王子兴[1]2013年在《金属塑性材料拉伸过程的细观模拟与声发射特性研究》文中指出金属塑性材料的形变与断裂是石油化工设备中常见的失效形式。实际金属塑性材料在成形、加工和使用过程中往往会产生各种微观缺陷，材料的宏观力学性能很大程度上取决于其内部缺陷的发展。将细观与宏观研究方法相结合，建立相应的宏细观破坏理论是固体力学的发展趋势。材料的声发射过程是同力学过程及材料内部结构演化相统一的伴生现象，经过多年的发展与完善，声发射技术已经成为材料研究的有效工具。应用声发射技术来描述金属塑性材料在加载过程中微孔洞缺陷的损伤演化过程，对于深入了解材料损伤行为、评定材料性能及结构安全可靠性具有理论和现实意义。本文结合黑龙江省自然科学基金项目《金属构件低周疲劳细观损伤机理及声发射评价方法研究》，以金属材料中存在的微孔洞缺陷为出发点，在细观损伤力学理论模型及材料微孔洞损伤演化过程的声发射特性基础上，开展金属塑性材料声发射量化评价方法的研究。以Q345钢和20钢Φ8mm圆棒缺口试件拉伸损伤断裂过程为例，采用声发射测试技术，获取材料从屈服到断裂失效过程的声发射信息。应用ABAQUS有限元软件，以Gurson-Tvergaard-Needleman细观损伤模型为对象，分析缺口试件拉伸断裂过程细观损伤参量的数值演化情况，得到材料孔洞扩张比的数值解。结合声发射测试实验和数值模拟结果，建立基于孔洞扩张比为损伤变量的金属塑性材料声发射累积撞击计数量化评价公式。金属塑性材料的细观损伤机理是微孔洞形核、长大及汇合的过程。实验表明，声发射累积撞击计数变化直接对应着材料的不同损伤阶段。孔洞扩张比是建立在金属塑性材料微孔洞损伤基础上的细观力学参数，是联系细观损伤特征与宏观力学参数之间的桥梁，孔洞扩张比的变化就直接反映着材料的劣化状态。数值模拟得到了Q345钢和20钢试件缺口前端不同损伤状态下的孔洞扩张比数值演化规律。通过构建声发射累积撞击计数与孔洞扩张比之间的函数关系，得出金属塑性材料从屈服到断裂过程分为线性损伤和非线性损伤两个阶段，并确定了Q345钢和20钢损伤临界转变点的声发射累积撞击计数值。这一临界转变值可以作为材料损伤临界状态的声发射识别特征及安全评定阈值。
陶新刚[2]2011年在《基于损伤力学的楔横轧件内部损伤开裂的研究》文中研究表明楔横轧工艺具有成形的产品精度高、生产效率高等优势,在工业生产中有着广泛的应用。楔横轧类成形工艺的一个致命的弱点是当楔横轧模具磨损后或成形参数设计不当时,成形产品的中心材料容易受到损伤。轴类锻件一般都承受较大的扭矩和弯矩载荷,对材料的组织性能有着较高的要求,不允许材料裂纹和孔腔的存在。目前关于楔横轧类工艺中心材料的损伤和开裂问题,已成为制约该工艺推广应用的核心问题之一。本文对不同的韧性断裂准则在楔横轧成形过程中的适用性进行了深入地、系统地分析,并从损伤力学的角度建立了一个适合楔横轧工艺的韧性损伤演化方程从而预测楔横轧件心部宏观缺陷,为更准则地预测楔横轧成形过程中断裂发生提供了一种行之有效的方法。主要研究内容和结果如下：运用DEFORM-3D有限元模拟软件和热模拟压缩实验得到的45钢应力应变数据,对常用的八种韧性断裂准则作了适用性分析,确定了Oyane准则是最适合预测楔横轧变形过程中韧性断裂准则,并结合实际轧件断裂形貌和有限元模拟方法确定了45钢在1150℃下楔横轧工艺条件下的损伤阈值为2.72。基于损伤力学理论和楔横轧件中心材料受力特点,提出一个新的韧性损伤演化方程,并利用热模拟压缩实验和多道次拉伸实验确定了韧性损伤演化方程中的修正系数A(Z)。运用DEFORM的二次开发,将这一准则嵌入有限元程序中进行模拟计算,得到了楔横轧件的损伤分布场,与实际实验结果具有较好的一致性。