基于韧性断裂准则的AZ31B镁合金板材成形极限预测

结合损伤起始判据和损伤演化准则,建立了完整的韧性断裂准则,基于ABAQUS中韧性损伤材料模型对AZ31B镁合金板材成形极限进行了预测。通过拟合单向拉伸应力应变曲线得到材料本构模型及损伤演化参数,建立了板材的Nakazima半球形凸模胀形有限元仿真模型,再基于韧性断裂准则预测了AZ31B镁合金板材室温下的成形极限,并分析了不同板材断裂失效判据对成形极限的影响。研究结果表明,基于所建立的韧性断裂准则,并以损伤演化过程中应变路径转变作为断裂失效判据,可以较准确地预测镁合金板材成形极限,得到的成形极限图与实验结果吻合较好。     

材料线弹性断裂力学的断裂准则研究进展

 断裂准则在预测含裂纹材料发生破坏的时间、位置和裂纹扩展路径等方面具有重要意义。重点总结了线弹性材料中裂纹的断裂准则，阐述了应力强度因子准则、最大能量释放率准则、最大拉应力准则、最大拉应变准则、最小应变能密度准则等常用的断裂准则理论及其现状，以及这些准则的优点和局限性；基于常用断裂准则对应力分量和临界半径考虑不足，归纳了国内外学者提出的修正断裂准则，包括考虑T应力（非奇异项）和可变临界半径rc的影响。分析了断裂准则在岩石和混凝土脆性材料中的应用，针对基于断裂准则预测其破坏行为时存在的难题，建议将裂纹尖端应力场的高阶项T应力引入断裂准则，能更准确地预测裂纹的扩展路径与偏转角。     

金属成形中韧性断裂准则的细观损伤力学研究进展

随着韧性材料内细观损伤发展机制的深入研究,细观损伤力学在预测金属材料发生韧性断裂的过程中发挥着越来越重要的作用.与传统的宏观断裂力学不同,细观损伤力学侧重于研究材料内细观损伤的演化对于材料宏观断裂的影响.介绍了细观损伤力学发展的背景;阐述了细观损伤力学的研究现状;探讨了细观损伤力学发展过程中所面临的一些问题和应变梯度塑性理论对于细观损伤力学发展的推动作用.     

基于细观损伤模型预测金属成形过程中的韧性断裂形式

在优选模型参数和简化孔洞形核规律的基础上,采用Gurson-Tvergaard(GT)多孔材料本构模型分析金属韧性断裂过程中的宏观应力与应变响应行为;根据金属成形工艺特点,充分考虑拉伸型和剪切型2种不同韧性断裂机制,提出一个统一的韧性断裂准则形式,并通过实验结果验证其有效性和普适性,进而采用单向拉伸实验确定的材料常数合理地预测了正挤压过程中的韧性断裂现象.     

给定存活率下45钢的疲劳寿命估算

基于临界损伤原理,在以损伤应变范围作为金属材料疲劳裂纹萌生寿命控制参量的基础上,推导了一个新的疲劳裂纹萌生寿命(Fatigue Crack Initation Life, FCIL)估算模型,并给出了模型中始裂抗力系数和始裂门槛值与金属拉伸性能参数之间的关系。与郑氏公式不同,新的FCIL估算模型中疲劳延性指数不恒等于-0.5,而是一个材料常数,用以反映材料抵抗疲劳破坏的能力。以新的FCIL估算模型为基础,建立了含缺口45钢具有给定存活率的疲劳寿命预测公式(PSN曲线公式)。与基于郑氏公式的PSN公式相比,新的PSN曲线公式可以更为准确地预测45钢具有给定存活率的疲劳寿命。     

高强度双相钢薄板拉弯成形试验及数值模拟

在不同凸模圆角半径下对800 MPa级双相钢板进行了拉弯成形试验,观察了不同凸模圆角半径下板材极限拉弯深度及板材的断裂位置和断口形貌,对试验结果进行数值模拟,并分析了采用屈服准则Hill、Barlat和BBC的模拟结果.结果表明：对于较大凸模圆角半径（Rp≥2.5 mm）的拉弯试验,在经典成形极限曲线（FLC）判据下,采用Hill准则能够准确预测800 MPa级双相钢板的极限拉弯破裂情况;而对于较小凸模圆角半径（Rp=1.0 mm）的拉弯试验,在FLC判据下,3种屈服准则都无法准确预测双相钢板的破裂情况.     

