Residual stress indentation model based on material equivalence

A novel residual stress indentation model for conical indentation loading is proposed to describe the relationship between the residual stress, material constitutive parameters, load, and displacement for materials with a uniaxial constitutive relationship that obeys Hollomon’s power law (H-law). The novel model was established based on the principle that the equivalent material without residual stress corresponds to the original material with residual stress, conical indentation theoretical model based on energy density equivalence, and an assumed power-law relationship between the dimensionless residual stress and relative difference of the yield stresses of the equivalent material and original material. Sixty imaginary H-law materials with ten equibiaxial and ten uniaxial residual stresses were investigated by Finite Element Analysis (FEA). The residual stresses predicted by the novel model from the indentation load–displacement curves simulated for the imaginary materials are in close agreement with those applied by the FEA. Finally, indentation tests for Cr12MoV steel, 45 steel, and 6061-T6511 aluminum alloy were carried out on their specimens without residual stress and their bending specimens with equibiaxial and uniaxial residual stresses. The residual stresses predicted by the novel model according to the indentation load–displacement test curves are in good agreement with those applied by the tests.     

Theoretical model and testing method for ball indentation based on the proportional superposition of energy in pure elasticity and pure plasticity

For a homogeneous, continuous, and isotropic material whose constitutive relationships meets with the Ramberg-Osgood law(R-O law), the energy in the elastoplastic indentation with a ball indenter was theoretically analyzed, and the proportional superposition of energy in pure elasticity and pure plasticity during indentation was considered based on the equivalence of energy density. Subsequently, a Proportional Superposition-based Elasto Plastic Model(PS-EPM) was developed to describe the relati...     

高温低周疲劳-蠕变的改进型广义应变能损伤函数方法

通过对广义应变能损伤函数(GSEDF)法进行分析,用非弹性应变能表征低周疲劳(LCF)损伤,提出了一种高温低周疲劳-蠕变(LCF-C)寿命预测的改进型GSEDF模型,修正了GSEDF法中的能量参数,使其与工程实际更吻合.所提出的模型具有模型参数少、适用性广和试验数据利用率高等优点,且能综合反映加载方式、保载时间和平均应...     

考虑静水压力和LODE 角的塑性模型 在GH4169 合金上的应用

针对典型盘用镍基高温合金GH4169,采用Bai-Wierzbizki(B-W)塑性理论对其塑性变形行为进行建模和应用评估。B-W塑性理论假设金属材料塑性变形仍服从von Mises屈服准则,但屈服函数考虑了静水压力和LODE角(偏应力第3不变量)对塑性行为的影响。采用Abaqus/Explicit商业有限元软件编制了该塑性模型的用户材料子程序,设计开展了GH4169合金的光滑、缺口圆棒和缺口平板拉伸试验,基于有限元分析和优化方法确定了B-W模型相关材料参数,对GH4169合金光滑和缺口拉伸响应曲线进行有限元预测,并与试验结果进行对比分析。结果表明:B-W模型预测的GH4169合金缺口圆棒和平板拉伸响应曲线与试验结果非常吻合,而基于传统von Mises塑性模型预测的GH4169合金缺口拉伸响应曲线均明显高于试验曲线。     

材料循环应力-应变行为及循环应变寿命的研究

材料的循环应力-应变行为以及循环应变与寿命的关系是材料的主要疲劳特性,用局部应力 -应变法计算构件疲劳裂纹形成寿命时要用到它们。使用这些疲劳特性的不同描述方法给寿命计算带来的误差差别很大。依据试验结果对目前的一些描述方法作出比较,并指出较为合理的选择。     

A new approach on necking constitutive relationships of ductile materials at elevated temperatures

A new method is presented to determine the full-range, uniaxial constitutive relationship of materials by tensile tests on funnel specimens with small curvature radius and finite element anal-ysis (FEA). An iteration method using FEA APDL (ANSYS parametric design language) program-ming has been developed to approach the necking constitutive relationship of materials. Test results from SAE 304 stainless steel at room temperature show that simulated load vs displacement curve, diameter at funnel root vs displacement curve, and funnel deformation contours are close to mod-eled results. Due to this new method, full-range constitutive relationships and true stress and effec-tive true strain at failure are found for 316L stainless steel, TA17 titanium alloy and A508-III stainless steel at room temperature, and 316L stainless steel at various elevated temperatures.     

