力-应变不均匀特性,多晶织构演化结果与实验结果基本一致。说明文中所提出的宏观本构模型、晶向偏转模型能够有效描述镁合金的宏观塑性行为和织构演化。     

多晶体变形、应力的不均匀性及宏观响应

从单晶滑移变形分析的角度探讨多晶体塑性变形和应力的不均匀性及宏观力学响应：建议了 一种当前构形下以应力为基本变量的单晶黏塑性增量迭代计算方法；用Voronoi晶粒集合体 模型研究多晶体由于晶粒几何及取向的随机性造成的变形和应力的不均匀性, 进行了多晶集 合体的宏观响应和晶粒位向演化数值分析. 结果表明：(1)多晶体内等效塑性应变和应力分量在统计上呈现高斯分布，在应变硬化过程中, 随着塑性变形增加多晶体微观应力的统计变异系数会越来越大；(2)用Voronoi模型计算可得到沿最大剪应力方向的滑移变形带；(3)多晶体内最高三轴拉应力一般出现在晶界特别是三晶交界处；(4)Voronoi模型能用于织构分析.     

非均匀脆性材料EOI试验模拟中的动接触法

基于动接触力二步法和有限元原理,从数值模拟角度揭示了碰撞接触-分离过程。本文首先通过建立两杆撞击模型,与ANSYS_LSDYNA结果对比分析,验证了该方法的可靠性;然后进一步基于细观线性行为可以反映宏观非线性行为的原理,根据材料内部应力状态进行损伤判断,成功模拟了EOI（Edge-On Impact test侧向撞击试验）的裂缝扩展过程。通过与前人的研究成果进行对比验证,肯定了该方法对于研究碰撞问题有较高的效率和可靠度,对于研究碰撞问题有较高的参考价值。     

基于ARCHARD磨损模型的WR-CVT非连续接触钢丝绳磨损研究

针对WR-CVT (Wire rope continuously variable transmission)弯曲段钢丝绳更易磨损问题,以6×7+IWS (Merallic wire strand core)钢丝绳为研究对象,基于Archard磨损模型结合自适应网格技术,建立WR-CVT钢丝绳非连续接触磨损有限元模型,研究磨损对钢丝绳接触压应力以及滑移幅值等接触参量的影响,并进行了试验揭示磨损机理.结果表明：随着磨损的作用,钢丝间接触区域不断增大.最大磨损深度出现在钢丝绳与绳槽边缘接触处,此处钢丝接触压应力较磨损前显著减小,滑移幅值和磨损深度在不断增大,接触压应力集中点沿钢丝轴向不断移动,接触区域形貌逐渐形成扁平状,磨损机理为磨粒磨损、黏着磨损和疲劳磨损.     

高分子材料注塑固化阶段的残余应力分析

在结晶性高分子材料注塑过程的固化阶段，温度分布、材料细观结构和应力应变之间相互耦合，因而其变化规律非常复杂．本文在井上等人考虑材料细观结构变化的金属热加工工艺应力分析［３～６］的基础上，发展了一套用于高分子注塑固化阶段残余应力分析的本构描述和有限元分析方法．在本构模型中，同时考虑了温度变化、结晶和“冻结取向”对变形的贡献．     

全制动工况下轮轨热-机耦合效应的分析

采用有限元法从摩擦热效应角度探寻轮轨表面破坏的原因,建立了轮轨热-机械载荷耦合接触模型,分析纯滑动接触过程中轮轨的温升以及热应力,模型中考虑了轮轨间非稳态热传导、与环境的热对流和热辐射以及轮轨间的接触计算,分析了滑动接触过程中应力场的分布特点以及速度的影响.结果表明:所采用的接触算法能够求解二维轮轨全制动工况下的热接触问题;轮轨摩擦热效应只存在于表层,其影响随着深度增加而减小;轮轨的相对滑动速度越高,其热效应越明显.     

Design of microstructure-sensitive properties in elasto-viscoplastic polycrystals using multi-scale homogenization

Evolution of properties during processing of materials depends on the underlying material microstructure. A finite element homogenization approach is presented for calculating the evolution of macro-scale properties during processing of microstructures. A mathematically rigorous sensitivity analysis of homogenization is presented that is used to identify optimal forging rates in processes that would lead to a desired microstructure response. Macro-scale parameters such as forging rates are linked with microstructure deformation using boundary conditions drawn from the theory of multi-scale homogenization. Homogenized stresses at the macro-scale are obtained through volume-averaging laws. A constitutive framework for thermo-elastic–viscoplastic response of single crystals is utilized along with a fully-implicit Lagrangian finite element algorithm for modelling microstructure evolution. The continuum sensitivity method (CSM) used for designing processes involves differentiation of the governing field equations of homogenization with respect to the processing parameters and development of the weak forms for the corresponding sensitivity equations that are solved using finite element analysis. The sensitivity of the deformation field within the microstructure is exactly defined and an averaging principle is developed to compute the sensitivity of homogenized stresses at the macro-scale due to perturbations in the process parameters. Computed sensitivities are used within a gradient-based optimization framework for controlling the response of the microstructure. Development of texture and stress–strain response in 2D and 3D FCC aluminum polycrystalline aggregates using the homogenization algorithm is compared with both Taylor-based simulations and published experimental results. Processing parameters that would lead to a desired equivalent stress–strain curve in a sample poly-crystalline microstructure are identified for single and two-stage loading using the design algorithm.     

