金属材料在复杂应力状态下的塑性流动特性及本构模型

工程应用中,金属材料和结构往往处于复杂应力状态。材料的塑性行为会受到应力状态的影响,要精确描述材料在复杂应力状态下的塑性流动行为,必须在本构模型中考虑应力状态效应的影响。然而,由于在动态加载下材料的应变率效应和应力状态效应相互耦合、难以分离,给应力状态效应的研究和模型的建立造成很大困难。通过对Ti-6Al-4V钛合金材料开展不同加载条件下的力学性能测试,提出了一个包含应力三轴度和罗德角参数影响的新型本构模型,并通过VUMAT用户子程序嵌入ABAQUS/Explicit软件。分别采用新提出的塑性模型和Johnson-Cook模型对压剪复合试样的动态实验进行了数值模拟。结果表明,新模型不仅在对材料本构曲线的拟合方面具有较强的优势,而且由该模型所得到的透射脉冲和载荷-位移曲线均更加准确。因此,该模型能够更精确地描述和预测金属材料在复杂应力状态下的塑性流变行为。

     

不同加载状态下TA2钛合金绝热剪切破坏响应特性

一般认为绝热剪切现象在宏观上表现为材料动态本构失稳,即热软化大于应变硬化.本文采用帽型受迫剪切试样研究TA2钛合金的动态力学特性和本构失稳过程.首先对剪切区加载应力状态进行理论和数值分析,通过合理设计帽型试样,剪切区变形可近似按剪切状态处理;结合二维数字图像相关法(two-dimensional digital image correlation,DIC-2D)直接测试试样剪切区应变演化,给出帽型受迫剪切实验的等效应力-应变响应曲线.进一步,利用Hopkinson压杆对TA2钛合金开展动态压缩及帽型剪切对比试验研究,比较压缩、剪切试验得到的等效应力-应变曲线,采用"冻结"试样方法分析试样中绝热剪切局域化演化过程,探讨不同加载状态下TA2钛合金的绝热剪切破坏现象及其动态力学响应特性.实验结果表明,在塑性变形初始阶段,动态压缩及剪切加载下的等效应力-应变曲线符合较好,但随塑性损伤发展及绝热剪切带形成,两者出现分离,表明损伤及绝热剪切演化过程与应力状态相关.剪切试样实验得到的本构"软化"特性能够反映绝热剪切带起始、破坏演化过程的力学响应特性,而在动态压缩实验中,即使试样中已出现双锥形的绝热剪切带及局部裂纹分布,其表观等效应力-应变曲线并不出现软化特征,动态压缩实验无法得到关于绝热剪切起始、发展以及破坏的本构软化响应特性.     

双相高强钢FeNiAlC的动态剪切行为及微结构机理

绝热剪切带是金属材料在高应变率载荷下常见的一种失效模式。利用霍普金森压杆装置,对双相钢Fe-24.86Ni-5.8Al-0.38C不同微结构的帽形样品施加冲击载荷,研究它的动态剪切变形行为及微结构机理。先通过对固熔处理得到的粗晶态样品进行大应变冷轧获得冷轧态样品,再使用透射电子显微镜和扫描电子显微镜表征两种样品冲击前后微结构的变化差异。结果表明,双相钢FeNiAlC拥有较优异的动态剪切性能,剪切强度达1.3 GPa,均匀剪切应变达1.5。变形前,材料由奥氏体相和马氏体相构成,马氏体体积分数约为20%。变形过程由位错滑移和孪生变形主导,但因应变速率较高致使马氏体相变被抑制。不同微结构样品内均形成绝热剪切带,带内发生动态再结晶,形成超细晶粒,平均晶粒尺寸约300 nm,且剪切带内不发生相变;冷轧态剪切带宽度的实验值（14.6 μm）与理论计算值(12.3 μm)较好吻合,而粗晶态剪切带宽度的实验值（14.6 μm）与理论计算值（30 μm）相差甚远,初步分析可能是因为粗晶态样品应变较大基本不满足完全绝热的理论条件。在变形过程中,粗晶态因塑性变形做功产生的绝热温升高达720 K,而冷轧态的只有190 K。通过实验结果与热塑模型分析,得出绝热温升不是形成绝热剪切带的唯一因素,而应考虑材料的微观结构和局部化变形等的共同影响。     

