非比例循环塑性内时本构关系研究

在Valanis的内时本构理论的框架中,引入内结构张量以反映由于非比例加载而引起金属材料的附加等向强化及异向强化效应,同时提出材料强化程度的度量采用沿路径法线方向的塑性应变分量来描述.这些考虑的有效性已经通过用所建模型对304不锈钢材料在一些典型非比例循环加载路径下的响应进行的理论预测得到了验证;将该模型应用于U71Mn材料室温单轴棘轮行为描述中,结果显示内结构张量的引入不仅能较好地反映应变控制下的非比例附加效应,而且也能较好地反映应力控制下塑性应变的累积及变化率.     

带接头管道在内压与循环载荷作用下的棘轮行为研究

液压管道在服役过程中受内压和循环弯曲载荷的共同作用．管道经常处于非比例循环加载状态,尤其是在管道接头位置处,容易产生棘轮行为,对管道的服役寿命有不利影响．因此,本文采用充液管道悬臂弯曲加载方式,对管道在接头位置处的棘轮响应进行研究。首先通过管材实验确定了材料的非线性等向/随动强化模型参数,并通过应变的实验测量结果与数值仿真结果的比较,验证了本构模型的有效性,然后建立了悬臂管道的有限元模型,模拟分析内压水平,内压小幅脉动,管道壁厚等因素对管道棘轮行为的影响．通过对带接头管道棘轮行为的研究分析,为进一步完善液压管道的设计,提高液压管道的可靠性,提供一定的理论基础．     

棘轮安定曲线在不锈钢压力容器应变强化技术中的应用

应变强化是不锈钢压力容器结构实现轻型化的重要途径,而应变强化内压的确定则是应变强化技术的核心。为了能够更准确有效地达到结构应变强化的目的,对循环加载的应变强化方式进行了研究。通过304不锈钢材料的室温单轴棘轮试验,建立了应力比R0条件下的棘轮安定曲线。根据Mises等效原理,利用该曲线通过一次弹塑性有限元分析直接获得结构在循环载荷作用下的强化内压和产生的塑性应变,与试验结果吻合较好,说明运用循环加载的应变强化方式可以有效地达到应变强化的目的。在达到相同的应变强化程度要求下,该方法降低了强化内压,因此可以减小过载加压的风险。     

压力容器斜接管区域应力状态的实验研究

压力容器接管区域应力场的获得是压力容器强度分析和结构设计的基础。本文采用实验研究的方法,对压力容器斜接管区域的应力状态进行分析研究。根据实验研究的目的,按照工程设计标准设计、制造了一台大型带有两个斜接管压力容器的实验模型,进行了实验方案设计,采用电测法进行了容器斜接管区域的应力测试,在实验数据科学、合理处理的基础上,获得了容器斜接管区域的应力状态和分布规律。实验研究结果表明,容器斜接管锐角侧、钝角侧和相贯线最低点都存在着较大的局部应力,且锐角侧的局部应力数值最大,但是相贯线上的局部应力影响范围较小。     

Ce—TZP结构陶瓷相变塑性区实验研究

用云纹干涉法对ＺｒＯ＿２相变多晶体三点弯曲梁切口周围应力诱导的相变塑性区进行了实验研究，得到了三点弯曲梁切口周围相变塑性区的形状及相变塑性分布。实验结果表明：Ｃｅ－ＴＺＰ结构陶瓷切口周围存在一个较长的扩展相变塑性区，相变塑性区内拉伸应力方向的塑性应变远大于垂直于拉伸应力方向的塑性应变。所得实验结果为进一步深入研究相变本构关系和相变增韧机理提供了重要的实验依据。     

S30408低温棘轮效应本构描述

S30408奥氏体不锈钢因其优异的力学性能和耐低温性能而被广泛用于制作LNG等低温罐车罐体的内容器。此类罐体的内容器在其支撑部位不但承受内压引起的恒定应力还会承受惯性载荷引起的交变应力,容易发生渐进的塑性应变累积即棘轮效应。但目前还缺乏有效预测S30408低温棘轮效应的本构描述。利用几种较为先进的本构模型对低温S30408奥氏体不锈钢棘轮应变进行模拟,发现这些本构模型存在循环初期过低预测和循环后期过高预测的缺点,并且这种过高预测会随着循环圈数的增加而增大。基于Ohno - Wang II模型,关联形变马氏体含量与各向同性强化与随动强化,并给出马氏体极限含量dL的演化规律,进而提出一种含马氏体相变的循环塑性本构模型。与其它模型相比,该模型能有效改善在循环初期预测值过低和后期预测值过高的情况,同时能够较好地预测循环加载过程中形变马氏体的含量。     