采用实验有限元相结合的方法,获得了楔横轧工艺条件下45钢材料的损伤阂值为2.77,采用有限元模拟方法,得到楔横轧工艺轧件中心材料损伤的产生、发展直到裂纹的产生整个过程,为深入认识楔横轧件中心开裂机制和认识优化模具设计打下了良好的基础。利用DEFORM-3D有限元模拟软件模拟分析正常模具、出现心部宏观缺陷的模具、横轧模具下轧件的应力应变变化规律,结果发现横轧轧件心部的平均应力在变形过程中始终处于正值状态,出现心部宏观缺陷的模具加工的轧件心部的平均应力在变形过程平均应力以正值为主,而正常模具加工的轧件心部的平均应力数值在变形过程中围绕零上下波动。所以认为平均应力为正是导致楔横轧出现心部宏观缺陷的主导因素。
黄建科[3]2009年在《金属成形过程的细观损伤力学模型及韧性断裂准则研究》文中进行了进一步梳理金属塑性成形技术具有生产效率高、材料利用率高、产品质量稳定等优点,而且还能有效改善工件的力学性能,在金属零件制造过程中占据了重要的地位。在金属塑性成形领域内,金属材料的成形性能(可加工性能)的研究一直是人们关注的课题,而金属的损伤和韧性断裂是影响成形性能的重要因素。随着计算机硬件和软件技术的发展以及金属塑性流动理论的日臻完善,利用数值模拟技术,可以准确计算金属成形过程中的应力、应变等物理量的分布,但对成形过程中断裂等缺陷的预测尚不够成熟,这是塑性成形过程模拟技术推广应用的一个瓶颈问题。金属韧性断裂是损伤累积的结果。金属成形中工件的破裂通常要经历以下的过程:微孔洞的形核、长大、聚合直至产生塑性变形局部化,最终产生宏观裂纹。细观损伤力学模型以孔洞演化理论为基础,从物理本质上反映了材料微观结构的劣化最终导致材料失效断裂过程。但是细观损伤力学模型本身存在一些理想化的假设,引入了一些试验难以测定的模型参数,因此没有在工程中得到广泛应用。合理地确定这些模型参数是将细观损伤模型正确地应用于工程分析的必要条件。韧性断裂准则是预测金属材料发生断裂的判据,已有的韧性断裂准则还只能针对特定加工工艺中的破裂进行预测。金属成形工艺的多样性要求韧性断裂准则应该具有宽阔的适用范围。本文针对细观损伤力学模型和韧性断裂准则及其在金属成形有限元模拟中的应用进行了较为深入的研究,主要研究内容和结果如下:提出了一组误差评价函数来评价Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN)细观损伤模型模拟工程金属材料宏观力学行为的准确度,从而合理地选取GTN模型参数,并进行了孔洞形核参数的优化。根据能量最小原理,建立了孔洞聚合的分析模型,推导了叁维孔洞体胞模型中临界断裂时的等效应变与孔洞体积分数之间的函数关系。对单向拉伸试件断口处的孔洞体积分数进行了测量,结果表明:本文提出的该函数关系比依据二维孔洞体胞模型推导的函数关系更接近于试验的结果。比较和评价了工程中常用的六种韧性断裂准则的适用范围和准确度。依据试验观测结果,将金属成形过程中的韧性断裂机制分为拉伸型和剪切型两种类型,提出了一个适用于不同变形路径的统一形式的韧性断裂准则。数值模拟结果与拉伸、压缩、扭转、先扭转再拉伸等材料试验结果的对比验证了该准则在不同变形方式下都具有较高的准确性。将新建立的韧性断裂准则应用于金属板料成形和体积成形工艺中的韧性断裂预测。采用经过单向拉伸预变形的板料进行拉深试验,结果表明采用本文提出的韧性断裂准则比成形极限图(FLD)能够更准确地预测非线性变形路径下的板料拉深过程中的破裂现象。采用不同断面缩减率进行了金属正挤压试验,结果表明新的韧性断裂准则能够很好地反映挤压件中同时存在拉伸型和剪切型两种韧性损伤的现象,并能准确预测挤压件表面裂纹的出现。
