中子辐照金属材料的脆化模型研究

金属材料的辐照脆化问题一直以来都是核能安全领域亟待解决的关键问题之一.为了更准确地预测金属材料的辐照脆化行为,基于Johnson-Cook本构模型,将未辐照金属材料的断裂真应力取作辐照材料的断裂真应力,建立了通过辐照退火态金属材料屈服强度就能够预测其整个真应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线,以及断裂真应变的辐照脆化模型.实验研究了不同中子剂量辐照退火态高纯铝的准静态拉伸真应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线、断裂真应力和断裂真应变随辐照剂量的变化规律.结果表明,辐照剂量越高,高纯铝的屈服强度越高,断裂真应变越低,但断裂真应力几乎不变.通过TEM显微分析获得了高纯铝内部辐照缺陷的尺寸和数密度随辐照剂量的变化规律,结果表明,辐照剂量越高,孔洞的尺寸和数密度越高,但位错环尺寸和数密度始终很小,难以准确统计.由辐照高纯铝实验数据拟合得到了辐照脆化模型所需参数,并检验了该模型的预测效果.结果表明,无论是通过实验还是显微分析得到辐照高纯铝的屈服强度,模型的预测结果均能够与实验结果较好地吻合,且模型对退火态高纯铝临界中子剂量的预测值也与文献结果一致.      

随机桁架结构几何非线性问题的混合摄动-伽辽金法求解

提出应用混合摄动$\!$-$\!$-$\!$伽辽金法求解随机桁架结构的几何非线性问题.将含位移项的随机割线弹性模量以及随机响应表示为幂多项式展开,利用高阶摄动方法确定随机结构几何非线性响应的幂多项式展开的各项系数.将随机响应的各阶摄动项假定为伽辽金试函数,运用伽辽金投影对试函数系数进行求解,从而得到随机桁架结构几何非线性响应的显式表达式.同已有的随机伽辽金法相比,本文所给的试函数由摄动解的线性组合而成,在求解非线性问题时,试函数的获取具有自适应性.数值算例结果表明,对于具有不同概率分布的多随机变量问题,本文方法无需对随机变量的概率分布形式进行转换,避免了转换误差,因而比同阶的广义正交多项式方法(generalizedpolynomial chaos, GPC)计算精度高.同时,在结果精度相当时,和GPC方法相比,本文方法得到的试函数系数的非线性方程维度不大,方程的求解工作量小且更易求解.当随机量涨落较大时,混合摄动$\!$-$\!$-$\!$伽辽金法计算所得的结构响应的各阶统计矩比高阶摄动法所得结果更逼近于蒙特卡洛模拟结果,显示了该方法对几何非线性随机问题求解的有效性.      

弹簧-金属丝网橡胶组合减振器迟滞力学模型及实验研究

金属丝网橡胶材料是一种完全由金属丝编织成的多孔复合材料,与传统螺旋卷制金属橡胶材料相比,其改进了成型工艺,剔除了制备过程中大量的手工工艺干扰,提高机械化程度,重合度更高,拥有更稳定的力学性能.由于金属丝网橡胶材料具有承载能力高、阻尼大、耐高温、耐低温、耐老化、抗油抗腐蚀等优良特性,在很多方面强于传统橡胶,多用于航空航天、船舶、军事武器等军工工业.弹簧$\!$-$\!$-$\!$金属丝网橡胶组合减振器具有可设计刚度和较高承载能力,但因其具有复杂的非线性迟滞特性,目前相关材料的本构模型还难以准确描述其力学特性.本文在弹簧$\!$-$\!$-$\!$金属丝网橡胶组合减振器静态迟滞力学性能实验的基础上,结合其干摩擦阻尼迟滞特性,提出了一种迟滞力学性能理论模型.根据减振器迟滞实验恢复力$\!$-$\!$-$\!$位移曲线特点,利用参数分离的方法将迟滞曲线分解为弹性恢复力和干摩擦阻尼力,分别建模求解等效刚度和干摩擦阻尼系数,以此建立了组合减振器理论模型,并与实验结果进行对比及进行误差分析,验证了理论模型的准确性.      