某型民用运输机主起落架连接区结构静力试验

飞机静力试验是飞机试验的重要内容之一,是验证飞机结构强度和静力分析正确性的重要手段。为验证某型民用运输机主起落架连接区结构满足静强度要求,以及有限元计算分析的正确性,在静力试验飞机上进行了主起落架连接区结构静力试验。通过全机有限元模型和细节有限元模型分析计算,进行加载、应力\应变、位移试验数据与有限元计算值的分析对比,计算值与试验数据符合较好。     

Prediction of forming limit curve （FLC） for AI-Li alloy 2198-T3 sheet using different yield functions

The Forming Limit Curve （FLC） of the third generation aluminum-lithium （Al-Li） alloy 2198-T3 is measured by conducting a hemispherical dome test with specimens of different widths. The theoretical prediction of the FLC of 2198-T3 is based on the M-K theory utilizing respectively the von Mises, Hill＇48, Hosford and Barlat 89 yield functions, and the different predicted curves due to different yield functions are compared with the experimentally measured FLC of 2198-T3. The results show that though there are differences among the four predicted curves, yet they all agree well with the experimentally measured curve. In the area near the planar strain state, the predicted curves and experimentally measured curve are very close. The predicted curve based on the Hosford yield function is more accurate under the tension-compression strain states described in the left part of the FLC, while the accuracy is better for the predicted curve based on Hill＇48 yield function under the tension-tension strain states shown in the right part.     

Refined modeling and experimental verification of a torque motor for an electro-hydraulic servo valve

The Permanent Magnet Torque Motor (PMTM) is the key electro-mechanical conversion device in an Electro-Hydraulic Servo Valve (EHSV). In this work, a refined model of a PMTM is developed, considering the non-working air-gaps between the upper or lower yoke and the armature, the fringing effect at the limiting holes, and the nonlinear permeability of soft magnetic material. Based on the refined model, the influences of various factors on the calculation accuracy of the magnetic flux at the pole surfaces of the armature and the output torque are investigated. For verifying the validity of the refined model, a Finite Element Analysis (FEA) of the PMTM is conducted, and a test platform is constructed. Compared with existing models, the refined model can better reveal the intrinsic mechanism of the PMTM, and its calculations are more consistent with the FEA results. The experimental results of the armature deflection displacement show that the refined model can accurately describe the output characteristics of the PMTM.     

纯铁材料动态力学性能测试及本构模型

研究纯铁材料的动态力学性能并建立其本构模型是开展纯铁材料工程应用和数值模拟研究的基础,利用Instron材料试验机和分离式Hopkinson压杆试验装置,对纯铁材料进行了常温下不同应变率（10^-3~5×10⁴s^-1）和应变率为10⁴s^-1时不同温度下（200~800℃）的动态力学性能测试,获得了各种载荷下的应力-应变曲线。试验结果表明,纯铁材料的塑性流动应力对应变率和温度非常敏感,具有明显的应变强化效应、应变率强化和增塑效应以及热软化效应。基于Power-Law本构方程,通过试验数据拟合得到了纯铁材料的动态本构模型参数,拟合曲线与试验数据吻合较好,表明该模型能较好描述纯铁材料在动态载荷下的力学行为。     

飞机风挡鸟撞动响应分析方法研究

建立了鸟体模型和风挡玻璃破坏准则,形成了一套完整的风挡鸟撞动响应分析方法。并对某型号风挡进行了鸟撞动响应分析,得出了鸟的运动轨迹和风挡的位移、应力、应变响应以及风挡玻璃的鸟撞临界速度,经与试验结果比较,两者吻合较好。     

