基于多孔洞体胞模型的韧性材料损伤机制

分别采用含100、50和25个随机分布微孔洞体胞模型,对体胞内应力分布和孔洞长大规律进行统计分析,在此基础上讨论采用含25个随机分布微孔洞体胞模型作为宏观材料代表性单元(RVE)来研究材料损伤机制的合理性,并对变形过程中体胞内各微孔洞演化过程进行了研究.结果表明:由于体胞内微孔洞的随机分布,造成孔洞周围基体材料最大三轴应力参数增加,从而导致该孔洞的快速增长,并带动周围微孔洞快速增长,这种孔洞的快速长大链式反应导致在很短的时间材料内出现大量微孔洞,并聚合形成微裂纹,直至试样最后失效,该结果较清楚解释了韧性材料圆棒试样只在颈缩阶段才会产生大量的微孔洞的试验现象的原因.含随机分布多微孔洞体胞模型能够用于分析周期分布微孔洞体胞模型无法反映的体胞内微孔洞非均匀发展的过程,因此更适合于研究韧性材料的损伤破坏机制.     

考虑微凸体基体变形和相互作用的结合面法向接触刚度模型

针对以经典Greenwood-Willamson(GW)统计模型为基础建立的结合面法向接触刚度计算模型忽略微凸体基体变形和相互作用而导致的结合面刚度计算值增大的问题,建立了一种综合考虑微凸体基体变形和相互作用的结合面法向接触刚度模型。该模型以GW统计模型计算刚度的方法为基础,根据经典赫兹接触理论和弹性理论,在微凸体的总变形量中引入单个微凸体受法向载荷作用时基体的变形函数和周围区域的变形函数,采用不动点迭代法先后推导出单独考虑微凸体基体变形或相互作用时结合面法向接触载荷和刚度的表达式。对两种变形函数进行叠加给出了含微凸体基体变形和相互作用的结合面法向载荷和刚度的表达式,进而建立了结合面法向接触刚度模型。与GW统计模型进行了对比,仿真结果表明:考虑微凸体基体变形或相互作用的结合面法向接触刚度小于GW统计模型的法向接触刚度,在微凸体高度标准偏差为0.05μm时,最小结合面平均分离距离下考虑基体变形后结合面法向接触刚度下降9.8%,考虑微凸体相互作用后结合面法向接触刚度下降23.2%,此时微凸体相互作用比基体变形对系统的总刚度影响大。随着微凸体高度标准偏差的增大,前述两因素对结合面法向接触刚度的影响规律呈现相反的趋势。     

一种延性材料的统计损伤演化模型

通过对微孔洞成核,成长过程的合理简化,建立了微孔洞演化的控制方程,得到了延性材料微孔洞数密度及损伤演伤方程的解析式。据此讨论了孔洞成核和成长对损伤演化的作用,为连续损伤理论的唯象描述提供了有参考价值的分析。提出了统计损伤与连续损伤理论相结合的损伤演化模型的锥形。     

微观孔洞演化的分子动力学研究进展

先进金属材料如镍基单晶高温合金、特种钢材、钛合金、铝合金、3D打印多晶金属中普遍存在微孔洞。由于微孔洞演化和损伤机理性认识缺乏,微孔洞对材料性能影响尚未得到统一认识,关键在于实验手段难以获知应力、应变、能量等物理场。分子动力学模拟可以提供直观的原子运动信息,通常用来研究微孔洞演化对材料性能影响,为先进材料设计和性能调控提供理论依据。通过分子动力学计算得到的能量、应力、应变等,可以为更大尺度计算提供微孔洞演化物理本质。本文针对分子动力学模拟在微孔洞及其演化对材料性能影响的应用,从国内外研究现状出发,总结了当下热点和关键结论,分析了分子动力学应用存在的问题,对未来的发展趋势做出了展望。     

微弧氧化-电化学共沉积磷酸钙类涂层的研究

本项工作采用电沉积的方法在微孤氧化后的钛基体上制备了磷酸钙类涂层.室温条件下在300V恒压下阳极氧化1min,形成均匀孔洞的钛片,孔洞周围有较规则的突起,在此基础上进行电沉积不同时间获得磷酸钙类涂层.用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等手段对涂层进行了表征,体外模拟后涂层表面形成了羟基磷灰石,锐钛矿型TiO2,金红石型TiO2.涂层的磨损试验结果表明,该涂层的摩擦磨损性能得到了极大的改善.     