对JIC断裂准则的一种改进

基于近年来在裂纹尖端塑性内应力应变分布、损伤和断裂的塑性消耗特征等方面的所做的研究工作,对传统断裂准则进行了改进,提出了一种考虑了构件几何及应力三轴性的新的断裂准则。由一系列几何尺寸的紧凑拉试验的验表明,理论预言与实验测量结果符合得委好。     

脆性材料斜裂纹断裂与损伤耦合分析

对单向拉伸的斜裂纹,应用西多霍夫损伤模型和断裂力学耦合分析方法,推导出脆性材料斜裂纹损伤区与断裂区的边界方程,确定了脆性材料斜裂纹初始损伤区和断裂区的径向尺寸.提出了裂尖断裂区内径向应变能的概念,并建立了基于此概念上的裂纹扩展准则,即裂尖断裂区内径向最小应变能(RMSE)判据,从而确定了脆性材料斜裂纹在断裂区边界上的开裂角.最后确定了不同裂纹倾角起裂点的坐标.     

应力比对脆性材料断裂影响及应变断裂准则验证

应用材料破坏分析软件MFPA2D(material failure process analysis),模拟了平面应力下双向应力比不断变化条件下脆性材料的不同破坏失稳过程,并以玻璃为例,重点研究了其在复杂应力状态下不同双向应力比对脆性材料裂纹扩展和断裂的影响. 研究结果表明,裂纹失稳扩展时的应力强度因子值随着双向应力比的升高而升高. 该结果证明双向应力确实对脆性材料的断裂韧性有影响. 理论分析得出的应变失效准则与数值模拟研究结果及试验结果的比较研究表明,应变失效准则作为脆性材料在双向应力下的断裂准则是可行的.     

韧性断裂机理的理论探讨与基于铝合金薄板韧性断裂准则的修正

对韧性材料的断裂机理进行理论研究.当裂纹尖端附近两个相邻的材料微单元体的破坏面共面或共线时,裂纹可以通过破坏面扩展并传递到相邻的单元;当两个单元体的破坏面与两单元体中心线成一定角度时,两单元体之间将产生相对滑动或旋转,使得两破坏面之间重新共面或共线,从而使得裂纹可以扩展,形成一个连续的裂纹开裂面.基于铝合金6063薄板修正韧性材料的断裂准则,并用简单的平面应力状态下的平板拉伸试验和平面应变状态下的缺口拉伸试验,结合有限元ABAQUS计算求得韧性断裂准则中的材料常数.     

金属板材渐进成形的数值模拟及破裂预测

针对板材渐进成形破裂预测对应变路径的过分依赖且无法实时预测的问题,首先,运用FORTRAN语言,通过ABAQUS有限元软件的材料子程序接口,将于忠奇破裂准则引入DC56D+Z钢板的VUMAT材料子程序中;其次,分别将于忠奇模型与ABAQUS自带Von Mises模型进行单向拉伸和渐进成形的模拟;最后,结合渐进成形实验与有限元模拟分析,以实验结果为标准,根据有限元模拟的结果,逆向寻找出于忠奇准则下渐进成形模型的临界破裂积分值I.研究结果表明:两种有限元模型的应力应变大小数量级相同,分布一致,从而说明了该子程序的有效性;渐进成形模拟过程中最大破裂积分值I出现的位置在零件的侧壁,与实验结果一致,积分值I=17可以作为预测渐进成形过程中板材是否破裂的有效条件.     

校正力对宽板弯曲回弹影响规律的研究

为了简单有效地控制高强度钢的回弹,研究了校正力对板料弯曲回弹的影响.根据校正弯曲受力特点,在考虑了应力-应变分布、受力边界条件、刚塑性材料模型和梅西屈服准则的基础上,建立了校正弯曲下的回弹预测模型,确立了校正力和回弹之间的对应关系.进一步采用自制的1t伺服压力机进行了试验,结果表明：增大校正力能有效降低回弹,回弹预测值和试验值一致,校正弯曲回弹预测模型能够提供较为真实的近似解;合理设置校正力可以有效控制和稳定回弹,为高强钢的回弹控制提供了简单有效的措施;回弹预测模型建立了校正弯曲力和回弹之间的定量关系,为模具及工艺参数的设置提供了可靠的依据.     

金属材料断裂与应力状态参数的关系

罗德参数、软性系数和应力三维度是研究金属材料变形、破坏时常用的应力状态参数,分析从三向压缩到三向拉伸不同应力状态下各参数值的变化,得出:应力三维度值从小向大有规律地变化,罗德参数和软性系数则不能分析裂纹体、无裂纹体金属材料断裂破坏的试验结果;同时认识到构件中,体积变形较大、形状变形较小处是材料发生脆断、准脆断的断裂萌生点,此危险点正是应力三维度有较大值处。     

基于广义最大周向应变准则的断裂特性研究

裂纹尖端应力场的非奇异性常数项（T应力）对脆性或准脆性材料的断裂特性及裂尖塑性区的形状和大小都有显著的影响。为了探究T应力对脆性或准脆性材料I~II复合型断裂特性的影响规律,基于先前研究中提出的计及T应力影响的广义最大周向应变准则进一步讨论了T应力、裂纹尖端的临界距离r₀和泊松比ν对中心裂纹圆盘试件的裂纹扩展路径以及临界应力强度因子的影响规律,并利用该准则对基于中心裂纹圆盘试件的断裂试验结果进行了有效评估。结果表明：与传统的最大周向应变准则相比,中心裂纹圆盘试件中由于负T应力的存在,会使得裂纹开裂角的绝对值减小,同时使得临界应力强度因子（断裂韧度）的值增加。考虑了T应力影响的广义最大周向应变准则能很好的对试验结果进行预测;并且在纯II型时,基于广义最大周向应变准则的理论预测值比基于广义最大周向应力准则的理论预测值更接近试验值。     