一种镍基单晶合金多轴低周疲劳损伤参量

用损伤应变能释放率作为热力学广义力描述正交各向异性材料的疲劳损伤过程,定义了含有3个弹性常数的镍基单晶应力三轴性因子,它不仅反映多轴载荷下的复杂应力状态,还显示正交各向异性材料偏轴受载时存在的正应力与剪应力的耦合效应,是对各向同性材料应力三轴性因子的拓展。用镍基单晶应力三轴性因子修正Mises应变范围作为疲劳损伤参量,引入损伤驱动力循环特征参数反映循环载荷的交变特性,提出了单晶合金低周疲劳损伤模型。利用DD3和CMSX-2单晶合金低周疲劳试验数据,采用多元线性回归分析方法拟合疲劳损伤模型参数,试验所得数据都落在2倍和2.5倍偏差分布带内。      

高应变率条件下38CrMoAl钢的动态力学行为及失效模型

38CrMoAl钢是飞机某频繁经受冲击载荷结构的主要材料，为了获得该钢在冲击载荷下的力学行为和失效参数，本文对38CrMoAl钢开展了准静态试验、应变率从650 s^-1至5 500 s^-1的动态力学试验以及应力三轴度试验，对材料的金相组织和断口形貌进行了微观观察分析，最后基于试验结果确定了材料的修正强度模型和失效模型参数。试验结果表明，38CrMoAl钢具有较强的应变率敏感性，材料屈服强度随着应变率的增加具有正应变率强化效应，应变率在10^-3~5 500 s^-1的范围变化时，屈服应力从450 MPa上升到了1 085 MPa，应变率为5 500 s^-1时材料的屈服应力达到了准静态条件下的2.41倍。对材料组织的微观观察分析发现材料主要由呈现颗粒状的回火索氏体组成，材料在高应变速率加载下其塑性发生了下降，断口由韧窝型塑性断口向局部解理断面发生转变，韧窝尺寸也随着应变率的升高而变小。对Johnson-Cook（J-C）强度模型中的应变率强化项进行了修正，使修正后的本构模型可以更有效地描述38CrMoAl钢的动态力学行为，最后结合数值模拟方法确定了材料的J-C失效准则参数。     

小编织角三维编织复合材料拉伸强度模型

 采用离散化方法，基于等应变及等应力混合平均思想，结合桥联模型，建立了四步法小编织角三维四向矩形编织复合材料的拉伸强度模型。该模型不仅可以获得材料的等效弹性性能，而且能直接得到各组分材料（纤维束中纤维和基体、纤维束外基体）的细观应力分布，并基于纤维和基体失效准则，揭示了材料在单向拉伸载荷作用下的失效机理并预报了材料拉伸强度。数值分析结果与实验数据基本吻合，证明了该模型的有效性，经讨论材料主要工艺参数对拉伸强度和应力分布的影响，得到了一些有参考价值的结论。     

基于一种新的均匀化实施方法的FRP刚度预测

基于一种新的渐近均匀化(AH)实施方法,预测并讨论了单向纤维增强复合材料(FRP)的宏观等效弹性性能及纤维排列方式对等效力学性能的影响。该方法方便地将有限元分析(FEA)软件作为一个工具箱使用,只需在单胞上施加简单位移周期边界条件开展静力学分析,即可经过简单计算得到等效弹性常数,相比传统均匀化实施方法显著降低了实施难度并简化了计算过程。通过对比不同数值方法的结果验证了该方法的有效性和精确性。数值结果表明:六边形排列下单向纤维增强复合材料呈现横观各向同性,而正方形排列下则呈现宏观正交各向异性,经过刚度平均化过程可得到横观各向异性材料性质,纤维体积含量对两种排列方式下材料等效弹性模量影响显著但有所差别。     