复杂应力状态下材料层裂特性探讨

在综述一维平面应变下层裂研究特点和研究方法的基础上,采用实验转换的方法,近似模拟球面层裂的受力特征,获得了不同预应变下LY12铝合金层裂信号,表明材料的层裂强度与所处应力状态密切相关。结合这些研究成果,探讨了复杂应力条件下层裂的新特征,讨论了可能用于层裂研究的方法及其改进措施。     

强冲击荷载作用下混凝土材料动态本构模型

基于混凝土强冲击荷载作用下的实验研究,以修正Ottosen四参数破坏准则为流动法则,引入损伤,构造了一个塑性与损伤相耦合的动态本构模型用于描述混凝土材料的冲击特性.在该模型中,考虑了引起混凝土材料弱化的两种不同的损伤机制:拉伸损伤和压缩损伤.其中,拉伸损伤是由微裂纹的张开和扩展引起的,通过拉伸应变来控制;压缩损伤相关于微空洞体积分数比的演化,并通过微空洞塌陷引起的压缩应变来控制,由此压缩损伤和拉伸损伤就完全耦合了.通过模型计算模拟结果与实验结果比较发现,随着冲击速度的提高,混凝土的峰值应力显著增加,即混凝土材料的承载能力增大,同时混凝土内部产生显著的塑性变形.模拟曲线与实验曲线拟合良好,因而可以用该模型模拟混凝土材料在强冲击荷载下的动态特性.     

高加载率下Ⅱ型裂纹试样的动态应力强度因子及断裂行为

采用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ单压杆技术对单边平行双裂缝试样进行高速剪切加载，用实测的试样加载面上的载荷ｐ（ｔ）结合有限元计算确定其动态应力强度因子。同时还发展了一种用实测的裂尖动态应变，通过在准静态下标定的裂尖应变与应力强度因子间的关系来确定动态应力强度因子的近似方法。实验结果表明，对于稳定裂纹在无边界反射应力波干扰的情况下，两种方法获得的动态应力强度因子吻合得相当好。对４０Ｃｒ钢和Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ钛合金两种材料的动态Ⅱ型断裂实验结果显示出两种完全不同的剪切破坏模式和机理。     

全尺寸隔水管在复杂应力状态下的力学特性试验研究

为对隔水管在复杂应力状态下的力学特性进行试验研究,研制了能够模拟高液压环境下管柱力学行为的特殊试验装置——深水管柱力学模拟试验系统,并借助该系统对全尺寸隔水管在受内外压条件下进行了力学特性模拟试验。结果表明:试验系统运行良好,能够有效地按照要求进行加载、卸载。试验中通过对隔水管试件进行内外压加载,同时对系统两端的轴向活塞加压,消除了由于内外压产生的轴向力,实现了在内外压条件下的隔水管力学特性模拟试验。通过在管柱外壁粘贴电阻应变片,得到了其真实径向应变与环向应变随内外压变化的关系曲线,并通过分析计算得到了试件的真实应力状态。由于隔水管加工制造等方面的误差,真实的应变数据、应力状态与理论推导结果并不重合。为了提高深水作业的安全性与经济性,可以借用试验结果对理论推导值进行修正,也说明了用试验方法进行隔水管力学特性研究的重要性。该试验系统为深水作业管柱等的模拟试验提供了一个良好的平台,能够有效降低深水钻采作业的风险,提高深水钻采作业的经济性与安全性,具有较高的推广应用价值。     

混凝土材料冲击特性的研究

基于混凝土材料强冲击加载下的试验研究,提出了两种损伤型动态本构模型： 损伤型黏弹性本构模型和损伤与塑性耦合的本构模型. 通过模型计算结果与冲击试验结果的 比较可发现,随着冲击速度的提高,混凝土材料内部产生了显著的塑性变形,由此 损伤型黏弹性本构模型的应用就存在一些不足. 而损伤与塑性耦合的本构模型由于考虑了裂 纹扩展引起的材料强度和刚度的弱化,以及微空洞缺陷塌陷引起的塑性变形,因而能更好地 用于模拟强冲击载荷作用下混凝土材料的冲击响应特性.     