翟妮芝[4]2007年在《数值模拟在板材成形极限分析中的应用》文中提出板材成形极限是加工过程中，板材在塑性失稳前取得的最大变形程度。由它得到的成形极限图是判断和评定金属板材成形性最为简便和直观的方法，可以解决板材冲压成形工艺和模具设计中的多数问题，如起皱和破裂的预测，压边力、成形力的确定，坯料尺寸的估计和分析回弹等。近年来板材成形中开始广泛使用数值模拟技术来分析板材成形中的起皱、破裂等问题，为数值模拟获得成形极限图(FLD)奠定了基础。 有限元模拟要想获得精确可靠的FLD，离不开成形性理论的指导。本文提出利用材料的力学性能参数，采用数值模拟与韧性断裂准则相结合的方法预测板材的成形极限。综合分析了各种韧性断裂准则的特点及其影响因素，选择了在连续介质损伤力学Lemaitre的理论基础上建立的韧性断裂准则，应用混合法计算出了韧性断裂准则中的材料常数。 应用数值模拟与韧性断裂准则相结合的方法预测了A15754和SPCC两种板材的成形极限图，讨论了速度对成形极限图的影响。将韧性断裂准则的预测结果与Hill48和Hill93两种屈服准则极限应变计算公式的理论计算值进行了比较，两者吻合较好。 应用考虑应力叁轴度的Oyane韧性断裂准则、Brozzo准则、Yu zhongqi准则，预测了X611-T4、A6111-T4和A5754-O叁种汽车覆盖件材料的胀形极限。与实验结果比较表明，Oyane准则和Yu Zhongqi准则的预测结果较好，Brozzo准则预测结果偏差较大。讨论了压边力、摩擦系数及材料的一些力学性能参数对板材胀形极限的影响。
李泽深[5]2016年在《往复荷载下T形钢连接节点基于细观机制的破坏过程研究》文中认为T形钢连接梁柱半刚性节点构造简单、施工方便、是所有半刚性节点中最刚劲的一种,具有广阔的应用前景。震害调查表明,高层钢框架结构的梁柱节点位置发生断裂破坏的现象会导致整个结构失效倒塌。但目前要对往复荷载作用下结构的破坏进行预测还有许多问题有待进一步研究。本文采用宏细观相结合的研究方法,对T形钢连接梁柱半刚性节点在往复荷载作用下的破坏过程进行分析。主要的研究工作及结论总结如下:1.对六个T形钢连接梁柱半刚性节点试件进行往复荷载作用下的试验。试验结果表明:T形连接件的断裂是导致节点失效的重要原因;节点在往复荷载作用下变形性能良好,荷载一位移滞回曲线多呈Z形,有明显的捏缩现象;T形连接件的尺寸对节点的刚度、承载能力及延性、耗能等影响最大;随着梁端位移的增加,节点的损伤呈加速发展的趋势,利用本文提出的节点损伤模型可以较为合理地预测节点在往复载荷下的损伤过程。2.从材料尺度研究Q235钢的破坏行为。考虑到强震载荷下材料在大应变、低循环周次下的破坏特征,进行了不同缺口半径圆棒试样大应变往复荷载下的破坏试验,得到各组试样的启裂位置、循环寿命、裂纹扩展过程、最终破坏状态以及破坏断口形貌,并对缺口试样往复荷载下的韧性破坏全过程进行模拟。模拟得到的不同缺口半径试样在大应变往复荷载下的破坏启裂位置、裂纹扩展过程和应力-应变曲线均与试验相吻合,从而验证了宏细观结合方法模拟破坏的合理性。3.对缺口圆棒在大应变往复荷载作用下的破坏断口进行分析,发现其破坏机制为孔洞聚集型断裂,因此,采用组合功密度模型作为材料单元体的破坏判据,与Chaboche循环塑性理论相结合,建立了描述往复荷载下变形韧性损伤破坏的材料本构模型。利用光滑圆棒及缺口圆棒试样在往复荷载作用下的材性测试,对模型进行了参数标定。4.对T形钢构件进行定幅和变幅的往复加载试验测试。获得了钢构件的破坏模式、启裂及断裂循环圈数/位移。借助本文建立并标定的描述往复荷载下变形韧性损伤破坏的本构模型,结合有限元方法,对T形连接件在往复荷载作用下的断裂过程进行预测。结果表明利用本文方法可以较为准确的预测T形钢构件往复加载下的破坏过程。5.