锻压操作机夹持长棒料随动过程动态受力分析

研究了锻压操作机夹持长棒料锻件锻压随动过程中夹钳的受力状态。利用拉格朗日方程及有限元方法建立了包含操作机及其锻件的总体动力学方程。操作机系统建立为端部悬挂质量弹簧的Euler-Bernoulli梁模型,随动过程中因为梁上节点位移激励引起操作机系统的瞬态振动。计算结果与LS-DYNA显式有限元模型结果进行了比对,吻合良好。结果表明,对于长棒料锻件,液压机锻压的位置对操作机的动态受力有着十分显著的影响。     

齿轮接触有限元分析

通过接触仿真分析研究了通用接触单元在轮齿变形和接触应力计算中的应用。建立了一对齿轮接触仿真分析的模型，并使用新的接触单元法计算了轮齿变形和接触应力，与赫兹理论比较，同时也计算了摩擦力对接触应力的影响。计算分析了单元离散、几何、边界范围与加载或约束处理方式的误差，建立了一个计算轮齿变形和接触应力的标准，说明了新的接触单元法的精确法、有效性和可靠性。     

考虑颗粒转矩的接触网络诱发各向异性分析

颗粒材料的宏观力学行为与接触网络的组构各向异性密切相关, 根据接触点的滑动与否、转动与否和强弱力情况, 可以将颗粒间的接触系统分为不同的子接触网络. 一般而言, 不同的子接触网络在颗粒体系中的传力机制不同, 对宏观力学响应的贡献也有不同. 采用离散单元法(discrete element method, DEM)模拟了不同抗转动系数$\mu_r$下颗粒材料三轴剪切试验, 分析了剪切过程中不同子接触网络的组构张量的演变规律, 并探究了颗粒抗转动效应对子接触网络各向异性指标演变规律的影响. 研究发现: 剪切过程中转动、非转动接触的组构张量变化不是独立的, 受到颗粒间滑动与否的影响; 非滑动、强接触网络是颗粒间的主要传力结构, 非滑动接触网络的接触法向和法向接触力各向异性均随$\mu_r$的增大而增大, 其对宏观应力的贡献程度随$\mu_r$的增大而减小;强接触网络的接触法向各向异性随$\mu_r$的增大而增大, 但法向接触力各向异性随$\mu_r$的增大无明显变化, 强接触网络对宏观应力的贡献程度在不同$\mu_r$情况下均相同.      

机车车轮踏面与钢轨接触的仿真计算及试验研究

应用轮轨型面测量仪测量实际运用中的磨耗后机车车轮,基于标准与磨耗后机车车轮型面,建立轮轨接触三维有限元模型,计算分析不同横移量下的接触斑和等效应力.搭建轮轨接触试验台,使用取自现场的车轮与钢轨试块进行试验,分析不同横移量下轮轨接触状态.针对磨耗前后车轮与标准钢轨接触的有限元计算与试验进行对比分析.结果表明:横移量对轮轨接触状态有着显著的影响,横移量过大会加速机车车轮的磨耗;与标准型面相比,磨耗后车轮型面与标准钢轨接触时的接触斑面积较大,最大等效应力较小;通过轮轨接触试验台所得接触斑形状和大小与仿真计算所得结果一致性较好,证明了有限元仿真计算的可靠性.     

索托桥结构分析的滑移索单元法

为在索托桥的结构分析中精确模拟连续长索的滑动,本文创建了一种新的单元。被称为“滑移索单元”的新单元有三个节点,以点接触的形式模拟索从下方绕过滑轮,它可以通过自动调整两侧索段的长度而使单元处于平衡状态,从而简化了计算。新单元算法的推导基于有限元分析的基本原理和弹性悬链线的解析解,并利用了平衡状态时单元内力之间的关系。本文介绍滑移索单元的推导过程,用设计的算例验证了它的正确性,分析了连续长索的滑移对索托桥桥面竖向变形的影响。新单元可以直接用于常规的有限元分析中,研究处于工作状态或在施工中的索结构。