研究材料动态本构特性中的重要作用

在材料动态本构关系的研究中，不论是由波传播信息反求材料本构关系，即所谓解第二类反问题，还是利用应力波效应和应变率效应解耦的方法（如SHPB技术），应力波传播实际上都起着关键作用。在一般性讨论的基础上，就SHPB试验技术分析了应力波传播如何影响材料动态本构特性的有效确定。对于应力/应变沿试件长度均匀分布假定以及一维应力波假定，着重进行了分析。     

复杂应力状态下木材力学性能的数值模拟

针对木材复杂的各向异性材料特点,建立了能反映木材正交各向异性弹性、抗拉和抗压强度不等、抗拉或抗剪时发生脆性破坏而受压时发生塑性变形等特性的本构模型。将木材弹性应力—应变关系简化为正交各向异性;选用Yamada-Sun强度准则来判断木材抗压时是否屈服,抗拉或抗剪时是否发生应变软化;通过引入损伤因子和弹性应变能,建立了木材...     

花岗岩体中应力波传播计算的动态本构关系

在花岗岩体的弹性区域,对实测径向质点速度波形运用Lagrangian分析方法,得到了球面应力波传播的加载速率相关的应力应变关系曲线。由速率相关本构关系所作的计算结果表明,它能较正确地描述岩石中球面应力波传播过程中所体现的主要特征,即应力波峰值衰减指数大于1和波形剖面的展宽。     

真三轴应力状态下岩石损伤本构模型

从岩石微元破坏服从Weibull 随机分布的特点出发,建立了真三轴应力状态下岩石损伤软化统计本构关系;根据应力应变关系的几何条件,建立了本构模型参数与岩石变形过程中应力应变曲线特征参量的理论关系,从而增强了模型的适应性;最后通过试验实测数据验证了模型的合理性.     

冲击扰动下泥页岩块剪切蠕变损伤特性研究

矿体爆破是大多数露天矿山开采作业中的必要环节,然而持续爆破作业产生的冲击扰动作用会降低露天边坡的长期稳定性,甚至促使滑坡灾害的发生。为研究冲击扰动效应对边坡岩体蠕变特性的影响,以露天石灰石矿山二叠系软弱夹层中的炭质泥页岩为研究对象,利用自主研发的岩石冲击-剪切蠕变试验系统开展了不同冲击能量扰动下的剪切蠕变试验。试验结果表明：（1）冲击扰动对软岩剪切蠕变破坏具有明显的促进作用,随着冲击扰动能量的增加,软岩进入加速蠕变历时缩短,蠕变破坏总时长与剪切蠕变破坏强度亦随之降低。（2）冲击能量可改变泥页岩剪切破坏面的发育特征,冲击扰动能量越大,剪切面裂隙发育越充分且岩样结构形态越破碎。（3）岩样总体变形量与冲击能量呈正相关关系,随着冲击能量的增加,其造成的总变形中塑性永久变形占比越大而弹性变形占比约小,当冲击能量为7.09J时两次冲击后的塑形永久变形占比均不小于73.1%。根据试验结果,引入基于冲击能量的损伤因子D,建立了考虑冲击扰动效应的软岩剪切蠕变损伤模型。采用BFGS算法和1stOpt通用全局优化数学软件进行了模型参数辨识,采用损伤模型对试验结果进行拟合后发现,所建立模型能够较好地描述冲击扰动下泥页岩剪切蠕变变形的全过程,可为爆破扰动效应下的矿山边坡长期稳定性研究提供一定的理论基础。     

增材制造TC4钛合金的动态力学行为研究

增材制造TC4钛合金是具有优良的力学性能和工艺性能的金属材料,在航空航天领域已得到重要应用.近年来,在塑性力学的研究中,探究应力状态对金属材料变形和失效行为的影响得到广泛关注,然而大部分的研究都是在准静态下完成的,对于中高应变率下金属材料变形失效的研究较少.本文从增材制造TC4钛合金的基本力学性能出发,考虑应力状态和应...     