316L不锈钢随动强化模型改进研究

本文对316L不锈钢进行了单轴与多轴非比例路径下的应力控制棘轮试验,考察了应力幅值、平均应力和加载历程对棘轮特性的影响。同时进行了应变控制循环试验以研究材料的应力松弛特性。试验结果表明轴向棘轮效应在对称剪切荷载下效果明显,同时棘轮应变随应力幅值和平均应力的增加而增加。研究了Chen-Jiao随动强化模型与Jiang-Sehitoglu随动强化模型采用的单轴与多轴参数对背应力分量增量方向的影响,将Chen-Jiao模型中的多轴系数替换为界面饱和率,并在此基础上引入新的参数对塑性模量系数进行修正,计算结果表明修正后的模型能提升应力控制下多轴棘轮的预测精度,并能很好的预测应力松弛现象,表明了新模型的正确性与有效性。     

S30408低温棘轮效应本构描述

S30408奥氏体不锈钢因其优异的力学性能和耐低温性能而被广泛用于制作LNG等低温罐车罐体的内容器。此类罐体的内容器在其支撑部位不但承受内压引起的恒定应力还会承受惯性载荷引起的交变应力,容易发生渐进的塑性应变累积即棘轮效应。但目前还缺乏有效预测S30408低温棘轮效应的本构描述。利用几种较为先进的本构模型对低温S30408奥氏体不锈钢棘轮应变进行模拟,发现这些本构模型存在循环初期过低预测和循环后期过高预测的缺点,并且这种过高预测会随着循环圈数的增加而增大。基于Ohno - Wang II模型,关联形变马氏体含量与各向同性强化与随动强化,并给出马氏体极限含量dL的演化规律,进而提出一种含马氏体相变的循环塑性本构模型。与其它模型相比,该模型能有效改善在循环初期预测值过低和后期预测值过高的情况,同时能够较好地预测循环加载过程中形变马氏体的含量。     

准脆性材料的弹塑性各向异性损伤耦合本构模型研究

针对准脆性材料的非线性特征：强度软化和刚度退化、单边效应、侧限强化和拉压软化、不可恢复变形、剪胀及非弹性体胀,在热动力学框架内,建立了准脆性材料的弹塑性与各向异性损伤耦合的本构关系。对准脆性材料的变形机理和损伤诱发的各向异性进行了诠释,并给出了损伤构形和有效构形中各物理量之间的关系。在有效应力空间内,建立了塑性屈服准则、拉压不同的塑性随动强化法则和各向同性强化法则。在损伤构形中,采用应变能释放率,建立了拉压损伤准则、拉压不同的损伤随动强化法则和各向同性强化法则。基于塑性屈服准则和损伤准则,构建了塑性势泛函和损伤势泛函,并由正交性法则,给出了塑性和损伤强化效应内变量的演化规律,同时,联立塑性屈服面和损伤加载面,给出了塑性流动和损伤演化内变量的演化法则。将损伤力学和塑性力学结合起来,建立了应变驱动的应力-应变增量本构关系,给出了本构数值积分的要点。以单轴加载-卸载往复试验识别和校准了本构材料常数,并对单轴单调试验、单轴加载-卸载往复试验、二轴受压、二轴拉压试验和三轴受压试验进行了预测,并与试验结果作了比较,结果表明,所建本构模型对准脆性材料的非线性材料性能有良好的预测能力。     

考虑塑性应变记忆恢复的循环棘轮本构模型研究

在统一粘塑性循环本构理论框架下,以Ohno-Abdel-Karim非线性随动硬化模型为基础,建立了一个循环本构模型。模型通过引入塑性应变幅值记忆效应,并在塑性应变记忆项中加入恢复系数,提高了对循环硬化材料单轴棘轮行为的预言能力。将模型应用于316L不锈钢单轴棘轮行为的描述中,模拟不同平均应力、应力幅值下的棘轮应变,均与实验数据吻合较好,证明本文改进的本构模型能合理地描述循环硬化材料的单轴棘轮行为。     

棘轮效应预测及其循环本构模型研究进展

棘轮应变累积广泛存在于压力容器和管道、轮轨接触疲劳、紧固连接和密封技术等工程问题中,是工程设计中必须考虑的重要因素.棘轮可以表现为单轴棘轮效应或多轴棘轮效应,材料的棘轮效应或结构的棘轮效应.本文介绍近年来棘轮效应的最新研究进展,对近年提出的描述材料棘轮效应的循环本构理论作了较详细的评述,对模型的预测能力和存在的问题进行了讨论,并对今后的工作提出了建议.      

