5083铝合金GTN损伤参数求解与成形极限预测

GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)损伤模型被广泛用于预测金属的韧性断裂,但损伤参数多且求解困难,限制了其实际应用。以5083铝合金为研究对象,通过扫描电镜观察不同变形阶段拉伸试样的孔洞体积占比确定GTN损伤参数的取值范围;借助中心复合实验设计方法构造拉伸曲线关键变量与GTN损伤参数的响应曲面模型,应用NSGA-II遗传算法优化铝合金板料的损伤参数;将优化后的GTN损伤参数应用于有限元分析中,利用数值模拟方法预测5083铝合金的成形极限图(FLD),并通过Nakazima试验测得铝合金板料的FLD,与数值模拟结果进行对比分析。研究结果表明：GTN损伤模型预测的FLD与实验结果的相对误差在10%以内,且拉压变形区域的预测精度高于双拉变形区域的预测精度。     

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.     

基于微孔洞细观损伤模型的金属剪切失效分析

针对GTN模型不能模拟剪切破坏这一缺陷,基于Nahshon和Hutchinson的修正,在隐式有限元过程中开发了同时适用于拉伸和剪切断裂模式的细观损伤材料本构.首先,推导了适用于修正后损伤本构的全隐式数值积分公式和一致性切线模量,给出了UMAT子程序的计算流程;然后,采用一个单元分别施加拉伸和剪切边界条件,验证了细观损伤材料本构的有效性;最后,分析了薄壁结构在扭转载荷下的弹塑性响应.与试验结果的对比研究表明:修正的细观损伤模型能够较好地预测出延性材料的剪切损伤演化过程.     

Q345B钢材GTN模型损伤参数标定及应用

目的标定Q345B钢材GTN模型损伤参数及评价损伤参数,并对钢管相贯节点的损伤起始位置进行预测.方法对取自Q345B钢材的光滑圆棒和带缺口的圆棒试样进行单轴拉伸试验,采用逆推法标定GTN细观损伤力学模型参数,并应用有限元分析方法预测相贯节点的损伤起始位置以及开裂破坏过程.结果引入的GTN细观损伤力学模型参数的支管端部荷载-相对凸凹变形曲线与试验结果吻合较好,有限元分析计算得到的损伤起始点荷载和位移与试验结果接近,并且有限元模拟的损伤起始位置与试验中观测到的裂纹开展起始位置相近.结论 Q345B钢材GTN损伤本构模型,能够模拟结构断裂过程,预测结构的断裂荷载、断裂位移、破坏位置.     

基于试验与模拟的修正GTN模型参数反求分析

设计6种不同应力三轴度的试样,进行拉伸试验并得到不同工况下的载荷-位移曲线.运用Voce+Voce流动应力模型外推拉伸试验数据得到材料的力学性能曲线.运用有限元软件ABAQUS/Explicit模块及用户子程序VUMAT将Nahshon提出的含剪切修正项的GTN(Gurson-Tvergaard-Needlemen)模型应用到有限元模拟中,研究各组试样的损伤演化和断裂过程.为使GTN模型更准确地应用到不同应力状态下,假定损伤参数εn为关于应力三轴度η的指数函数.运用反求法分析不同缺口半径的拉伸试验,确定GTN模型中面向高应力三轴度情况的损伤参数,同时结合数值模拟与剪切试验的对比确定剪切系数Kw.结果表明,确定的修正GTN模型参数可以应用到较宽的应力三轴度范围包括纯剪状态.     

