韧性材料的细观力学实验和数值模拟研究

引入能够定量描述内界面的细观统计参量-形状因子,定义了基于内界面形状因子的损伤变量,建立了相应的细观力学模型,探索细观组织演化和材料宏观响应关系的力学问题。通过宏细观相结和的方法,对韧性金属材料的内界面进行实验研究和数值计算。通过对比试验和数值计算结果,认为可以用形状因子能够反映材料细观组织的演化情况,用损伤变量能够表征材料的损伤程度。并得到了内界面演化随应变发展的演化方程。对于发展和应用宏-细观相结合的损伤力学理论,对阐明韧性材料的变形、损伤、破坏机制有重要意义。     

弹性-脆性-损伤模型及其在岩石局部破坏研究中的应用

在弹性-脆性-损伤本构模型中,采用了由线性的莫尔-库仑剪切屈服函数和非线性的虎克-布朗屈服函数复合后的屈服函数,以适应高压应力条件下岩石变形及破坏规律的研究.为了考虑脆性岩石在应力突然跌落过程中的弹性模量的变化,引入了一个损伤因子,以描述损伤的程度.此外,还考虑了围压对弹性模量的增强作用.对平面应变压缩条件下的矩形岩样的破坏过程进行了计算,并与接近脆性的带拉伸截断的应变软化莫尔-库仑模型的结果进行了对比,发现了它们之间的差异.又对静水压力条件下的平面应变模型开挖圆形巷道之后的破坏区、轻微的剪切及拉伸岩爆区和体积模量的分布进行了计算.研究发现,当考虑围压对弹性模量的影响后,体积模量的高值区位于V形坑的尖端,而V形坑内部的损伤程度随着损伤因子的增加而增加.如果不考虑围压对弹性模量的影响,V形坑尺寸大、较钝.研究结果表明,不同岩石脆性破坏过程中的损伤程度及围压对弹性模量的影响程度不相同是导致V形坑形态差别的原因之一.     

界面效应对纳米多孔材料宏观弹塑性力学性能的影响

当多孔材料的孔洞为纳米尺度时,基体/孔洞的界面效应会对这种材料的弹塑性力学性能产生较大影响.本文通过理论分析将描述界面效应的传统数学界面模型等效为具有一定厚度的界面相模型,并基于ABAQUS的UMAT子程序开发了界面相材料模型.以此为基础,采用有限元数值模拟的方法,研究了孔隙率、孔径尺寸及界面残余应力对纳米多孔金属材料宏观弹塑性拉伸-压缩性能的影响.结果表明,孔径尺寸和界面残余应力一定时,孔隙率增大引起有效弹性模量和屈服强度减小;若孔隙率与界面残余应力保持不变,孔径尺寸增大会引起有效屈服强度和流动应力增大;界面残余应力会导致纳米多孔金属拉伸-压缩曲线存在明显的不对称现象;由于界面相的负刚度效应,当纳米多孔金属变形到一定程度时呈现出软化现象,即宏观应力随变形增加而减小.     

纤维增强脆性基复合材料的力学性能和破裂过程研究

研究了弱界面长纤维增强脆性基复合材料在单轴拉伸荷载下的力学性能及其破裂机理和破坏过程。采用基于细观损伤力学基础上开发的针对材料破坏过程分析的MFPA2D数值模拟程序,考虑材料物理力学参数在细观尺度上的非均匀性,对复合材料的变形、损伤直至失稳破坏的全过程进行数值模拟。结果表明当脆性基体复合纤维后,复合材料的强度、刚度都随之提高,并随纤维的增加而增加;复合材料的韧性也大为增强,可观察到界面脱粘、裂纹偏折、纤维桥联和拔出等现象,并得到相应的声发射模拟结果。     

变形路径对08Al钢板成形过程中塑性损伤的影响

本文用扫描电镜研究了08Al钢板成形过程中不同变形路径下的损伤形核和损伤演变。结果表明,微空洞核发生在碳化物——基体界面、晶界和晶内。单向拉伸和平面应变的塑性损伤受空洞生长控制,双向拉伸的塑性损伤受空洞形核控制。     

