镍单晶薄膜纳米压痕的准连续介质模拟

用准连续介质方法模拟了大规模原子的镍薄膜在纳米压痕下发生初始塑性变形的行为.主要得到了:(1) 载荷-位移响应.在载荷位移曲线上除了反应晶体弹性性质的直线外还有数次的载荷突然下降过程.(2) 位错形核现象.与载荷-位移曲线上的载荷突然下降相对应的在受压的晶体上发现了位错形核现象,说明载荷的下降是因为位错形核引起的.(3) 位错的发射机制.用Peierls-Nabarro位错模型以及能量法分析了位错的发射机制,理论值与计算值吻合较好.(4) 几何必需位错密度.用一个简单的模型计算了几何必须位错密度.此外还考虑了边界条件对模拟结果的影响.     

纳米尺度下切削过程的准连续介质力学模拟

采用准连续介质力学方法模拟了镍单晶体刀具在单晶铜工件上的切削过程,深入分析了切削过程中的能量演化?应力场变化和原子位移情况等因素.结合切削过程中位错滑移等塑性行为和原子径向分布理论,揭示了切屑产生的机理,证实了切削过程中已加工表面和体相晶体结构的非晶态变化是切屑产生的主要原因.通过对纳米切削过程不同阶段的模拟表明:刀具的耕犁作用下剪切带的形成和扩展是切屑形成的初始阶段;变质层的产生是纳米切削的中间阶段并构成了加工表面组织;储存在变形晶格中的变形能超过一定值时,晶格被打破,形成非晶态结构是切屑形成的最终阶段.     

纳米压痕试验中压头尺寸效应的准连续介质法分析

采用准连续介质法模拟了单晶铝纳米压痕试验过程,分析了不同宽度的刚性矩形压头所引起的初始塑性变形特点,获得了载荷-压深、应变能-位移和硬度-压深曲线.从位错理论的角度分析了压头尺寸对纳米压痕测试结果的影响.研究发现:随着压头宽度的不断增大,压头下方位错形核所需要的载荷和压深程度增大,需要的应变能增加,应变能的变化速率递增,纳米硬度值减小,呈现出明显的尺寸效应.同时表明在一定的压人深度下,硬度与压头尺寸之间存在着一定的比例关系,不同尺寸压头获得的硬度值可以相互换算,但当矩形刚性压头宽度大于或等于120A时这种尺寸效应消失.研究结果为纳米压痕实验过程中压头尺寸的选择提供了参考依据.     

FCC铝纳米压痕的多尺度模拟

采用准连续介质方法模拟面心立方(FCC)铝单晶薄膜在纳米压痕下产生的变形过程.分别用四种不同的压头宽度,得出载荷-位移响应曲线和应变能变化曲线,发现压头宽度越大,晶体产生塑性变形的临界载荷越大;临界载荷的大小和采用能量理论预测的大小基本一致;模拟过程中,观察到位错成核现象,了解到载荷-位移响应曲线的突降是由位错成核现象所引起,四种情况中压头载荷的降幅大致相同;最后分析了模型在原子层次下的变形机理.     

晶体位错尺寸效应的多尺度分析

本文采用准连续介质多尺度方法,分析了面心立方（fcc）晶体铝阶梯孪晶界在不同尺寸情况下（试件尺寸长高比从1：1到8：1）受剪切作用的晶界变形。了解在不同尺寸下,晶界结构位错的成核过程,得到了大试件比值与小试件比值下作用力与应变的关系曲线及不同试件尺寸下应变能的变化曲线。其中随着试件比值的增加,作用力在应变比较小的时候变化情况相似,但当应变达到3％以后,呈现出明显的不同;应变能随试件长高比的增大而减小,各个试件在各自不同的加载阶段,应变能变化趋势同作用力变化趋势相一致。本计算揭示了不同尺寸下阶梯孪晶界在剪切作用下的微观机理,证实其尺寸效应性质。     