复合材料水翼水动力与结构强度特性数值研究

针对复合材料水翼存在的流固耦合求解问题,结合其自身特有属性,对复合材料水翼结构变形特性进行了数值仿真计算研究.研究建立了复合材料水翼流固耦合数值计算模型,并将数值计算结果与Zarruk等的实验结果进行对比,验证模型的正确性,得出复合材料水翼尖端扭转角随雷诺数的增加而增加的研究结论.基于数值计算模型,系统地研究了不同铺层角对复合材料水翼水动力特性及强度特性的影响,结果表明:不同铺层角复合材料水翼的尖端扭转角,随铺层角的增大而减小,而其尖端位移量随铺层角的增大先减小后增大.为了削弱工程常数的影响对复合材料水翼变形的影响,研究提出了无量纲扭转角和无量纲位移量,进一步探究复合材料水翼结构的弯扭耦合作用对其变形特性的影响.最后利用蔡$\!$-$\!$-$\!$吴失效准则进行复合材料水翼强度特性的判断和分析,结果表明:不同铺层角复合材料水翼的蔡$\!$-$\!$-$\!$吴系数,随铺层角的增大呈现先减小后增大的趋势,其中0$^\circ$铺层时的复合材料水翼蔡$\!$-$\!$-$\!$吴系数最小,50$^\circ$铺层时的复合材料水翼的蔡$\!$-$\!$-$\!$吴系数最大.      

低碳钢压缩应力-应变曲线的讨论

针对当前材料力学、工程力学教材中低碳钢受压极限强度无法测定的结论，通过对 低碳钢压缩$F$-$\Delta l$曲线进行二次处理，获得了低碳钢压至鼓状的真 实$\sigma _t $-$\varepsilon _t $曲线，有利于学生对名义$\sigma $-$ \varepsilon $, 真实$\sigma_t$ -$ \varepsilon _t $, 极限应力概念的正确理解.     

基于分子动力学的氧化石墨烯拉伸断裂行为与力学性能研究

与石墨烯相比,氧化石墨烯(graphene oxide, GO)的亲水性、分散性和反应活性更好,更易于作为增强材料而研发生成性能超常的复合材料,但另一方面,由于其电子结构较为复杂,致使目前有关力学方面的研究存在一定差异.本文利用分子动力学方法,建立了羟基、羧基和环氧基等官能团随机分布的GO原子模型;通过单向拉伸模拟,分析了其断裂行为,结果表明,远离羟基和羧基的环氧基对断裂具有"诱导"作用,并从化学成键、体系能量和应力分布三个角度对其机理进行了阐释;此外,进一步研究了拉伸应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线、极限强度、极限应变等力学性能与含氧官能团覆盖度间的关系,结果表明,极限强度、极限应变均随含氧官能团覆盖度的增大而呈减小趋势.分析认为,主要原因是官能团的出现对石墨烯面内的sp$^{2}$杂化形式造成了破坏,进而使得原子间键合能弱化,随着含氧官能团的覆盖度的增大,被弱化的键合能的数量和程度将越大,从而使得GO的极限强度、极限应变等越低. 研究结果可为GO的基础研究和工程应用提供参考.      