工艺参数对高强度钢冷冲压界面温度影响分析

为探究先进高强度钢冷冲压成形过程中板料-模具界面温度场变化,以DP590钢板U形件冷弯曲过程为研究对象,采用热力耦合有限元静力算法建立弯曲过程的数值仿真模型,完成了板料-凹模圆角区界面温度场数值模拟,分析了相对圆角半径、压边力、拉伸速度和摩擦系数对界面温度峰值的影响.研究表明:随着模具相对圆角半径减小、拉伸速度增大、摩擦系数增大,板料-凹模圆角区界面温度峰值明显增加;压边力对瞬态阶段界面温度峰值没有明显影响,而稳态阶段界面温度峰值随压边力增加而增大,当压边力压实变形板料后其峰值逐渐趋于稳定.     

增强短纤维长径比对复合材料力学性能的影响

研究了理想界面短纤维的不同长径比对脆性基复合材料在单轴拉伸荷载下力学性能的影响.从细观尺度上考虑基体材料介质的非均匀性,对复合材料的变形、损伤直至失稳破坏的全过程进行数值模拟.结果表明:随着增强短纤维长径比的增加,复合材料的强度、韧性以及刚度都随之增加,同时材料试件的失稳破坏模式也受到长径比的影响而有所不同.     

横载下纳米增强陶瓷基复合材料界面损伤分析

以规则排列的单向纳米纤维增强陶瓷基复合材料特征体积单元为研究对象,利用ANSYS建立含界面损伤内聚力模型.运用非线性损伤力学理论分析横载作用下复合材料的界面损伤演化规律和应力-位移分布特点,分别讨论最大法向接触拉伸应力和裂纹最大张开位移对界面损伤过程的影响.结果表明:ANSYS软件中的CZM接触单元能够很好地模拟界面损伤演化,横载作用下界面对应力分布状态的影响不容忽视,且界面损伤主要由接触面的法向拉伸应力和裂纹最大张开位移控制.     

缓冲包装对甜瓜静载损伤影响的分析

通过对甜瓜在不同条件下采用缓冲材料包装前后的静载压缩实验以及缓冲材料的拉伸实验,分别获得了甜瓜裸果和缓冲包装后的压缩特性及缓冲材料的拉伸特性.结果表明:采用缓冲材料能明显改善甜瓜果实受压过程中的变形情况;缓冲材料EPS的纵向拉伸强度高于EPE,在相同加载速率下,使用EPS薄膜作为缓冲包装材料时,果实受压的最大屈服极限比使用EPE时增加了20%,且果实的受损情况明显减小.实验分析可为防止和减轻甜瓜在储运中由于挤压等机械胁迫造成的损伤而进行的缓冲包装设计提供一定的理论依据.     

轴拉荷载下混凝土徐变性能研究

用轴心受拉混凝土试件,在标准条件下养护一个月后,进行了不同应力水平下轴心受拉徐变破坏试验,观测了混凝土在不同应力水平下的轴拉徐变变形过程,通过分析得到了对应于不同轴拉应力水平时的混凝土的徐变变形规律．当持荷应力低于徐变长期强度时,混凝土在持续拉伸荷载作用下变形速度缓慢,并且不发生徐变破坏;当持荷应力高于徐变长期强度时,混凝土在持续拉伸荷载作用下的徐变变形随时间的增长而不断增加,直至发生徐变破坏．这类徐变变形过程一般可以分为３个阶段,即徐变减速阶段、稳定徐变阶段和徐变加速阶段．根据试验结果,进一步…     

高应变速率下钛-钢复合板界面组织特征及变形机制

在高应变速率下,钛-钢复合板不同材料以不同的变形机制协调变形,结合界面起到至关重要的作用.本文分析研究了高应变速率下钛-钢复合板的界面组织特征和变形机制.结果表明:在钢侧,随着应变速率的提高,小角度(3°~10°)晶界含量增多,织构组分{1-12}〈2-41〉逐渐演变为织构{6-65}〈38-6〉和{111}〈1-10〉.在钛侧,随着应变速率的提高,出现了明显的形变孪晶组织,三种形变孪晶如{11-21}〈1-100〉拉伸孪晶、{11-22}〈11-23〉压缩孪晶和{10-12}〈10-11〉拉伸孪晶产生的难易程度不一样,变形机制由常规的"孪生变形为主"转变为"位错滑移与孪生变形共存"的复合变形模式.在结合界面处,随着应变速率的提高,需要适应由两侧产生的不同变形抗力,才能够实现连续变形而不致使材料发生破坏,其主要的协调机制依靠结合界面及附近晶粒的滑移实现变形.     