应力状态在2024-T351 Taylor杆断裂行为数值预报中的作用

近期研究表明,部分金属材料的延性断裂与应力三轴度及Lode参数同时相关.将近期文献中提出的包含Lode参数影响的断裂准则（MMC）写入有限元程序ABAQUS,用于2024-T351 Taylor杆断裂行为的数值预报.为揭示应力状态的影响,同时还采用仅考虑应力三轴度影响的两个断裂准则（JC和BW）进行有限元计算.将计算结果与试验进行了对比.对比表明,仅用轴对称圆棒试样单向拉伸试验数据标定的JC准则过高估计了材料在其他应力状态下的延性,低估了Taylor杆的断裂行为;BW准则预报了弹体头部中心断裂而与试验不符;MMC断裂准则可预报出合理的裂纹形式.     

各向异性GTN损伤模型及其在板料成形中的应用

基于Hill的二次各向异性弹塑性屈服准则（Hill’48）,发展了可以用来描述各向异性多孔延性材料损伤演化发展的GTN（Gurson—Tvergaard—Needleman）弹塑性细观损伤本构模型,将材料的塑性各向异性行为和损伤发展有机地耦合起来．分别采用基于Mises的各向同性GTN弹塑性损伤模型、基于Hill’48的各向异性GTN弹塑性损伤模型和传统的Mises弹塑性模型,对NUMISHEET’2002中考题圆杯深拉深成形工艺进行了数值模拟,对板料成形过程中损伤的累积发展及其对材料性能的影响进行了分析．结果表明：延性板料的各向异性行为对其宏观力学性能和损伤演化都有影响;GTN模型中的损伤变量反映了成形历史的影响,为复杂加载路径下的成形极限判据的提出提供了理论依据．     

基于Lemaitre模型的辊式冲裁工艺断面质量分析

为了准确表征材料变形中逐渐劣化的过程,引入考虑损伤与裂纹萌发的弹塑性本构模型.基于Abaqus/Explicit的二次开发接口,编写耦合Lemaitre损伤模型的用户子程序,根据算例验证其可靠性.通过反复加载-卸载拉伸试验并利用弹性模量变化法来获得损伤参数值.建立辊式冲裁工艺有限元模型,应用Lemaitre损伤模型来预测断面质量,并进行试验验证.分析冲裁间隙、模具磨损与板厚等工艺参数对断面质量、冲裁力及扭矩的影响.结果表明:前刃口断面质量总体上要好于后刃口,但光亮带具有一定的倾角;塌角区会随冲裁间隙增加而增大;模具磨损程度增加会导致毛刺急剧增大;最大冲裁力与扭矩会随着板厚的增大而增大.     

X80管道凹痕缺陷失效准则对比分析

为了提高油气管道凹痕缺陷安全评价的准确性,将金属材料的韧性失效准则应用到管道凹痕的损伤评价中。以X80管道凹痕为例,采用有限元法计算不同工况下3种失效准则的管道损伤量并作对比分析。研究发现,管道损伤量随凹痕深度的增加而增加;当凹痕深度大于6%管道外径时,管道损伤量的增长速率减小。其中,Oyane韧性断裂准则计算出的损伤量最大,临界空穴扩张比判据理论次之,而X-W损伤失效准则计算的损伤量最小。此外,通过研究凹痕缺陷的类型对损伤量的影响发现,Oyane韧性断裂准则能更好地反映管道凹痕区域的应力集中。研究结果表明,Oyane韧性断裂准则更适合用于深度较大以及不同种类的管道凹痕缺陷的评估。为进一步研究韧性失效准则在管道凹痕评价中的应用提供参考。     

纤维增强复合材料机翼长桁压缩破坏预测方法

提出了一种分析和预测在压缩载荷作用下纤维增强复合材料机翼长桁的极限承载能力以及破坏位置的方法,建立了分析其形变和渐进破坏的有限元模型,采用应力描述的二维Hashin失效准则预测材料的初始失效,并提出了一种材料受损后的刚度折减方案;由应力失效和断裂力学中的能量释放率控制材料渐进损伤的演化模式,并以损伤变量的形式表征材料的受损程度;在有限元软件ABAQUS/Standard平台上编写用户材料子程序（UMAT）,运用黏性正则化方法帮助收敛,并将其预测结果与复合材料机翼长桁的压缩实验结果加以对比.结果表明,所得极限承载能力以及破坏位置的预测结果与相应的实验结果较吻合.