开裂孔隙材料渗透率的细观力学模型研究

采用细观力学方法对含随机裂纹网络的孔隙材料渗透性进行研究.开裂孔隙材料渗透性的影响因素包括裂纹网络的密度、连通度、裂纹的开度以及孔隙材料基体渗透性.对于不连通的裂纹网络,该文采用已有的相互作用直推法(interaction direct derivative,IDD)的理论框架,引入裂纹的密度$\rho$和裂纹开度比$b$,提出了裂纹夹杂$\!$-$\!$-$\!$基体两相复合材料渗透率的IDD理论解.对于部分连通裂纹网络,考虑局部裂纹团内部各个裂纹对有效渗透率的相互放大作用,引入裂纹网络的连通度$f$,定义与连通度相关的水平裂纹密度$\rho^{h}$,按照增量法将表征连通特征的水平裂纹嵌入有效基体中,以此方式来考虑裂纹夹杂间的相互搭接,提出了考虑裂纹连通特征的扩展IDD理论解,分别考虑了基体材料渗透率$K_{m}$、裂纹密度$\rho $、裂纹开度比$b$以及与连通度$f$相关的$\rho ^{\rm h}$.最后通过对有限区域内含随机裂纹网络孔隙材料渗透过程的有限元模拟分别验证了不连通和部分连通裂纹网络扩展IDD模型的适用性:(1)当裂纹不连通时,由于基体对流体渗透的阻隔作用,裂纹的开度对有效渗透率影响不大;(2)当裂纹部分连通时,裂纹密度分别小于1.1(无关联裂纹网络,分形维数为2.0)、1.2(关联裂纹网络,分形维数为1.75)时,扩展IDD模型能够很好地估计开裂孔隙材料的有效渗透率,但是随着裂纹进一步扩展,最大裂纹团主导作用凸显,扩展IDD模型不再适用.      

轴对称壳体子单元弹塑性分析

在壳体的弹塑性分析中。当壳体的材料从某一个表面开始进入塑性变形范围时,应力和应力-应变关系沿壳体厚度不再成线性变化,因而不能由显式得到应力沿壳厚的积分值,必须在有限单元法计算中应用数值积分。本文在以直母线锥形单元离散轴对称壳体结构的前提下,进一步以子单元离散锥形单元,使得原来一个必须用三维屈服曲面描述的弹塑性问题能以二维屈服曲面来表征。 本文取用了Prandtle-Ruess塑性坛量理论的等向强化Mises屈服准则的本构方程。非线性结构平衡方程以载荷坛量切线模量法求解。为提高解方程的精度,本文应用了-阶自修正技巧。 为验证理论计算的精度和可靠性,本文把理论计算结果与加劲圆柱壳型性试验值作了比较,两者结果相当一致。     

功能梯度材料纯弯曲梁的弹塑性分析

假设功能梯度材料为一理想弹塑性材料,其弹性模量和屈服强度沿梁高度方向按照幂函数变化,在小变形及平截面假设下研究功能梯度材料纯弯曲梁的弹塑性性能.根据Mises屈服准则导出了纯弯曲梁的弹性极限弯矩的解析表达式,建立了梁在弹塑性状态时截面弯矩与截面弹、塑性区分布之间的关系式,给出了梁进入塑性极限状态时中性轴的位置以及塑性极限弯矩的解析计算公式.数值算例的结果表明,功能梯度材料梁的弹塑性性能与均匀材料梁不同,其屈服不一定首先产生于截面最大应力点,而可能有多种不同的屈服模态及相应的塑性扩展.弹性模量及屈服强度的梯度变化对功能梯度材料纯弯曲梁的中性轴位置、截面弹塑性应力分布以及塑性极限弯矩均有较大影响.研究结果可为功能梯度材料梁的弹塑性分析提供一定的参考.     

正交各向异性韧性材料应力-应变关系

采用大变形弹塑性有限元方法分析了各向同性和正交各向异性韧性材料光滑圆棒拉伸试件的颈缩问题．首先给出了采用计算机模拟确定各向同性韧性材料真实应力-应变曲线的具体方法；对正交各向异性韧性材料的分析表明，颈缩截面呈椭圆形，其长短轴方向的等效塑性应变基本上均匀分布，与Bridgman假设一致；轴向拉伸载荷-位移曲线与其它两方向的各向异性参数关系不大．在此基础上，建议了一种确定正交各向异性韧性材料真实应力-应变曲线的方法．     