纤维特征参数对HES-HDC单轴拉伸性能的影响及拉伸韧性评价方法

为探究高早强高延性混凝土（HES-HDC）在不同PE纤维直径与体积率下的单轴拉伸力学性能,设计了17组薄板试件进行单轴拉伸试验,研究PE纤维直径（22?μm和25?μm）及体积率（1.00%、1.25%和1.50%）对不同龄期（2?h、24?h、7?d、28?d和56?d）HES-HDC应力-应变曲线、拉伸强度和应变的影响;根据试验结果提出了HDC拉伸韧性评价方法. 结果表明：在拉伸荷载作用下,HES-HDC应力-应变曲线展示出应变强化特性,破坏过程呈多裂缝开展;2? h龄期时,HES-HDC拉伸强度与应变达到3.29 MPa和0.88%以上;28?d时,HES-HDC拉伸应变可保持在1.28%以上;当纤维体积率为1.00%时,小直径纤维对试件拉伸应变有利,而大直径纤维对试件拉伸强度有利;综合大直径纤维试件拉伸强度与应变,纤维最佳体积率为1.25%. 提出的拉伸韧性评价方法可评价HDC薄板受拉全过程的韧性. 随龄期的增长,HES-HDC拉伸韧性指数降低,而拉伸强度系数提高;小直径纤维试件的拉伸韧性高于大直径纤维试件;纤维体积率为1.25%时试件拉伸韧性最大.     

镀锌钢光纤激光搭接焊添加铜粉的试验研究

采用4kW光纤激光器对2片1.2mm厚H220YD镀锌钢板间添加不同质量分数铜粉进行了激光搭接焊.对工艺参数优化后所得到的焊接接头进行了焊缝表面成形、力学性能、断口形貌、成分分布和主要物相等分析.结果表明:添加铜粉质量分数为2.82%时,焊接接头的平均抗拉强度和延伸率分别为382.5MPa和32.5%;添加铜粉质量分数不大于3.46%时,拉伸断裂于母材,属于韧性断裂,而添加铜粉质量分数大于3.46%时,拉伸断裂于焊缝区,属于韧性断裂为主脆性断裂为辅的混合断裂;夹层铜粉的加入,改变了镀锌钢界面的元素分布及物相组成,焊接接头焊缝区域C,Al,Mn,Fe,Zn,Cu元素的混合区宽度较大;当添加铜粉质量分数为2.82%时,Cu元素变化比较稳定,因铜能固溶于锌中形成锌铜固溶体,起到很好的固溶强化作用,故增强了焊缝的强度;当添加铜粉质量分数为8.06%时,Cu元素会向热影响区扩散,易形成Cu5Zn8脆性金属间化合物,使得拉伸易断裂于焊缝区.     

服役材料寿命预测的小冲孔蠕变试验研究

为了尝试将小冲孔试验技术应用于服役设备寿命预测,对服役后的Cr5Mo以及12Cr1Mo V进行不同载荷下的小冲孔蠕变试验,与常规单轴蠕变试验结果比对,建立了服役材料的小冲孔蠕变寿命分析方法。分析结果表明:高温、恒载下小冲孔曲线存在明显的蠕变减速、恒速、加速阶段,小冲孔试验具有替代传统蠕变试验的能力。随着载荷的增大,小冲孔稳态蠕变速率不断增加,而蠕变断裂时间则逐渐缩短。稳态蠕变速率与载荷之间可以使用Norton方程表示,而断裂寿命则与小冲孔载荷之间则存在幂函数关系。基于Larson-Miller法,建立蠕变断裂寿命与温度、载荷之间的参数化关系从而实现基于小冲孔试验的服役材料蠕变寿命外推。     

基于SMMS模型的钢框架梁柱节点断裂分析

为了更好地预测钢结构焊接节点的延性断裂,结合空穴扩张模型(VGM)和应力修正临界应变模型(SMCS)的优点,提出了一种应变修正平均应力(SMMS)模型,给出了SMMS模型的推导过程.通过现有的平滑缺口圆棒拉伸试验校准了国产Q345钢材的VGM,SMCS和SMMS模型的韧性参数,分析比较了三种模型的特点及计算量大小.最后利用已有的Q345钢材梁柱节点局部焊接拉伸试验对SMMS模型预测钢材延性启裂的有效性展开分析.研究表明:SMMS模型的韧性参数与VGM,SMCS模型类似,在三种平滑缺口圆棒尺寸下的校准结果均比较接近,且其离散系数较小,说明SMMS模型的韧性参数是材料的固有属性;SMMS模型相比VGM模型计算较为简便,相比SMCS模型受应力三轴度的波动影响较小;SMMS模型的延性启裂预测结果与VGM模型较为接近,且与试验值较为相符,表明SMMS模型可用于钢结构焊接节点的延性断裂预测.     