压缩-剪切复合应力下PMMA材料的静态力学特性研究

通过压缩具有一定倾斜角(0°,10°,15°,20°和25°)试件和双剪切模型试件,实现了单轴压缩、压缩-剪切复合应力以及纯剪切三种应力状态,得到PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)在相应应力状态下的应力-应变曲线,同时对不同应力状态下试件的破坏模式进行了分析。结果表明:在不同受力环境中材料的强度和破坏的机理不同;同单轴压缩状态下相比,材料在压缩-剪切复合应力状态下屈服极限、强度极限以及破坏应变均不同程度的增大,呈现明显的"剪切增强"现象。单轴压缩与压缩-剪切应力状态下试件的破坏模式均为在试件短对角面上出现明显的剪切屈服带,由应力分析得出试件剪应力在短对角面上达到最大,引起在此平面上分子链间滑动从而产生应变软化形成剪切屈服带;双剪切试件的破坏模式为与剪切面呈45°的斜面。     

混凝土动态冲击问题的一种欧拉数值方法

针对混凝土的动态冲击问题给出了混凝土的Holmquist Johnson Cook本构关系 ,本构关系中的等效强度作为压力、应变率和损伤的函数 ;压力表示为体积应变的函数 ,并考虑了永久破碎的效应 ;积累损伤作为等效塑性应变、塑性体积应变和压力的函数。结合三维弹塑性流体力学欧拉数值方法 ,提出了混凝土的Holmquist Johnson Cook本构关系与欧拉程序相结合的计算方法。介绍了带混凝土Holmquist Johnson Cook本构关系的三维弹塑性流体力学欧拉程序。     

动静载作用下充填节理砂岩应力波传播特性研究

为研究节理角度和不同围压作用下的充填节理岩石的动态力学特性和应力波传播规律,利用改造后的动静组合加载霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置,对充填节理厚度为8 mm的砂岩试样进行冲击试验,研究不同围压等级(0、4、6和8 MPa)和不同节理倾角(0°、15°、30°、45°)下充填节理试样的动态力学特性和应力波传播的规律,采用应力波斜射理论并进行验证。试验结果表明：(1)完整砂岩的反射波幅值最小,以0 MPa为例,反射波幅值从0.194×10^-3增长到0.299×10^-3,与倾角成正相关,透射波幅值与倾角成负相关,且从0.169×10^-3减小到0.053×10^-3;以0°为例,反射波幅值与围压呈负相关,且从0.194×10^-3减小到0.074×10^-3,透射波幅值相反从0.169×10^-3增长到0.257×10^-3;(2)在冲击动载作用下,一定程度围压可以起到限制...     

双向加载条件下尼龙6-橡胶复合材料的应力松弛研究

在双向测试系统上进行了不同纵向应变与不同横向应变的双向松弛实验,研究了在双向拉伸载荷作用下单向尼龙6-橡胶复合材料的应力松弛特性.为了预测尼龙6-橡胶复合材料的应力松弛规律,提出了一个松弛型本构模型.当试件承受双向拉伸载荷作用时,将松弛型本构模型获得的理论曲线和实验数据进行了对比,二者取得了较好的一致性.     

初始应力状态对材料层裂破坏特性影响研究

通过对球面飞片加载条件下的应力/应变状态分析表明采用施加径向应变方法可以近似模拟球面加载的受力过程. 采用过盈配合的热装配方法对平面样品施加了径向预应变,一维平面应变气炮实验结果显示初始预应力(变)明显降低了LY12铝层裂强度. 从空洞长大基本原理出发分析了各向异性受力条件下空洞长大的路径和所消耗能量不同于各向同性应力加载.通过数值模拟对含损伤的材料本构模型进行分析,得到了材料层裂强度与其外部宏观应力场密切相关,也间接的与构型相关的结论.      

无耦合条件下的多子系统静动态统一本构关系(下)--铝的双子系统静动态统一本构模型

构造了标量形式的无耦合条件下双子系统静动态统一本构模型.推导出第1和第2子系统中加载应变速率临界值ε·c1和ε·c2,当应变速率ε·分别低于和高于某个临界值时,相应子系统中的不可逆行为分别是与时间无关的和与时间相关的.由于当ε·跨越ε·c1和ε·c2时,内变量的求解公式发生变化,所以动态强度随ε·变化的规律发生变化.经与铝的实验结果比较确认,本构模型能够描述材料的多种静动态力学行为.