半结晶聚合物损伤演化的实验表征与数值模拟

损伤本构模型对研究材料的断裂失效行为有重要意义, 但聚合物材料损伤演化的定量表征实验研究相对匮乏. 通过4种高密度聚乙烯(high density polythylene, HDPE)缺口圆棒试样的单轴拉伸实验获得了各类试样的载荷-位移曲线和真应力-应变曲线, 采用实验和有限元模拟相结合的方法确定了HDPE材料不同应力状态下的本构关系, 并建立了缺口半径与应力三轴度之间的关系;采用两阶段实验法定量描述了4种HDPE试样单轴拉伸过程中的弹性模量变化, 并建立了基于弹性模量衰减的损伤演化方程, 结合中断实验和扫描电子显微镜分析了应力状态对HDPE材料微观结构演化的影响. 结果表明缺口半径越小, 应力三轴度越大, 损伤起始越早、演化越快; 微观表现为: 高应力三轴度促进孔洞的萌生和发展, 但抑制纤维状结构的产生;基于实验和有限元模拟获得的断裂应变、应力三轴度、损伤演化方程等信息提出了一种适用于聚合物的损伤模型参数确定方法, 最后将本文获得的本构关系和损伤模型用于HDPE平板的冲压成形模拟, 模拟结果与实验结果吻合良好.      

准静态条件下金属材料的临界断裂准则研究

本文针对9种金属材料完成了具有不同约束程度的10类试样的延性断裂试验, 获得了发生拉、压、扭和裂尖断裂等破坏形式构型试样的载荷-位移试验关系; 基于圆棒漏斗试样拉伸试验所得直至破坏的载荷-位移曲线, 采用有限元辅助试验(finite-element-analysis aided testing, FAT)方法得到了9种材料直至破坏的全程等效应力-应变曲线, 以此作为材料本构关系通过有限元分析获得了各类试样直至临界破坏的载荷-位移关系模拟. 载荷-位移关系模拟结果与试验结果有较好的一致性, 表明用于解决试样颈缩问题的FAT方法所获得的全程材料本构关系针对各向同性材料具有真实性和普适性. 对应9种材料、10类试样的36 个载荷-位移临界断裂点, 通过有限元分析获得了对应的材料临界断裂应力、应变与临界应力三轴度, 研究表明, 第一主应力在延性变形过程中为主控断裂的主导参量; 通过研究光滑、缺口、裂纹等构型试样的断裂状态, 提出了$-1$至3范围的应力三轴度下由第一主应力主控的统一塑性临界断裂准则.      

Ordinary state-based peridynamics for plastic deformation according to von Mises yield criteria with isotropic hardening

This study presents the ordinary state-based peridynamic constitutive relations for plastic deformation based on von Mises yield criteria with isotropic hardening. The peridynamic force density–stretch relations concerning elastic deformation are augmented with increments of force density and stretch for plastic deformation. The expressions for the yield function and the rule of incremental plastic stretch are derived in terms of the horizon, force density, shear modulus, and hardening parameter of the material. The yield surface is constructed based on the relationship between the effective stress and equivalent plastic stretch. The validity of peridynamic predictions is established by considering benchmark solutions concerning a plate under tension, a plate with a hole and a crack also under tension.     

Approximate elastic–plastic analysis of a notched bar under tensile and torsional fatigue

An approximate model is presented for estimating elastic–plastic stresses and strains in a notched bar subjected to synchronous non-proportional tensile and torsional cyclic loading. To begin with, it is applied to a multiaxial synchronous proportional loading system. A detailed FE analysis is performed for an axisymmetric bar of circular cross-section with a circumferential notch. The accuracy of the proposed approximate model is first established. The elastic–plastic material property is described by the von Mises yield criterion and a linear kinematic hardening rule. The comparison of the FE results with those estimated by the proposed approximate model shows good agreement for all loading cases investigated.     