不同损伤模型的TC4钛合金高温损伤数值仿真及裂纹预测

对TC4钛合金进行温度800～1 000℃、应变速率0.01～5 s^-1条件下热拉伸试验。基于Normalized Cockcroft&Latham、Oyane和Rice&Tracey 3种损伤模型,引入了Zener-Hollomon参数,通过遗传算法识别临界损伤值,建立TC4钛合金高温损伤模型。将这3种高温损伤模型集成到Forge^?软件中,分别对拉伸试验进行仿真计算,比较拉伸试样仿真与试验的断裂长度与断口形貌。结果表明：基于Normalized Cockcroft&Latham高温损伤模型的相关系数R值最大,为0.997。模拟与试验断裂长度具有良好的相关性,且模拟断口与试验断口的形状、颈缩程度吻合度最好,表明该高温损伤模型最适用于预测TC4钛合金的损伤行为。     

单调荷载下钢材延性断裂损伤因子模型及参数校准

为提高钢材断裂模型的通用性和实时性,采用延性损伤因子概念,分别建立了基于VGM的VGM-DDF断裂模型和基于Johnson-Cook的JC-DDF断裂模型.结合不同槽口半径光滑圆棒试件的单向拉伸试验和有限元分析,研究了不同试件加载过程中应力三轴度和等效塑性应变的关系,并对国产Q235钢在单调荷载下延性断裂损伤因子模型参数进行了校准.采用校准后的断裂模型计算了各试件断裂损伤因子值,利用Abaqus软件对钢材断裂进行全过程模拟,并对不同的单元网格尺寸模型进行分析.结果表明:损伤因子模型的有效性得到验证,且JC-DDF模型离散性更小;断裂后荷载位移模拟曲线与试验曲线具有较好的吻合度;有限元单元网格尺寸影响断裂预测精度,并建议网格尺寸取0.25 mm.     

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.     

混杂钢纤维高强混凝土断裂特性研究

采用楔入劈拉试验方法,利用标准紧凑拉伸公式与楔入劈拉经验公式分别计算高强混凝土及混杂钢纤维高强混凝土的双K断裂韧度和断裂能,经比较发现用紧凑拉伸公式计算的失稳断裂韧度值是经验公式的0.85～0.87倍,因此建议采用尺寸符合标准紧凑拉伸要求的试件进行试验确定断裂韧度.分析了纤维混杂后纤维类型、纤维长度、纤维掺量对混凝土增强、增韧的影响,试验结果表明随着混凝土强度增加,断裂韧度、断裂能增大.最后建议高强混凝土采用双K断裂韧度作为韧性评价指标,高强钢纤维混凝土采用断裂能作为韧性评价指标.     

基于钢材单轴拉伸试验的微观断裂模型预测规律分析

基于钢材单轴拉伸试验,提出了关于拉伸试验数据和真实应力-应变曲线的修正方法.开发了VGM模型和SMCS模型的USDFLD用户子程序,用于微观断裂模型的有限元模拟,分析了应力三轴度对等截面和非等截面构件微观断裂模型预测结果的影响.结果 表明,进行等截面构件的本构曲线拟合时应同时考虑颈缩点真实应力和断裂点真实应力的修正.受应力三轴度的影响,在等截面拉伸条件下SMCS模型预测的断裂位移普遍小于VGM模型.非等截面拉伸条件下应力三轴度的变化趋势多样,SMCS模型预测两板相交构件的断裂变形量远大于VGM模型,前者为后者的3.10倍.当拉伸构件存在多个断裂危险点时,VGM模型与SMCS模型的启裂点出现于不同位置处,建议以VGM模型预测位置为准.     

马氏体体积分数对铁素体马氏体双相组织机械性能的影响规律及其微观机理

本文在较系统地研究了马氏体体积分数(f_M)对B2F和20C,钢铁素体马氏体双相组织机械性能影响规律的基础上,采用扫描电镜拉伸状态下的动态观察、断口形貌与金相组织对应观察,并配合透射电镜分析,对不同马氏体体积分数的双相组织变形行为、裂纹的萌生和扩展及其同金相组织间的对应关系,做了比较细致地直接地试验观察和分析,对其断裂机理提出了看法,并对其宏观机械性能的变异规律给予机理上的解释.     

