微孔洞有核长大损伤演化模型研究

针对材料的层裂问题,从细观角度出发,提出微孔洞有核长大损伤演化模型假说。该模型包含损伤开始、演化和终止三个阶段,共有4个材料参数,分别是代表损伤开始发展的阈值应力的σ_0,损伤演化时损伤率对超阈值应力的依赖指数λ,损伤终止时材料发生层裂时的极限损伤D_c,和损伤持续的时间参数Ψ。通过对D6AC钢和45钢层裂实验进行计算分析,验证了本文提出的损伤演化模型假说的合理性。并结合试验,给出了模型中4个材料参数物理内涵、取值方法及影响规律。损伤发展的过程量λ对损伤影响最大,表明损伤演化过程并非简单的能量累积,其次是损伤阈值应力σ_0,极限损伤D_c和损伤持续的时间参数Ψ对损伤影响最小。     

一种基于空穴聚集的层裂模型

基于如下假设，给出了层裂过程中的应力松弛方程，并建立了一种基于空穴聚集的延性层裂模型:在层裂早期，微空穴的主要效应是减小应力作用面积；在层裂后期，应力按空穴聚集时的应力-空隙度依赖关系减小。把P.F.Thomason、D.L.Tonks等及S.Cochran等给出的依赖于应力（压力）的层裂空隙度方程分别耦合于守恒方程、计及损伤的状态方程及本构方程，建立了求解所有变量包括损伤的封闭方程组。这种基于空穴聚集的层裂模型已被应用于一维层裂试验的数值模拟。模型中的层裂强度及临界损伤度初始可以估计，最终的确定将使数值模拟结果与实测的速度（或应力）剖面以及观测的层裂面上的损伤基本一致。分别基于D.L.Tonk等及S.Cochran等给出的依赖于压力的层裂空隙度方程所作的一维层裂试验数值模拟结果基本一致，而与基于P.F.Thomason给出的依赖于应力的层裂空隙度方程所作的相应数值模拟结果有明显差异。     

改进SPH方法在陶瓷材料层裂数值模拟中的应用

为了探讨铝飞片撞击陶瓷材料时的层裂现象,采用改进SPH方法模拟应力波在陶瓷材料中的传播。结果表明,当离散粒子分布不均匀时,数值模拟计算的自由面速度时程曲线与实测曲线吻合良好。对比CSPM方法,改进SPH方法的精度更高。提出适用于数值模拟的陶瓷材料损伤演化方程,对脉冲载荷下陶瓷/钢层合板层裂的破坏过程进行数值模拟,结果表明,由于陶瓷的波阻抗高于钢的,且抗压强度远高于抗拉强度,因此拉应力引起的层裂破坏是主要的。即使在材料内部传播的只是弹性压缩波,当弹性波到达材料界面时,由界面反射引起的卸载波也能导致陶瓷发生层裂破坏。     

受载高聚物裂尖的损伤和银纹化

采用扫描电子显微镜(SEM)，对高聚物裂尖银纹损伤的引发和演化过程进行了原位观测．将固态高聚物本体材料视为线黏弹体，裂尖银纹区视为非线性损伤区，通过构造银纹区的损伤演化方程，给出了银纹区应力模型和银纹生长规律，数值结果与已有实验吻合良好。     

微孔洞唯象损伤力学模型及其应用

基于微损伤发展的NAG(nucleation and growth)模型,从唯相角度,得到了一种微孔洞损伤演化方程。在考虑损伤软化和温度软化的基础上得到了材料含损伤本构关系。将损伤演化方程和材料本构关系引入ABAQUS有限元软件对D6AC和921两种钢板撞击层裂问题进行数值模拟。模拟结果与实验结果吻合。     

平纹编织陶瓷基复合材料面内剪切细观损伤行为研究

采用约西佩斯库(Iosipescu)纯剪切试件,研究了平纹编织SiC/SiC和C/SiC复合材料的面内剪切应力-应变行为和细观损伤特性.通过试验获得了材料不同方向上的单调和迟滞应力-应变行为,对比分析了两种材料的剪切损伤特性,结果表明材料的剪切损伤演化规律受热残余应力水平影响严重.由试件断口电镜扫描结果发现剪切加载状态下桥连纤维承受显著的弯曲载荷和变形,据此提出了纤维弯曲承载机制,并结合裂纹闭合效应分阶段阐释了材料的剪切迟滞环形状.基于材料的剪切细观损伤机制,通过两个损伤变量表征了材料的剪切损伤演化进程,得到了材料的面内剪切细观损伤演化模型.对比发现2D-C/SiC复合材料45°方向基体裂纹的起裂应力明显小于2D-SiC/SiC复合材料,而两者0°/90°方向裂纹的起裂应力基本相同.      