建立T形钢连接梁柱半刚性节点的有限元模型,详细阐述了模型的网格划分、材料性能、边界条件、接触面的定义、载荷的施加等建模过程;并对不同材料模型、不同接触滑移类型的有限元模型计算结果进行对比分析。分析结果表明:与采用等向强化弹塑性材料本构模型计算得到的结果相比,采用Chaboche材料本构模型计算的结果可以更好的模拟节点在往复荷载作用下的响应;考虑螺栓连接半刚性节点特有的节点区域变形较大的特征,采用有限滑移定义滑移量更合理。6.利用本文建立的考虑材料的循环塑性特性、节点区域各构件接触面之间的挤压和滑移现象的T形钢连接梁柱节点有限元模型,对往复荷载作用下T形钢节点试验过程进行模拟仿真分析,并将计算结果与试验结果进行了对比和验证。证实本文建立的有限元模型可合理地模拟节点往复加载试验过程,可得与实测结果相符的滞回曲线及节点的变形特征。7.利用有限元分析方法,对不同构造的T形连接件节点形式、不同T形连接件尺寸、不同梁截面尺寸节点进行往复荷载作用下的计算,对各组试样的滞回及耗能性能进行了对比和分析。分析结果表明:对T形连接件翼缘进行加宽的节点连接形式,其延性及耗能性能均优于传统T形钢连接梁柱节点;增加T形连接件腹板厚度、梁截面高度均可提升节点的耗能性能;T形连接件腹板、翼缘厚度如果设置的太大,反而会限制节点的延性、耗能也会受到影响。
周蕊[6]2013年在《粉末冶金压坯残余应力与裂纹损伤研究》文中提出粉末冶金作为一种近净成形制造技术，具有高效、省材、节能、环保等诸多优点，故备受工业界的重视。对于粉末冶金机械零件行业来说，生产过程中零件压坯中产生裂纹是一个长期没有解决的课题。实际上，粉末压坯的裂纹可能出现在压制成形和运送阶段的各个环节。为了避免和防止裂纹产生，除了传统的经验方法，将计算机仿真技术引入粉末冶金模具和工艺设计，对粉末冶金零件生产过程中的工艺过程与裂纹缺陷进行分析预测，进而制定合理的工艺方案及参数，是目前最为有效的科学手段。由于粉末成形机理与过程复杂，尚没有一个公认的数学模型，对于粉末压坯裂纹形成的定量分析则更少。为此，本文基于更具应用前景的广义塑性力学模型研究金属粉末压制致密化过程以及压坯脱模后残余应力分布规律，并在此基础之上对不同生产阶段的压坯裂纹损伤进行研究和预测分析，为优化模具和工艺参数，提高粉末冶金产品的质量，提供科学有效的依据。论文主要研究内容和成果如下：1、建立了适用于本文所用金属材料成形的密度相关的广义塑性力学屈服模型，即修正的Drucker-Prager Cap屈服模型。结合粉末闭模压制成形实验和压坯强度实验推导了模型待定参数的求解公式，以Distaloy AE扩散预合金铁粉为实验材料，确定了模型各参数与相对密度的函数关系。2、基于所建立的金属粉末广义塑性力学模型，利用Abaqus二次开发技术，实现了金属粉末成形过程的弹塑性有限元模拟；对比了压制力曲线和相对密度分布的有限元分析与实验结果，二者吻合良好，验证了金属粉末广义塑性力学模型的正确性。3、采用X射线衍射技术，对不同压制压力（450MPa和600MPa）以及润滑条件下，ASC100.29和Distaloy AE两种金属粉末压坯表层的残余应力进行测试，获得了金属粉末压坯残余应力分布规律。4、采用所建立的金属粉末广义塑性力学模型，对粉末压坯脱模后残余应力分布进行了有限元数值模拟。讨论了粉末压制与脱模过程粉体单元的网格参数和阴模材料类型对压坯残余应力计算结果的影响，并根据实验数据对有限元模型进行了合理的修正，保证了残余应力的分析精度，为粉末压坯裂纹损伤研究奠定了基础。5、分析了金属粉末压制与脱模过程中的裂纹成形机理，结合该环节的裂纹损伤特点，基于金属粉末广义塑性力学模型导出了粉末压坯韧性损伤模型，并确定了裂纹损伤阈值。