金属铸造过程界面传热系数的测定

通过采集金属铸造过程中铸件/铸型界面上温度的变化曲线,利用有限元分析软件ANSYS模拟了金属铸造凝固过程的温度场,采用非线性估算法,求解了以铝合金为铸件材料的铸件/铸型间的界面传热系数,发现了该界面传热系数随时间的变化规律.计算结果表明:在金属铸造过程中,铸件-铸型界面传热系数随着凝固时间的增加迅速下降,随后下降变得缓慢,凝固结束后趋于稳定.铸型厚度增大对界面传热系数有很大影响,随着铸型厚度的增加,界面传热系数减小.     

双材料垂直于界面裂纹应力强度因子的有限元法

基于双材料垂直界面裂纹理论,给出了不同于Cook的应力强度因子的定义式,推导出了用应力外推法计算双材料垂直界面裂纹应力强度因子的计算公式。以含双边裂纹有限尺寸板拉伸模型为研究对象,对应力外推法外推点范围和裂尖尺寸的选取进行了系统的研究,并通过对比分析相同边界条件下的单材料和双材料应力强度因子,对应力外推法应用到双材料问题中的有效性进行了验证。     

平纹叠层SiC/SiC复合材料室温和高温拉伸行为与破坏机理

通过单向拉伸试验,对比研究平纹叠层SiC/SiC复合材料在室温和高温(1 200℃)环境下的宏观力学特性,并采用扫描电镜对试验件断口进行观测,以分析其微观损伤模式和破坏机理.结果表明:平纹叠层SiC/SiC复合材料的室温和高温拉伸应力-应变行为均表现为非线性特征,具有较高的轴向拉伸基体开裂应力;两者拉伸强度相差不大,但高温下的断裂应变比室温下的高.从宏观断口分析可知,两者均呈现韧性断裂,但纤维拔出长度和断口平齐程度有所不同.材料内部产生的基体裂纹大部分与加载方向垂直;断面上经向纤维束发生纵向拉伸断裂破坏,内部存在严重的界面脱粘损伤以及纬向纤维束发生轴向劈裂破坏是材料在室温和高温下的拉伸破坏机理.高温下由于纤维与基体间的界面层在一定程度上被高温氧化而退化失效,使界面结合变弱和界面滑移力降低,从而产生较长的纤维拔出长度,所以高温下材料具有较高的断裂韧性.     

无砟轨道板端上拱变形影响规律研究

为探明CRTSⅡ型板式无砟轨道层间黏结状态与板间接缝状态对轨道板端上拱变形的影响规律,基于有限元方法和内聚力理论建立了可同时考虑层间和板间黏结状态的上拱非线性分析模型,对不同的层间黏结状态与不同的板间接缝状态下轨道板端的上拱变形情况进行了研究.研究结果表明:层间界面强度和断裂能的增加有利于抑制轨道板上拱变形,界面刚度的增加会导致层间损伤的加速产生;层间初始离缝存在于轨道板端部时会加速轨道板上拱变形,但在极端高温荷载下初始离缝范围并不影响轨道板的最终上拱幅度;板中离缝相比于板边离缝对轨道板的上拱变形更为不利;在窄接缝损伤超过60%后,轨道板上拱位移增加速度有明显提升;窄接缝损伤高度对轨道板上拱的影响明显大于损伤长度对其的影响;轨道板端与宽窄接缝的黏结界面离缝后,轨道板上拱位移有所增大.     