SiCp/ZL101AI复合材料中的层裂微损伤演化行为

对ＳｉＣｐ／ＺＬ１０１Ａｌ复合材料进行了层裂损伤演化实验，得到了试样的层裂损伤演化图像．通过对这些微损伤演化图像的微观观察和对微损伤的统计定量分析，发现在层裂损伤演化过程中，微损伤的形成和发展不仅与应力水平、作用时间相关，而且还与材料中的微结构分布密切相关．通过层裂损伤演化实验，得到了在这种复合材料中，微裂纹在基体中的扩展速度及其与宏观应力水平的关系     

SiCp/ZL101AI复合材料中的层裂微损伤演化行为

对ＳｉＣｐ／ＺＬ１０１Ａｌ复合材料进行了层裂损伤演化实验，得到了试样的层裂损伤演化图像．通过对这些微损伤演化图像的微观观察和对微损伤的统计定量分析，发现在层裂损伤演化过程中，微损伤的形成和发展不仅与应力水平、作用时间相关，而且还与材料中的微结构分布密切相关．通过层裂损伤演化实验，得到了在这种复合材料中，微裂纹在基体中的扩展速度及其与宏观应力水平的关系     

一种微裂纹型拉伸损伤模型在混凝土材料中的应用

将包含众多不同规则微裂纹的混凝土材料视为等效微裂纹系统,结合细观微裂纹动力律与波动理论,确定了裂纹演化与应力波传播的内在关系;根据有核长大思想和能量耗散理论,建立了一种便于工程应用的混凝土类准脆性材料拉伸损伤演化方程,并由混凝土单轴拉伸实验确定了相关材料参数;进行了混凝土平板撞击和内爆炸所引起的波传播和层裂问题的数值计算。结果表明:混凝土靶板的自由面速度时程曲线呈现明显周期性震荡,震荡周期与应力波在裂片中往返一次的时间基本相同;混凝土靶板损伤空间分布和损伤云纹图与已有实验结果一致,验证了本文所建立的微裂纹型拉伸损伤模型的科学实用性。     

层裂损伤的细观数值分析

采用体胞模型的分析方法推导了材料在弹塑性变形阶段的孔洞增长方程。假设所有孔洞的内外半径之比相同,用数值方法定性分析了材料在层裂损伤过程中孔洞数密度分布的变化。通过分析孔洞数密度分布、孔洞体积累积百分比、不同大小孔洞所占体积份额的计算结果,指出初始损伤对损伤演化有直接影响。     

斜波压缩下锡的相变和层裂行为

获取不同热力学路径下锡的动态响应实验数据,是深入研究其相变和损伤物理过程的基础.利用小型磁驱装置CQ-4完成了金属锡的斜波加载实验,获取了锡含有相变和层裂损伤物理信息的实验数据.实验结果显示,在加载段锡依次经历了弹塑性转变和β-γ相变两种物理过程,屈服强度约0.194 GPa,相变压力随着锡厚度的增加从7.54 GPa减小到7.14 GPa.在卸载段出现了明显的层裂损伤,层裂强度约1.1 GPa,与相同加载压力下冲击实验结果有巨大差异,层裂片厚度约0.38 mm.结合由锡的多相Helmholtz自由能计算的多相状态方程、Hayes相变动力学方程和损伤度理论,对斜波压缩实验过程进行一维流体动力学数值模拟,计算结果可以很好描述锡的弹塑性转变、相变和层裂三个物理过程.     

延性金属层裂自由面速度曲线特征多尺度模拟研究

以延性金属钽为研究对象,对钽在平板撞击下的层裂行为进行了多尺度下的数值模拟研究,从微观视角对自由面速度曲线上的典型特征进行了新的解读。在宏观尺度,对比分析了光滑粒子流体动力学法（smootfied particle hydrodynamics, SPH）与Lagrange网格法以及几种本构模型的模拟结果及其适用性。通过与实验数据的对比表明,Steinberg-Cochran-Guinan本构模型在层裂模拟中与实验数据吻合较好,通过改变加载条件获得了不同应变率下的自由面速度曲线,分析了不同应变率下的自由面速度曲线中的典型特征。在微观尺度,采用分子动力学方法获得层裂区域内损伤演化情况,揭示了宏观尺度自由面速度曲线典型特征所蕴含的物理内涵。分析表明,层裂表现为材料内部微孔洞形核、长大和聚集的损伤演化过程,自由面速度曲线上的典型特征与层裂区域的损伤演化过程存在密切关联。Pullback信号是层裂区域内微孔洞形核的宏观表征;自由面速度曲线的下降幅值在一定程度上反映了微孔洞的形核条件,由此计算得到的层裂强度实际上是微孔洞的形核强度。此外,Pullback信号后的速度回跳速率反映了微损伤演化的速率。     

Revised damage evolution equation for high cycle fatigue life prediction of aluminum alloy LC4 under uniaxial loading

The fatigue life prediction for components is a difficult task since many factors can affect the final fatigue life. Based on the damage evolution equation of Lemaitre and Desmorat, a revised two-scale damage evolution equation for high cycle fatigue is presented according to the experimental data, in which factors such as the stress amplitude and mean stress are taken into account. Then, a method is proposed to obtain the material parameters of the revised equation from the present fatigue experimental data. Finally, with the utilization of the ANSYS parametric design language (APDL) on the ANSYS platform, the coupling effect between the fatigue damage of materials and the stress distribution in structures is taken into account, and the fatigue life of specimens is predicted. The outcome shows that the numerical prediction is in accord with the experimental results, indicating that the revised two-scale damage evolution model can be well applied for the high cycle fatigue life prediction under uniaxial loading.     