Incremental collapse of thick-walled circular cylinders under steady axial tension and torsion loads and cyclic transient heating

The accumulation of plastic strain over a number of cycles of heating and cooling of the outer surface of a loaded thick-walled circular cylinder is computed. Two types of loadings are considered, viz. pure axial torsion and a combination of torsion and tension. The cylinder material is taken to be isotropic and linear strain-hardening; its yield stress reduces with temperature and with the number of thermal cycles completed. This cyclic softening is shown to produce an incremental collapse or ratcheting behaviour in contrast to the alternating plasticity which occurs when the yield stress on first loading is maintained.     

304不锈钢室温和高温单轴循环塑性的实验研究

对304不锈钢进行了室温和高温单轴应变控制和应力控制下的系统循环试验。揭示和分析了循环应变幅值、平均应变及其历史和温度历史对材料应变循环特性的影响以及应力幅值、平均应力及其历史以及温度对循环棘轮行为的影响。也讨论了应变循环和应力循环间交互作用对材料循环塑性行为的影响。研究表明,无益单轴应变循环特性还是非对称单轴应力循环下的棘轮效应不仅取决于当前温度和加载状态,而且强烈依赖于其加载历史。研究得到了一些有助于304不锈钢室温和高温单轴循环行为本构描述的结果。     

An advancement in cyclic plasticity modeling for multiaxial ratcheting simulation

In a search for a constitutive model for ratcheting simulations, the models by Chaboche, Ohno–Wang, McDowell, Jiang–Sehitoglu, Voyiadjis–Basuroychowdhury and AbdelKarim–Ohno are evaluated against a set of uniaxial and biaxial ratcheting responses. With the assumption of invariant shape of the yield surface during plastic loading, the ratcheting simulations for uniaxial loading are primarily a function of the plastic modulus calculation, whereas the simulations for multiaxial loading are sensitive to the kinematic hardening rule of a model. This characteristic of the above mentioned models is elaborated in this paper. It is demonstrated that if all parameters of the kinematic hardening rule are determined from uniaxial responses only, these parameters primarily enable a better plastic modulus calculation. However, in this case the role of the kinematic hardening rule in representing the ratcheting responses for multiaxial loading is under-appreciated. This realization motivated many researchers to incorporate multiaxial load dependent terms or parameters into the kinematic hardening rule. This paper evaluates some of these modified rules and finds that none is general enough to simulate the ratcheting responses consistently for the experiments considered. A modified kinematic hardening rule is proposed using the idea of Delobelle and his co-workers in the framework of the Chaboche model. This new rule introduces only one multiaxial load dependent parameter to the Chaboche model, but performs the best in simulating all the ratcheting responses considered.     

304不锈钢室温单轴循环棘轮行为的粘塑性本构描述

在统一粘塑性循环本构模型的框架下对循环硬化的304不锈钢的单轴棘轮行为进行了本构描述。模型中通过随动硬化背应力演化和各向同性变形阻力演化对304不锈钢在非对称应力循环下的循环附加硬化和循环流动特性进行了分析，同时考虑了加载历史对循环棘轮行为的影响。将模型应用于304不锈钢室温单轴循环棘轮行为及其对加载历史依赖性的描述中，预言结果与实验结果吻合较好。     

Anatomy of coupled constitutive models for ratcheting simulation

This paper critically evaluates the performance of five constitutive models in predicting ratcheting responses of carbon steel for a broad set of uniaxial and biaxial loading histories. The models proposed by Prager, Armstrong and Frederick, Chaboche, Ohno-Wang and Guionnet are examined. Reasons for success and failure in simulating ratcheting by these models are elaborated. The bilinear Prager and the nonlinear Armstrong-Frederick models are found to be inadequate in simulating ratcheting responses. The Chaboche and Ohno-Wang models perform quite well in predicting uniaxial ratcheting responses; however, they consistently overpredict the biaxial ratcheting responses. The Guionnet model simulates one set of biaxial ratcheting responses very well, but fails to simulate uniaxial and other biaxial ratcheting responses. Similar to many earlier studies, this study also indicates a strong influence of the kinematic hardening rule or backstress direction on multiaxial ratcheting simulation. Incorporation of parameters dependent on multiaxial ratcheting responses, while dormant for uniaxial responses, into Chaboche-type kinematic hardening rules may be conducive to improve their multiaxial ratcheting simulations. The uncoupling of the kinematic hardening rule from the plastic modulus calculation is another potentially viable alternative. The best option to achieve a robust model for ratcheting simulations seems to be the incorporation of yield surface shape change (formative hardening) in the cyclic plasticity model.     

Inspection of ratcheting models for pathological error sensitivity and overparametrization

Meccanica - Accurate analysis of plastic strain accumulation under stress-controlled cyclic loading is vital for numerous engineering applications. Typically, models of plastic ratcheting are...