TC18钛合金多次冲击损伤演化规律

为了探究TC18材料在多次冲击下的损伤演化规律,参考夏比冲击标准设计了三点弯冲击试验件,开展了多次冲击试验。通过动态拉伸试验以及两个应变水平的低周疲劳试验获得了TC18材料的Johnsonson-Cook本构模型、Lemaitre损伤模型中的材料参数,引入修正因子改进了Lemaitre损伤模型,并编写了子程序,基于Johnson-Cook本构模型和改进的Lemaitre损伤模型对试验件进行了多次冲击数值仿真。结果表明,采用改进的Lemaitre损伤模型的有限元仿真结果与试验结果符合较好,TC18材料在多次冲击下损伤变化呈现两个阶段——缓慢累积和迅速增长。     

基体材料高温强度对枪管寿命的影响研究

根据界面剪切失效理论和疲劳损伤累积理论,建立了基于枪管镀层—基体界面剪切疲劳损伤累积的枪管寿命预测模型.以某小口径步枪枪管为研究对象,计算了一个冷却周期射击过程中的枪管界面剪切应力,预测了3种不同基体材料枪管的寿命,研究了基体材料高温强度对枪管寿命的影响.研究结果表明,基体材料高温强度是影响枪管寿命的至关重要因素.温度升高引起的界面抗拉强度下降,是导致镀层产生界面破坏以及枪管寿终的重要诱因.增加材料常温强度对提高枪管寿命意义不大,而增加高温强度则可以显著提升枪管寿命.寿命试验结果验证了本文所建寿命预测模型的可用性及预测结果的正确性.      

带钢拉伸弯曲矫直变形过程仿真研究

带钢拉伸弯曲变形过程的表征是拉伸弯曲矫直工艺研究中的关键,带钢拉伸弯曲变形过程在本质上就是带钢在张力作用下的反复弯曲变形过程.本文建立了可以模拟此变形过程的有限元仿真模型,并对带钢拉伸弯曲变形过程进行了仿真研究,揭示了带钢产生塑性延伸和板形矫正的机理.在此基础上,提出了拉伸弯曲矫直工艺使用制度.     

单轴循环加卸载作用下红砂岩变形损伤及能量演化

利用RYL-600型微机控制剪切流变仪对红砂岩试件开展低频率单轴循环加卸载试验,研究该条件下红砂岩的疲劳变形、损伤特性及能量演化规律.研究结果表明:1)该红砂岩应力上限疲劳破坏门槛值在75%～85%之间,且疲劳寿命随应力上限增加而急剧减少.2)低频单轴循环加卸载条件下红砂岩轴向变形呈现3个阶段,开始阶段应变量较小但增速很大,稳定阶段应变逐步缓慢增长,破坏阶段应变量和应变增速都快速增大;3个阶段中滞回环密集度呈现出典型的疏—密—疏特征,单个滞回环形状表现出"胖—瘦—胖"的发展规律,且其面积随应力上限增加而增大.3)损伤发展过程呈现起始阶段、稳定扩展阶段和加速破坏阶段的3阶段特征;应力上限越高,损伤发展越快;3个阶段中,循环次数占据疲劳寿命最小部分的加速破坏阶段产生绝大部分的损伤增量.4)弹性能随循环次数增加先增大后保持稳定,但临近破坏时因材料弹性减弱而减小;耗散能在循环开始时较大,然后随循环次数增加先减小而后趋于稳定,临近破坏时又急剧增大至近4倍,岩石破坏伴随耗散能的急剧增大.5)岩石内部应力调整反映在滞回环演化中,滞回环面积越大,单次塑性变形越大,损伤程度越高,能量耗散越严重.     

角钢连接件木-混组合梁变形计算方法研究

为了研究角钢连接件木-混组合梁在静载作用下变形规律,本文进行了3组木-混组合梁静载试验,考察了木-混组合梁的变形发展过程,得到了组合梁跨中的荷载-挠度曲线、组合梁界面滑移沿梁长分布.通过分析界面滑移对组合梁刚度的影响,在参考钢-混组合梁变形计算的一般公式基础上,将其应用于木-混组合梁变形计算,并将该方法与目前常用的换算截面法进行对比分析.试验结果表明:角钢可以作为连接件用于木-混组合梁,组合梁界面滑移值从梁端向跨中逐渐减小,但不符合线性关系,界面滑移值沿跨中截面对称.采用换算截面法和采用考虑界面滑移的挠度计算一般公式的挠度计算值均比实测值小,但采用考虑界面滑移的挠度计算一般公式的挠度计算值与实测值之比值稳定在0.8左右.