6、基于上述韧性损伤模型，利用Abaqus二次开发技术，实现了粉末压制以及压坯脱模过程裂纹损伤的有限元模拟分析，讨论了压坯几何形状、模腔润滑条件、以及阴模出口脱模角度叁种因素对压坯损伤的影响。7、采用圆弧型加载方式的巴西圆盘实验方法，结合理论分析、有限元数值模拟，获得了ASC100.29和Distaloy AE两种金属粉末压坯的力学性能和损伤断裂参数，包括压坯抗拉强度t、弹性模量E、断裂韧度KI和断裂能量Gf与相对密度的函数关系，为压坯损伤与断裂模拟提供了可靠的数据。8、建立了适用于夹持损伤分析的基于断裂能量的双线性和指数型两种金属粉末压坯内聚力损伤模型，通过粉末压坯巴西圆盘实验及其有限元数值模拟，对两种内聚力损伤模型的有效性和精确性进行了分析；计及压坯脱模后残余应力，采用精度更高的指数型内聚力模型，对环形零件粉末冶金压坯运送过程中夹持裂纹损伤进行了有限元预测分析，进而结合零件技术要求对夹持工况参数进行了研究，得到了环形零件族粉末冶金压坯的极限夹持工况参数。
吴治辉[7]2003年在《韧性材料损伤断裂过程的数值模拟》文中指出从微观出发研究裂尖区域材料的微观结构变化所产生的影响是当前断裂力学的发展趋势及前沿课题内容。而将损伤力学和断裂力学结合起来，研究物体的破坏现象，是一个值得开拓的领域。 本文对韧性金属材料的破坏断裂过程进行了研究，主要开展了以下几个方面的工作： 1．基于CTOA判据的延性宏观断裂过程的数值模拟与分析，指出了传统的宏观断裂力学在研究分析裂纹问题、特别是在探求及揭示裂纹萌生及演化的深层机理时的局限性。 2．对内聚力模型(Cohesive Zone Model)在裂纹问题中的应用进行了初步的尝试，计算结果表明，损伤在裂纹前缘一定距离处达到最大，最大应力发生在裂纹前方而不是在裂纹尖端。 3．对Gurson模型在裂纹扩展中的应用进行了研究。利用结合Gurson模型的大变形有限元程序对裂纹扩展路径上的含孔洞单元的尺寸与裂纹扩展速率的关系进行了数值模拟与分析，并结合韧性材料起裂、裂纹扩展直至断裂的一般性规律以及一些相关的试验数据，确定了适用于有限元数值模拟裂纹扩展过程的裂尖单元的合理尺度。 4．在以上研究的基础上，为解决工程应用的实际问题，本文提出了“尺度相关的临界孔洞体积百分比判据”。利用该观点，对于工程应用中大尺寸构件断裂性能的分析，可以采用合理尺度的裂尖单元进行有限元数值模拟(临界孔洞体积百分比判据为相应尺度下的数值)，从而在一定程度上大大降低了几何建模的复杂度，减少了问题的求解时间，提高了工作效率。
刘桂华[8]2008年在《楔横轧叁维变形的数值模拟研究及内部缺陷预防》文中提出阶梯轴类锻件在工业生产中有着广泛的应用。随着制造业的快速发展,楔横轧成形技术越来越受到重视,其应用领域也在不断扩展。本文的研究工作针对楔横轧工艺应用中的关键问题,应用大型商品化软件对楔横轧叁维变形过程进行数值模拟研究,对轧件内部缺陷产生的机理及预防进行深入探讨。采用DEFORM-3D有限元模拟软件,对楔横轧变形过程进行了叁维数值模拟,分析了成形过程中轧件内部材料与流动规律有关的速度场和位移场,各阶段应力场、应变场的分布状况,模具载荷的变化情况以及轧件变形区的接触特点,并用光塑性物理实验结果进行了验证,确定了数值模拟方法研究楔横轧的有效性。研究了变形温度、变形速度和应力状态对楔横轧成形过程中轧件内部塑性的影响。得到了轧件心部材料的受力状态为两向拉应力,一向压应力;轧件心部材料的应变状态为两向拉伸变形,一向压缩变形。指出在楔横轧成形过程中,变形温度和变形速率的变化不大,对轧件心部的塑性影响较小,轧件心部的受力和变形状态降低了轧件的塑性成形能力,是导致轧件心部破坏的内在原因。分析了现有的韧性破坏准则,结合楔横轧变形特点、受力状态及内部缺陷产生的主导因素,选定了一种能够较好适用于分析楔横轧内部韧性损伤的破坏准则。应用这一准则得到了轧件内部损伤分布及其变化特点,研究了变形参数和变形量分配对轧件内部损伤的影响,确定了预防轧件内部疏松缺陷的工艺设计及变形量分配原则,应用于实际生产中的工艺模具设计,收到了较好的效果。