细晶态FGH96热成型时的流动行为研究

 通过热模拟试验,对细晶态FGH96 合金的高温流动特性进行了研究,分别从宏观和微观上对影响FGH96 流动特性的因素(变形温度、变形速率和变形程度以及Z 因子和动态再结晶晶粒尺寸等) 作了系统分析。结果表明:变形温度、变形速率和变形程度对流动应力和再结晶晶粒尺寸均有不同程度的影响。在此基础上,建立了细晶态FGH96 合金热成型时的本构模型,该模型充分考虑了变形温度、变形速率和变形程度对流动应力的影响,这对FGH96 合金热成型过程的数值模拟和热力参数的合理制订具有重要意义。     

SHPB实验考虑绝热变形和端面摩擦的修正方法

采用高温分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术对GH4169高温合金进行测试,获得了材料在高应变率下的温度敏感性,并拟合了Johnson-Cook本构模型的参数。结合数值计算方法对压缩实验中试件内部的应力、应变以及温度的分布建立了一个半经验的数学模型并提出了一种新的参数修正方法,将端面摩擦效应、绝热变形升温效应与SHPB实验结果进行解耦。实验结果表明:温度越高,GH4169高温合金的屈服强度以及流动应力越小。并且在SHPB实验中GH4169高温合金存在明显的绝热变形升温效应和端面摩擦效应,导致实验结果并不能真实反映材料的硬化特性。通过对原始Johnson-Cook本构方程的硬化项乘以1.2的修正系数,发现修正后的本构参数准确反映了材料在高应变率下的应力应变特性。      

特殊形状橡胶密封圈的性能分析

采用非线性有限元法对特殊截面形状的橡胶密封圈进行了分析.通过轴对称有限元分析模型, 分析了其在矩形沟槽内装配压缩过程中的变形和应力变化, 以及应力的分布情况, 同时还对承受单侧压力的密封情况进行了研究.对于密封圈的抗扭转特性以及在特殊压力负载情况下的密封特性也进行了模拟并且和普通O形圈进行了对比.结果表明, 所采用的方法能够预测特殊形状的密封圈在压缩中的变形和应力等特征参数, 加深了对其密封性能的了解, 并对同类密封结构设计有一定的指导意义.      

ZrO2陶瓷切向超声辅助磨削表面及亚表面损伤机制

为进一步揭示切向超声辅助磨削过程中硬脆材料的表面及亚表面损伤机理,基于应变率模型对其磨削过程中材料的动态力学性能进行分析,并在此基础上建立了硬脆材料的脆-塑转变临界切削深度模型与微裂纹损伤深度模型。研究发现,脆-塑转变临界切削深度和微裂纹损伤深度均与应变率有关,其中临界切削深度随着应变率的增加而增加,而横向裂纹损伤深度与中位裂纹损伤深度均随应变率的增加而减小。通过ZrO₂陶瓷切向超声辅助磨削试验进行验证。试验结果表明：由于切向超声振动的引入提高了材料应变率,进而提高了材料的动态断裂应力以及动态断裂韧性,从而扩大了ZrO₂陶瓷的塑性域去除范围,降低了加工表面的横向裂纹与中位裂纹损伤深度,使得ZrO₂陶瓷的表面及亚表面质量得到明显改善。试验结果与理论分析相一致,为进一步揭示切向超声辅助磨削过程中硬脆材料的表面及亚表面微观损伤机理提供了理论参考。     

基于半理论法预测基础激励下纤维增强悬臂梁结构应变能

提出了半理论法预测基础激励下纤维增强悬臂梁结构应变能。首先，建立了基础激励下纤维增强复合梁结构的应变能分析模型。然后，明确了采用半理论法预测纤维增强悬臂梁应变能的相关原理，并给出预测纤维增强悬臂梁应变能的具体流程。最后，测试获得该类型梁结构在某基础激励幅度下的振动位移响应，验证所建立的应变能分析模型的正确性，可以采用半理论法来分析预测复合梁的应变能，同时还与相同尺寸的铝合金梁的预测结果进行了对比。结果证明:在相同激励幅度下，纤维增强悬臂梁的应变能相对于铝合金梁结构要低于24%~36%，可以利用应变能指标来客观评价复合结构件相对于金属构件的减振能力。