延性单晶非均匀变形的三维有限元模拟

对延性单晶在拉伸载荷作用下的应变局域化和颈缩等非均匀变形过程进行了三维有限元数值模拟。将相关晶体塑性本构模型及一种新的数值积分方法补充到ABAQUS6.1商用有限元软件中。该方法的特点是，利用晶体塑性的动力学方程，获得一个关于晶体弹性变形梯度的演化方程，采用半隐式积分方案进行求解。本文推导出一种新的应力变本构矩阵。按此方式更新本构矩阵，计算速度和计算稳定性大大提高。加载方式，边界条件和变形程度等因素影响着滑移系的启动状况，这是平面模型所不能预测的。本文利用三维有限元方法模拟了不同取向下滑移系的启动状况，全面地考虑了FCC单晶材料12个可能滑移系在变形过程中的启动状况，合理地模拟了FCC面心立方单晶沿不同取向加载时晶轴旋转导致的应变局域化和颈缩等非均匀变形过程。     

准静态变形破坏的近场动力学分析

基于近场动力学理论,提出新的更能反映非局部长程力特性的物质点间作用力函数,并通过在物质点运动方程中引入局部阻尼、构造分级加载算法和系统失衡判断准则,实现了采用统一的近场动力学模型和算法进行从准静态变形、裂纹萌生和扩展直至结构破坏全过程的连续模拟和准确定量计算。     

磁驱动准等熵压缩下LY12铝的强度测量

高压高应变率加载下材料的强度研究一直是冲击动力学的一个难题,目前动态载荷下材料的高压强度测量主要是基于平板撞击技术,冲击温升和应变率效应对材料强度的影响难以分离. 基于小型磁驱动加载装置CQ-4,开展了磁驱动准等熵压缩下LY12 铝的声速和强度测量的实验研究,讨论了考虑加载-卸载过程时磁驱动压缩实验的负载电极设计、实验样品设计、数据处理与分析等内容,并获得了12 GPa 压力范围沿加载-卸载路径的声速变化和峰值压力点的强度数据.      

钛合金在低温下的高速变形特性和绝热剪切

采用SHPB技术在室温和低温下,对相钛合金TB-2的高速变形特性和绝热剪切进行了宏观和微观研究。结果表明,TB-2是一个对应变率和温度敏感的材料,其热粘塑性本构特性可表为 =(0+E1（1+gln/0）（1-（T-Tn） /Tn）显微观察表明,TB2在低温下比在常温下对绝热剪切更敏感。低温下绝热剪切带的形态和结构也和常温下有所不同。把文献[9]所建议的绝热剪切的热粘塑性失稳准则,应用到不同的环境温度下,本文建议了一个既依赖于应变和应变率,又依赖于环境温度的三变量准则。理论预示和试验结果符合较好。     

显式方法精确模拟形状记忆合金循环荷载下的变形行为

本文提出全新的有限弹塑性J2流方程,用来显式、精确地模拟SMAs（形状记忆合金）材料在循环加载-卸载条件下从塑性逐渐转变为伪弹性的变形行为．首先,改进流动法,使得本构方程耦合屈服中心的移动和屈服面的增大,并改进背应力演化方程,使模型可以产生强烈的包辛格效应,从理论上具备模拟SMAs独特变形行为的能力;其次,构造全过程下的统一硬化函数显式表达式,代入本构方程后能得到符合要求的形函数;再次,利用选定的数据点构造统一光滑的上屈服函数,再利用上下屈服应力之间的一种线性关系,推导得到下屈服阶段的形函数;最后,只需要给定一个参数就可以得到单个循环结果,利用拉格朗日插值方法构建参数随循环次数变化的函数,就可以模拟任意循环荷载下的变形行为．通过模型结果和实验数据对比证明新方法的有效性．     

QUASICONTINUUM SIMULATION OF NANOINDENTATION OF NICKEL FILM

A large-scale atom simulation of nanoindentation into a thin nickel film using thequasicontinuum method was performed. The initial stages of the plasticity deformation of nickelwere studied. Several useful results were obtained as follows: (1)The response of the load versusindentation depth—on the load versus indentation depth curve, besides the straight parts cor-responding to the elastic property of nickel, the sudden drop of the load occurred several times;(2) The phenomena of dislocation nucleation—the dislocation nucleation took place when theload descended, which makes it clear that dislocation nucleation causes the drop of the load;(3)The mechanism of the dislocation emission—the Peierls-Nabarro dislocation model and a pow-erful criterion were used to analyze the dislocation emission. And the computational value was ingood agreement with the predict value; (4) The density of geometrically necessary dislocations.A simple model was used to obtain the density of geometrically necessary dislocations beneaththe indenter. Furthermore, the influence of the boundary conditions on the simulation results wasdiscussed.     