温度对动态孔洞增长的影响

将孔洞化的概念推广到动态情况并考虑了温度效应对其影响.研究了弹塑性材料中一个球形孔洞从稳定到不稳定直到破坏的整个动态增长过程.得到了常载荷下孔洞增长率的封闭形式解．当孔洞半径趋于无穷，也就是失稳的极限情况下可得到孔洞增长率的一个有限值．此极限值与温度效应有关．文中还分析了孔洞增长时间随孔洞半径的变化规律，此规律也受到温度引起的热效应的影响.     

X80管线钢微孔洞形核

利用扫描电镜和透射电镜等手段,观察了X80管线钢中的夹杂物和MA岛,获得了它们的尺寸统计特征.应用不同颈缩程度的拉伸试验,探明了X80管线钢中微孔洞萌生的机理：第一阶段微孔洞的形核是围绕钙处理夹杂物,在颈缩初期已经开始;第二阶段属高应变量阶段,此时孔洞是通过MA岛/基体界面脱离形核.通过有限元法分析了拉伸过程,确定了试样的真实应力--应变曲线,计算了钙处理夹杂物/基体界面强度和MA岛/基体界面强度.     

压剪耦合损伤演化方程在混凝土本构模型中的应用

将等效微孔洞体系的概念与有核长大模型的思想相结合,根据有关物理关系通过严格的数学推导,提出了一种脆性材料的压剪耦合损伤演化方程.将该演化方程应用于混凝土脆弹性损伤软化本构模型之中,通过对混凝土一维应力条件下的实验应力应变曲线的优化数值模拟确定了损伤演化方程中的材料参数.研究结果表明,应用含损伤的本构关系和该压剪耦合损伤演化方程能得到损伤随时间变化的曲线,该曲线与采用CT技术观测的混凝土内部微孔洞扩展图像和结果有较好的一致性.所提出的损伤演化方程揭示了脆性材料压剪耦合损伤发展的宏细观机制,为更好地分析计算混凝土的高速贯穿等问题奠定了基础.     

穿甲试验靶弹孔微观结构和绝热剪切带特性

发射海37弹道炮对60钢装甲靶板穿孔周围的微观结构进行了研究，在弹孔表面发现有钨的成分，说明在高速侵彻过程中产生的高压可以使钨熔化，弹孔周围的绝热剪切带沿主剪应力方向形成，与静态塑性变形滑移线方向接近，绝热剪切带上不均匀的变形将产生微裂纹和微孔洞，在弹孔周围同时发现相变带和形变带两种绝热剪切带。     

考虑临界变形量变化的结合面法向接触刚度计算模型

考虑微凸体接触过程中临界变形量变化,建立结合面法向接触刚度计算模型.采用分形几何表征结合面的形貌特征,由表面形貌测量数据得到分形函数的分形参数D和G.采用弹塑性变形接触理论分析微凸体的接触变形特征,得到微凸体的临界变形量估计模型,其是分形参数和微凸体接触变形量的函数,进而得到考虑临界变形量变化的单个微凸体的接触刚度计算模型.由分形理论得到粗糙表面微凸体分布函数,微凸体分布函数与单个微凸体接触刚度计算模型结合得到结合面的法向接触刚度计算模型.通过对比计算结果与实验数据,验证了所提模型的合理性.     

橡胶增韧环氧树脂增韧机理的断裂力学研究

测量了 ＣＴＢＮ增韧环氧树脂的ＪＲ阻力曲线，利用理想弹塑性平面应变Ｉ型定常扩展裂纹的局部解及塑性介质中孔洞演化的Ｒｉｃｅ－Ｔｒａｃｅｙ方程，近似计算了裂纹尖端附近的孔洞化塑性体膨胀和残余应变能密度。通过对增韧机制的力学分析．得到定常扩展裂纹与起裂状态时的断裂韧性差值与 ＣＴＢＮ体积分数及材料断裂应变的关系式，它对环氧基材料的增韧设计有一定的指导意义。     

透水性对丁坝周围能量变化的影响试验研究

丁坝是航道整治常用的整治建筑物之一,实际工程中其多由块石抛筑而成并具有一定的透水性.通过水槽概化模型试验和理论分析相结合的方法,研究了不同空隙尺寸和不同空隙率条件对坝身段、坝头前端和主流带区能量变化的影响,结果表明:透水丁坝在坝身段空隙尺寸越小,水流通过损耗位能越少;坝头前端动能与空隙尺寸成反比,与空隙率成正比;主流带区,空隙尺寸和空隙率的变化对位能影响不明显,对动能影响明显.研究成果对于深刻认识实际丁坝工程失稳机理具有重要意义,并可为丁坝设计和修复提供技术支撑.     