沥青混合料抗车辙性能试验对比分析

为了确定用于沥青混合料高温性能设计的最优试验方法和评价指标,分别采用动态模量试验、间接拉伸强度试验、车辙试验和单轴重复荷载试验对9种沥青混合料的抗车辙性能进行测试,通过统计学方法对比分析了不同试验方法的合理性.试验结果表明:动态模量试验和高温间接拉伸强度试验不能准确地评价混合料的抗车辙性能;车辙试验仅适用于区分不同新拌沥青混合料抗车辙性能的优劣,是否适用于评价再生混合料尚存疑问;重复荷载试验具有更好的区分度和合理性,并可得到材料的基本力学参数;将基于重复荷载试验的流变次数指数作为抗车辙性能评价指标更为准确;在评价新拌沥青混合料时车辙试验和重复荷载试验结果具有良好的相关性,但是该关系并不能拓展到再生混合料中.     

国产结构用铝合金断裂韧性参数校准

为了将空穴增长模型(VGM)和应力修正临界应变模型(SMCS)应用于国产结构用铝合金的韧性断裂预测,完成了国产6061-T6、6082-T6和7020-T6 3种牌号的铝合金标准圆棒试件和缺口圆棒试件的单轴拉伸试验,并结合有限元分析,校准了3种牌号铝合金的VGM和SMCS模型断裂韧性参数.研究结果表明:槽口半径大小对各牌号铝合金试件的断裂韧性参数校准值影响较小,离散系数均在20%以内;断裂韧性参数是铝合金材料固有属性,可用于国产结构用铝合金在不同应力状态下的韧性断裂预测;与SMCS模型相比,VGM模型能够更为精确地预测铝合金材料的韧性断裂.     

关于韧性断裂的颈缩区模型

报告了对计算韧性断裂传播阻力的颈缩区模型的进一步研究。对冲击加载下拉伸撕裂双悬臂梁试件断面的精密测量,再次证实颈缩区模型反映了韧性断裂传播过程的主要特征。与静载撕裂相比,动载撕裂时颈缩区宽度减小而区内平均应变增大,但颈缩区宽度系数k1和应变系数k2的乘积nk则几乎与试件韧带厚度和加载速度无关,可看作韧性断裂传播阻力的材料常数。动载时阻力增大的主要原因是材料的应变率强化。颈缩区模型不仅提供了计算结构撞击破坏时韧性断裂所耗散能量的工程方法,也提供了用静载撕裂试验和动态拉伸试验确定动载下韧性断裂传播阻力的方法。     

活性粉末混凝土冲击拉伸试验研究

采用霍普金森压杆(SHPB)对活性粉末混凝土(RPC)进行冲击劈裂拉伸和冲击轴向拉伸试验.结果表明:RPC冲击轴拉强度是冲击劈拉强度的一半左右;钢纤维提高了RPC冲击拉伸强度1～1.5倍,并使RPC破坏形态由脆性转为韧性,避免了试件的多块劈裂与多段断裂;随着纤维体积率的增大,动静态劈裂强度比值减小;造成RPC试件破坏的...     

2024Al/Gr/SiCp复合材料耐热性能研究

研究了采用真空热压法制备的2024Al/Gr/SiC_p复合材料高温拉伸性能及长时间热暴露后的室温力学性能,同时对拉伸断口进行分析,探讨了SiC颗粒和石墨对材料耐热性能的影响.结果表明:2024基体合金和2024Al/Gr/SiC_p复合材料在200℃及以下热暴露时,复合材料的强度下降幅度较小,但基体合金的强度下降幅度明显比复合材料的大,这与增强相SiC颗粒与石墨提高了材料的耐热性能有关.在300℃热暴露条件下,2024基体合金和2024Al/Gr/SiC_p复合材料的力学性能快速下降.2024Al及其复合材料的高温拉伸性能随拉伸温度升高而下降,在200℃及以下温度抗拉强度较好,250℃及以上温度抗拉强度快速下降.高温拉伸和热暴露处理后的2024铝合金基体的断裂机制为韧性断裂,2024Al/Gr/SiC_p复合材料的断裂机制为基体韧性断裂及石墨断裂、SiC颗粒与界面分离的混合断裂机制.