基于耐撞性的塑性变形教学改革

塑性变形是力学的重要教学内容之一,在横力弯曲变形、塑性铰等教学过程中存在偏重概念和理论推导,缺乏实际工程背景等问题。为了提高学生学习兴趣,提出以飞行器和汽车等运载装备耐撞性能需求的塑性变形教学改革模式。首先从实际运载装备在冲击事故中的乘员安全需求为牵引,引出耐撞性工程问题,通过合理假设建立力学模型,建立与塑性变形、塑性铰等教学内容的联系,推导预测压溃载荷的理论公式,让学生体会到理论学习的重要性,通过误差分析让学生理解力学模型的局限性并提高模型精度,提升学生学习兴趣。通过航天器迫降、圆管多边形破坏模式、点阵结构等工程和学术前沿问题,开拓学生视野,进一步夯实理论基础,提高创新能力。

     

椭球壳体液压成形的塑性变形规律的研究

采用大变形弹塑性有限元法对椭球壳体的液压成形过程进行了模拟，结果表明壳体成形时，各点塑性变形不是同时发生的，并对壳体塑性变形的扩展过程和点的加载轨迹进行了研究，证明了壳体在胀形时焊缝区受到弯曲作用的影响，同时还成形后的椭球壳体的壁厚分布及壳体尺寸进行了预测。     

内压椭球壳塑性变形的发生部位与扩展过程分析

对内压椭球的就发布作了图形描述，指出椭球壳上一点的应力状态只与壳体的轴比λ和该点在壳体上的位置有关，并进一步分析了内压椭球壳的塑性变形的发生部位及其扩展过程。     

磁电弹复合材料和刚性导电导磁圆柱压头的二维微动接触分析

本文求解平面应变状态下磁电弹复合材料半平面和刚性导电导磁圆柱压头的二维微动接触问题。假设压头具有良好的导电导磁性,且表面电势和磁势是常数。微动接触依赖载荷的加载历史,所以首先求解单独的法向加载问题,然后在法向加载问题的基础上求解循环变化的切向加载问题。整个接触区可以分为内部的中心粘着区和两个外部的滑移区,其中滑移区满足Coulomb摩擦法则。利用Fourier积分变换,磁电弹半平面的微动接触问题将简化为耦合的Cauchy奇异积分方程组,然后数值离散为线性代数方程组,利用迭代法求解未知的粘着/滑移区尺寸、电荷分布、磁感应强度、法向接触压力和切向接触力。数值算例给出了摩擦系数、总电荷和总磁感应强度对各加载阶段的表面接触应力、电位移和磁感应强度的影响。     

EXPERIMENTAL PLASTIC DEFORMATION ANALYSIS BY MEANS OF THERMOPLASTIC EFFECT

This paper proposes a new experimental method of quantitative plastic deformationanalysis by means of the thermoplastic effect. The incremental plastic strain distribution for a singleshear specimen was obtained by using this method.     

基于能量极值原理的单晶体塑性滑移的有限变形分析

对FCC单晶体的率无关弹塑性力学响应的本构关系进行了数值模拟.用一个基于能量极值原理的数值计算方法来处理复杂的多面塑性问题.这种算法可以有效地模拟单晶体多滑移系的启动.在这一理论框架下,增量的应力应变关系可以从所构造的能量函数中推导出来.对于滑移系激活情况的判定则可转化为求解活动约束的非线性数学规划问题.通过对时间的离散,此问题又可细化为逐步二次规划问题,并采用有效集法来搜索启动滑移系,进而求得弹塑性本构关系.数值结果表明该方法具有稳定、收敛、可行的特点.在数值计算的基础上研究了单轴拉伸下晶体的不同取向对单晶体硬化程度和滑移系激活情况的影响.     

主应力轴旋转对软土塑性变形影响分析

在姜洪伟所提出的软土各向异性弹塑性本构关系基础上，考虑类似于砂土的Ｒ－旋转试验条件，计算了软土由于主应力轴旋转所产生的塑性变形，对不同中主应力比情况下的变形规律进行分析，解释忽略主应力轴旋转影响将使设计偏于不安全的原因。