高孔隙率多孔介质材料有效复合模量的预估

利用分割孔隙的方法,取一半孔隙作为夹杂,另一半和原基体作为新基体,首先利用Mori-Tanaka法求得新基体的有效模量,然后类似地对新基体和另一半孔隙,利用相同的方法求得多孔介质的有效复合模量。通过实例计算表明,即使当孔隙率较大时,现方法与试验数据也相当吻合。     

齿形零件精冲成形三维有限元模拟与工艺优化

利用DEFORM-3D建立了三维精冲有限元模型,采用更新拉格朗日弹塑性有限元方法和基于应变梯度、表面曲率的网格自适应技术,对齿轮精冲的局部剧烈塑性变形进行了模拟.通过DEFORM用户子程序实现了Schiffmann损伤功密度的半耦合计算,分析了成形过程中静水应力、等效应力、等效应变和损伤的分布以及发展趋势,并预测了不同工艺参数下的精冲力和齿轮不同部位塌角高度、光亮带高度.利用模拟得出的最佳工艺参数获得了合格的齿形零件.     

机场水泥混凝土道面脱空判定及影响

根据现场实测弯沉数据和理论计算结果,提出了适用于机场水泥混凝土道面的基于HWD(High WeightDeflector)弯沉测试的脱空判定标准.采用三维有限元软件ABAQUS,分析了不同脱空状态对道面荷载应力的影响,并给出了不同脱空程度对道面使用寿命影响的算例.研究表明,水泥混凝土道面板边脱空判定标准为"板边弯沉/板中弯沉>1.8";板角脱空判定标准为"板角弯沉/板中弯沉>3.0";道面脱空严重时,道面板的荷载应力增幅超过250%,道面使用寿命下降迅速;在脱空发展初期时,脱空面积的影响并不显著,随着脱空区域基层反应模量下降,脱空面积影响的显著性迅速增大.     

韧性断裂的微孔损伤理论分析

在连续损伤、等效应力和热力学的基础上 ,建立了广义的微孔损伤理论模型 ,并用于微孔长大和聚集的分析 理论分析表明 :微孔体积分数与等效应变成指数关系 ,三向应力对微孔的长大和聚集有很大的影响 笔者建立实验的模型和理论相比较 ,可以得到 :随着S值的降低 ,模型由理论模型逐渐转化为实验模型 ,S反映空洞间的相互作用 ,当S <0 .6 5时 ,随着二相粒子体积分数的增加 ,S值增加     

大变形固结计算模型及定解条件的探讨

本文考虑了孔隙比与有效应力、孔隙比与渗透系数的非线性关系,建立了一维普遍大变形非线性固结方程,并详细讨论了初始条件及排水、不排水、半排水等边界条件对土体固结的影响.应用显式与隐式差分相结合的方法离散了该方程,以吹填土实验资料为依据,计算了初始固结时土体的非均匀性与土体边界孔隙比随过程变化这两种因素所组合的四种情况.结果表明,本文所建立的大变形计算模型是合理可行的,所建立的固结方程以及半排水情况下的计算式是正确的,可应用于实际工程计算.     

沥青混凝土有效孔隙结构特征对排水性能的影响

本文对目标孔隙率3%的SMA-13,目标孔隙率6%、9%、12%的AM-13及目标孔隙率15%、18%、21%、24%的OGFC-13沥青混合料进行研究,通过室内试验及数字图像处理技术,提供一个较为准确的孔隙分析方法。通过CT扫描出不同沥青混合料的内部微观结构图,利用数字图像技术结合MATLAB软件对其进行二值化处理后,将结果进行三维重构并计算总孔隙率。对重构模型用区域生长函数计算连通孔隙率,并将模型与实验室计算所得总孔隙率、连通孔隙率与渗水系数进行分析,得出三者的函数关系。最后运用ABAQUS软件建立渗透仿真模型进行沥青路面排水模拟。结果发现SMA-13与AM-13只能应对中小降雨情况,当OGFC-13孔隙率为15%到21%时能够应对大雨情况,24%时也可以应对暴雨情况。     

热冲击下粘-弹塑性材料的热空化

理论分析了粘-弹塑性材料的热空化问题.引入对数应变描述塑性区域不可压理想大变形,在粘弹性区采用了小变形理论,由此给出了含单一微孔无限大粘-弹塑性介质中微孔增长问题的数学模型,通过积分方法得到了微孔增长问题的解析解,并推导出了动界面的非线性演化方程.数值算例分析了铝合金材料的热冲击温度、升温率、粘性等因素对于动界面移动规律和微孔动态增长的影响,并且得到了热空化临界温度.