基于韧性耗散模型的损伤定量分析方法

材料的静力韧性便于工程测量,对疲劳损伤较其它宏观损伤变量更敏感。本文以材料静力韧性为宏观损伤变量,依据疲劳过程中金属材料韧性随疲劳循环加载而变化的实验结果的规律分析,得到了应力和循环数表达的损伤演化方程和损伤累积模型。该模型能较好地反映加载顺序的影响。推导出该疲劳损伤累积模型在多级加载下的递推公式。经四种金属材料疲劳试验数据验证结果表明,该模型预测疲劳寿命是较为满意的。由于疲劳试验数据分散性大,结果有待进一步验证。     

An experimental study of spallation criterion in phenolic-resin based woven roving glass fibre reinforced composite material

An experimental study of spallation in phenolic-resin based woven roving glass fibre reinforced composite material under uniaxial strain condition is reported in this paper. Experiments were carried out with a 101 mm bore single-stage light gas gun. The stress waves induced by plate impact propagate along the normal to glass fibre mats. The experiments show that the threshold of incipient spallation in this material depends strongly on the duration of stress wave and that this incipient spallation appears essentially in one layer. The criterion of spallation in this material given in this paper is in good agreement with experimental results. Besides, the spallation in phenolic-resin based obliquely laminated woven roving glass fibre reinforced composite material is also discussed in this paper.     

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为降低用来确定疲劳极限的升降法试验的工作量，以热力学为基础，引入损伤驱动力，构建 损伤演化方程. 积分此方程得到疲劳寿命与应力或应变的理论关系. 对光滑试件，根据成组 法疲劳试验结果利用最小二乘法拟合包括疲劳极限在内的材质参数. 利用损伤力学方法求得 高应力区的疲劳寿命曲线，由此递推得到低应力区寿命值和疲劳极限. 所得理论疲劳极限值 与升降法疲劳试验结果十分吻合. 节约了疲劳试验的机时、费用与人力.     

A nonlinear threshold model applied to spallation analysis

Spallation in heterogeneous media is a complex, dynamic process. Generally speaking, the spallation process is relevant to multiple scales and the diversity and coupling of physics at different scales present two fundamental difficulties for spallation modeling and simulation. More importantly, these difficulties can be greatly enhanced by the disordered heterogeneity on multi-scales. In this paper, a driven nonlinear threshold model for damage evolution in heterogeneous materials is presented and a trans-scale formulation of damage evolution is obtained. The damage evolution in spallation is analyzed with the formulation. Scaling of the formulation reveals that some dimensionless numbers govern the whole process of deformation and damage evolution. The effects of heterogeneity in terms of Weibull modulus on damage evolution in spallation process are also investigated.     

修正金属本构模型在超高速撞击模拟中的应用

为更加准确地计算93钨合金弹超高速撞击Q345钢板问题,构建了修正的金属本构模型。引入GRAY三相物态方程描述材料相态变化,采用Johnson-Cook强度模型描述撞击后期材料的力学行为。结合封加波损伤演化模型以及Johnson-Cook失效模型描述不同应力三轴度下材料的拉伸、剪切失效行为;引入曹祥提出的断裂演化模型,描述材料失效后应力归零的过程。通过对比超高速撞击数值模拟结果与实验结果,验证了本构模型的适用性,并进一步分析了典型弹靶撞击条件下破片群的空间分布特征。研究结果表明：基于修正金属本构模型获得的超高速撞击靶板穿孔直径、弹体侵蚀长度、破片群扩展速度结果与实验结果一致;GRAY三相物态方程能够相对准确地给出弹体撞击首层靶板以及剩余弹体、破片群撞击第2层靶板时弹靶材料的熔化情况;封加波损伤演化模型能够准确判断超高速撞击过程中靶板是否产生层裂破坏;综合封加波损伤演化模型、Johnson-Cook失效模型以及曹祥提出的断裂演化模型后,数值模拟获得的破片群撞击后效靶板的穿孔面积与累积数量的统计曲线结果与实验结果一致;获得了典型条件下的柱形93钨弹体超高速撞击Q345靶板破片群空间分布结果...     

纤维增强陶瓷基复合材料的D失效判据

经典唯象强度理论适用于正交各向异性线弹性体。对于非线性纤维增强复合材料,通过加卸载试验和损伤力学的分析方法,可以得到一种虚拟的线性化应力-应变关系;依据损伤等效假设,针对线性损伤和非线性损伤,对基于应力的经典二次失效准则进行变换,建立了一种基于损伤的强度理论,即“D失效判据”,这一强度理论可以作为经典判据的补充和扩展。针对平纹编织C/SiC复合材料的拉/剪组合试验,进行了实例计算,结果表明：利用D失效判据预测的失效包络线比蔡-希尔准则的预测曲线低,而且,失效曲线的形式与材料的损伤演化规律相关。