考虑应力三轴度影响的30CrMnSiNi2A钢韧性断裂研究

30CrMnSiNi2A钢是一种在军工领域应用广泛的低合金高强度钢。针对结构完整性的评估问题,采用试验和数值计算结合的方法研究了30CrMnSiNi2A钢的韧性断裂特性。对光滑圆棒试件在不同温度下进行准静态和动态拉伸试验,并通过有限元迭代方法标定了材料的Johnson-Cook动态本构模型参数,分析了温度和应变率对30CrMnSiNi2A钢断裂行为的影响。开展了缺口圆棒拉伸、缺口平板剪切和圆柱压缩试验,计算了各试件对应的平均应力三轴度和断裂应变,给出了应力三轴度在?1/3～1.5区间内的断裂应变变化曲线,分别确定了Johnson-Cook和Bao-Wierzbicki失效模型参数。研究表明,30CrMnSiNi2A钢的断裂应变与应力状态密切相关,且在不同的应力三轴度区间内曲线单调性差异较大,Bao-Wierzbicki失效模型较好地描述了这种钢在不同应力状态下的断裂特性。     

Analytical Solutions to Expansion of Cylindrical Cavity in Linear Softening Soil

Based on the results of conventional triaxial compression tests for a soil, a trilinear elasto-plastic model is proposed to simulate the stress-strain softening curve. According to this curve, the constitutive relation between the bulk strain and two pr…     

The applicability of slip-line field theory to contained elastic-plastic flow around a notch

Recent calculations by J.R. Griffiths and D.R.J. Owen (1971) on the growth of the elastic-plastic stresses for the plane strain bending of a V-notched bar reveal an interesting phenomenon : the stress maximum lies some way before the elastic-plastic interface, inside the plastic zone. Later calculations have confirmed this effect, for both work-hardening and perfectly-plastic von Mises and Tresca materials. At low applied loads the calculated stresses conflict with plastic slip-line field theory. This result is important, because it means that notch stresses before general yield cannot readily be deduced by etching up plastically-yielded zones. This paper explains the conflict analytically.     

The yield-point loads of symmetrically-notched metal strips

Theoretical plastic yield-point loads are calculated for symmetrically-notched metal strips in plane stress, assuming that the material obeys the von Mises yield criterion. Deep-notch solutions due to R. Hill are extended to cover all notch depths. The numerical results are presented in simple empirical formulae. The purpose of the work is to provide a way of discriminating between metals that obey the Tresca or the von Mises yield criteria.     

Characterization of the post-necking strain hardening behavior using the virtual fields method

The present study aims at characterizing the post-necking strain hardening behavior of three sheet metals having different hardening behavior. Standard tensile tests were performed on sheet metal specimens up to fracture and heterogeneous logarithmic strain fields were obtained from a digital image correlation technique. Then, an appropriate elasto-plastic constitutive model was chosen. Von Mises yield criterion under plane stress and isotropic hardening law were considered to retrieve the relationship between stress and strain. The virtual fields method (VFM) was adopted as an inverse method to determine the constitutive parameters by calculating the stress fields from the heterogeneous strain fields. The results show that the choice of a hardening law which can describe the hardening behavior accurately is important to derive the true stress–strain curve. Finally, post-necking hardening behavior was successfully characterized up to the initial stage of localized necking using the VFM with Swift and modified Voce laws.     

增量型各向异性损伤理论与数值分析

考虑到目前各向异性损伤理论存在一些不足,该文在增量型各向异性损伤理论的框架下,引入二阶对称张量,构造四阶对称有效损伤张量,建立了有效应力方程．类似于塑性流动分析方法,定义了增量弹性应力．应变关系．利用von Mises塑性屈服准则,并考虑各向异性损伤效应,推导出四阶对称的弹．塑性变形损伤刚度张量,其对称性反映了材料的固有特性．根据物体的变形和现时损伤状态,构造了材料损伤演化方程,方程中各项具有明确的物理意义．通过对A12024-T3金属薄板单向拉伸的有限元分析,确定了损伤演化参数,验证了损伤演化方程的正确性．此外还对含孔口薄板做有限元模拟,讨论了反力—位移曲线的变化规律以及它所揭示变形性质,给出了损伤场的分布规律。