唐雨建[9]2007年在《考虑细观损伤的韧性断裂研究》文中认为工程材料的破坏往往与裂纹演化密切相关，而裂纹前缘区域内的应力、应变及材质在微细观结构组织上的变化是影响裂纹扩展的控制因素。从细观出发，研究裂纹前缘区域材料的微细观结构变化带来的影响是断裂力学的发展趋势及前沿课题之一。金属学的观点认为，孔洞的形核、生长和聚合对金属的韧性断裂起着主要作用。孔洞的形核通过二相粒子与基体材料界面分离或二相粒子碎裂而形成，并由于周围及基体材料的塑性变形而生长、扩大。微孔洞的形核、生长、聚合导致韧性材料裂纹的扩展。因此可以用考虑孔洞效应的G-T-N损伤模型来模拟韧性断裂裂纹前缘的力学演化过程。本文以叁点弯曲试件为模型，首先通过建立宏观尺度的力学模型，调用非线性有限元通用软件ABAQUS对韧性材料的断裂过程进行了仿真模拟。经过分析发现，传统的宏观断裂力学存在一定局限性，没有揭示出金属韧性材料裂纹前缘真实的力学场及裂纹扩展的内在原因。对上述问题建立细观尺度的力学模型，从G-T-N模型出发，对韧性材料裂纹扩展过程进行跟踪、模拟。计算并分析了裂纹扩展过程中裂纹前缘区域内的应力场，塑性应变场及孔洞百分比的分布情况，清晰地展示了裂尖材料逐渐劣化直至失效的规律和演化过程。
姜薇[10]2016年在《基于细观损伤机理的韧性断裂研究》文中进行了进一步梳理现代工业迅速发展,促使人们对材料破坏规律不断研究。韧性断裂一般会经历明显的塑性变形,是金属最常见的破坏形式。随着新设计方法的出现,需要深入理解韧性断裂机理并准确预测韧性断裂行为。细观损伤力学研究应力、应变场与材料细观结构之间的相互作用,从材料内部细观缺陷的演化过程揭示裂纹起裂、扩展直至断裂的原因,建立基于断裂机理的损伤模型,是准确预测韧性断裂最有潜力的方法之一。细观损伤模型中,应用最为广泛的Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)多孔质塑性损伤模型存在两个显着的缺陷——不适合剪切主导的破坏模式以及缺少依赖于应力状态和细观结构特征的失效准则。本文结合试验和体胞(代表性体积元)模型计算结果对GTN模型进行修正,并发展相应的数值算法以及损伤参数确定方法,从而使新模型能够准确预测广泛应力状态下的韧性裂纹扩展过程。论文首先进行了微孔洞韧性断裂机理研究。大量文献显示:金属材料的韧性断裂过程中存在着两种依赖于应力状态的细观损伤机理——内部韧带颈缩机理(internalnecking mechanism)和微孔洞剪切机理(void shearing mechanism)。于是,本文采用二维和叁维体胞模型进行了细观力学分析,对此加以验证。细观力学分析结果还给出了一系列有关韧性断裂机理影响因素(如初始孔洞体积分数、应力叁轴度以及Lode角)的重要结论,并明确显示:(1)上述两种断裂机理分别联系到不同的细观结构参数——孔洞体积分数和孔洞拉长比;(2)建立损伤本构时两种机理需要由不同的损伤参数来表征;(3)有必要建立依赖于应力状态的损伤演化规律和失效准则。其次,进行了微孔洞细观损伤模型研究。(1)在分析了GTN模型及其两种剪切修正(Nahshon-Hutchinson模型和Xue模型)的局限性之后,提出了一种适合广泛应力状态的双损伤变量GTN模型。在屈服函数中采用两个相互独立的损伤变量共同描述材料点的刚度下降及失效过程,并给出了两个损伤变量各自的演化规则。第一个损伤参数仍然是孔洞体积分数,反映拉伸载荷主导情况下由于微孔洞萌生、扩张及随后的内部韧带颈缩引起的体积损伤。新增的剪切损伤参数,反映孔洞拉长、扭曲、旋转及“次级孔洞”在内部剪切带上形核等剪切机理引起的损伤。由于采用了新的应力状态函数,剪切损伤可以在低、负应力叁轴度下累积。该模型适用于拉伸、剪切、压缩等多种载荷模式下广泛应力状态中的韧性断裂过程。(2)针对最常见的拉伸型裂纹,基于体胞计算结果建立了宏观等效应变失效准则,并确定出适合2524-T3铝合金的参数。采用建立的准则以及Thomason的塑性极限载荷准则(plastic limit-load criterion)对GTN模型进行扩充,提出了新的多孔质塑性损伤模型——GTN-E模型(以宏观等效应变作为孔洞贯通准则的GTN模型)和GTN-L模型(以塑性极限载荷准则作为孔洞贯通准则的GTN模型)。在这两个模型中,孔洞贯通的起点(失效起点)不再被看作材料常数,而分别由考虑了应力状态和细观结构特征影响的宏观等效应变准则和塑性极限载荷准则自动确定。在材料的弹塑性力学行为研究中,除了建立合理的材料本构之外,另一项非常重要的工作是研究和发展适合材料本构的数值算法。本文以双损伤变量GTN模型为例,详细推导了压力相关型塑性损伤模型(屈服函数中含有静水应力分量的塑性损伤模型)的全隐式数值积分过程;并给出了一种基于图形返回算法的一致性切线模量的显式表达,避免了繁杂的矩阵求逆工作,提高了计算效率。在ABAQUS/Standard及ABAQUS/Explicit中均编写了用户材料子程序实现双损伤变量GTN模型以及GTN-E和GTN-L模型。采用仅含一个单元的有限元模型分别施加拉伸、剪切及压缩边界条件对子程序进行测试,验证了算法的有效性。最后,对上述提出的两类模型分别进行了应用研究。(1)2024-T3铝合金完好试样在多种应力状态中的韧性断裂行为研究。进行了多种应力状态下的静力破坏试验,包含轴对称拉伸、横向平面应变拉伸、轴对称压缩以及薄壁圆筒扭转。采用提出的双损伤变量GTN模型模拟了各试验件的韧性断裂过程,通过与试验得到的位移—载荷曲线、裂纹起始位置、断口形貌的对比研究,验证了该模型的合理性和准确性。(2)2524-T3铝合金薄板中的韧性多裂纹扩展研究。对一系列多裂纹试样在拉伸载荷下进行了扩展、连通试验。采用GTN-E模型和GTN-L模型对多裂纹扩展过程中的载荷—位移曲线及裂纹扩展阻力曲线进行了预测,与试验结果的对比表明,这两种模型能够准确地预测薄板中的拉伸多裂纹扩展行为,有效地评估多裂纹薄板的剩余强度。采用提出的两类模型对2024-T3以及2524-T3铝合金进行数值分析时,均详细地讨论了损伤参数的确定方法,给出了完整的参数确定步骤。
参考文献：
[1]. 金属塑性材料拉伸过程的细观模拟与声发射特性研究[D]. 王子兴. 东北石油大学. 2013
[2]. 基于损伤力学的楔横轧件内部损伤开裂的研究[D]. 陶新刚. 机械科学研究总院. 2011
[3]. 金属成形过程的细观损伤力学模型及韧性断裂准则研究[D]. 黄建科. 上海交通大学. 2009
[4]. 数值模拟在板材成形极限分析中的应用[D]. 翟妮芝. 西北工业大学. 2007
[5]. 往复荷载下T形钢连接节点基于细观机制的破坏过程研究[D]. 李泽深. 广西大学. 2016
[6]. 粉末冶金压坯残余应力与裂纹损伤研究[D]. 周蕊. 天津大学. 2013
[7]. 韧性材料损伤断裂过程的数值模拟[D]. 吴治辉. 西北工业大学. 2003
[8]. 楔横轧叁维变形的数值模拟研究及内部缺陷预防[D]. 刘桂华. 机械科学研究总院. 2008
[9]. 考虑细观损伤的韧性断裂研究[D]. 唐雨建. 哈尔滨工程大学. 2007
[10]. 基于细观损伤机理的韧性断裂研究[D]. 姜薇. 西北工业大学. 2016