高Nb-TiAl合金高温力学行为本构建模仿真技术

针对新研制的高Nb-TiAl合金(Ti-45Al-8Nb-0.2W-0.2B-0.02Y(原子分数/%)),开展了750℃条件下不同应变速率的单轴拉伸、低周疲劳、疲劳-蠕变交互和蠕变试验,获得了相应试验条件下的试验数据和曲线,基于宏观唯象Chaboche黏塑性统一本构模型,采用Ohno-Wang修正项准确表征材料的循环硬化/软化行为。另外,为了准确模拟材料的加速蠕变阶段,在Chaboche黏塑性统一本构模型中耦合Kachanov损伤演化率,采用自适应的显式Euler法将微分形式的本构模型离散为差分方程组,并植入到有限元软件ABAQUS的用户材料子程序UMAT中,实现对高Nb-TiAl合金在不同试验条件下力学行为的仿真模拟。结果表明,采用考虑Ohno-Wang修正并耦合Kachanov损伤的Chaboche黏塑性统一本构模型能够准确模拟高Nb-TiAl合金不同应变速率的单轴拉伸、低周疲劳、疲劳-蠕变交互和蠕变行为,且预测精度较高,满足实际工程需要。     

HTPB复合底排药损伤本构模型研究

为研究HTPB复合底排药(Composite Base Bleed Grain,CBBG)力学性能,进行了室温(28℃)下准静态单轴压缩和拉伸实验。基于对HTPB CBBG有限变形过程的非线性力学响应分析,建立了五元件黏弹-黏塑-损伤本构模型。模型预测结果表明,所建模型能够准确描述HTPB CBBG压缩和拉伸力学性能。获得的损伤演化律表明,达到屈服应变εy后,累积损伤值D和损伤因子f随应变ε近似线性增长,应变率ε?降低4个量级,压应变为-0.62时、拉应变为0.24时的损伤程度分别增加了10.64倍和22.28倍,拉应力引起的材料损伤较压应力严重。结合所建模型编写了用户子程序VUMAT,利用ABAQUS/Explicit模拟了单轴拉伸实验。计算结果表明,应力应变曲线数值解与实验结果吻合良好,验证了VUMAT的正确性。     

针刺陶瓷基复合材料损伤本构模型及构件应力分析

基于连续介质损伤力学方法提出了适用于针刺陶瓷基复合材料的各向异性损伤本构模型.该模型考虑了拉伸与剪切损伤的影响.通过试验得到了材料的拉伸和剪切的应力-应变曲线,采用曲线拟合获得了本构模型的参数.应用用户子程序技术将本构模型写入商用有限元软件,计算所得拉伸和剪切的应力-应变曲线与试验曲线比较吻合,最大误差分别为5.62%和1.47%.使用该损伤本构模型及弹性模型计算了航空发动机尾喷管调节片在气动和温度载荷下的力学响应,两者计算所得应力分布相似,但损伤本构模型计算值明显小于弹性模型计算值.      

NiTi合金的相变-塑性统一本构模型与数值算法

为了准确描述NiTi形状记忆合金的相变与塑性力学行为,基于不可逆热力学理论框架并假定两个内变量分别表征合金变形过程中的相变与塑性行为,推导出其相变、塑性的主控方程,总结两阶段的主控方程,构建出NiTi合金动态加载过程中的相变-塑性统一本构模型。采用半隐式应力积分算法对非弹性应变增量进行更新,通过FORTRAN语言将所提出的宏观唯象本构模型进行了数值程序实现。对比模拟与实验结果验证了该本构模型的合理性,发现该模型能够准确描述NiTi合金随着载荷增加而出现的母相弹性、马氏体相变、马氏体弹性与马氏体塑性流动等不同变形阶段,对于不同应变率动态加载下的应力-应变行为该模型也可较理想地描述。     

双轴拉伸应力下后继屈服面的演化研究

屈服面的位置和形状直接影响着材料塑性应变的确定。针对双轴拉伸应力下金属材料的塑性行为,以一种弹塑性损伤本构理论为基础,研究了后继屈服面在拉-拉应力空间中的演化。考虑了有限变形效应和耦合硬化效应,给出了屈服面的确定方法,并预测了拉-拉应力空间中的初始屈服面(IYS)和后继屈服面,预测结果显示本文提出的理论模型能一致描述出后继屈服面演化中的前端尖点效应、尾部包氏效应、膨胀/收缩以及移动和畸变。针对两种加工硬化材料(Al 6061-T 6511和Annealed 1100 Al)承受轴向拉伸、环向内压、轴向-环向混合比例加载时的后继屈服面,将模型预测的结果与文献中的实验结果进行对比。结果表明,所提模型能较好地预测后继屈服面的演化,并能分析其物理机制,为后继屈服面的演化研究提供了一种可行的方法。     

对B-P本构模拟材料率相关塑性变形和循环硬化的改进

对Bodner-Partom统一黏塑性本构理论（B—P模型）进行了修正，改善了其对材料加载速率相关的黏塑性和循环硬化的模拟精度。改进模型包含两个各向同性硬化内变量：一个用于描述小非弹性应变范围内快速的各向同性硬化。另一个以缓慢的演化速率来表述大的累积非弹性变形，如循环硬化过程中非弹性应变累积。利用ABAQUS的用户材料子程序将改进模型编成有限元计算代码，通过对镍基合金Udimet 720Li率相关黏塑性特征的本构模拟对其进行了验证，并与B-P模型作了对比。结果表明改进模型能够以更高精度、更加灵活地对材料的非弹性力学行为进行建模。     

贮箱顶盖应力松弛时效成形过程建模仿真与试验

基于2219铝合金的应力松弛时效宏微观统一本构方程,对其进行用户子程序二次开发,并编译到非线性有限元分析软件MSC. Marc,建立了2219铝合金贮箱顶盖应力松弛时效成形过程的仿真模型,分析了顶盖应力松弛时效成形过程的应力应变和力学性能演变规律;开展了基于回弹补偿分析的模具型面优化设计,确定了满足成形目标要求的模具型面,进行了2219铝合金贮箱顶盖应力松弛时效成形试验,并与仿真结果进行对比分析。结果表明:顶盖应力松弛时效成形试验结果与有限元仿真结果吻合较好,两者成形型面半径相对偏差0.22%,屈服强度相对偏差为3.13%;顶盖成形试验后的型面与目标型面半径的相对偏差为0.52%,力学性能满足目标设计要求。综上所述,所建立的有限元模型能够准确预测顶盖的应力松弛时效成形过程形性演变规律,可以用来指导2219铝合金贮箱顶盖应力松弛时效成形制造。     

陶瓷基复合材料高精度宏细观统一本构模型研究

基于高精度通用单胞模型(HFGMC)建立了陶瓷基复合材料(CMCs)的宏细观统一本构模型.首先基于CMCs的细观结构和损伤特点建立代表体元(RVE)并定义细观损伤变量.然后采用HFGMC模型计算细观损伤变量的演化,由此获得宏观应力应变曲线,从而建立了CMCs的宏细观统一本构模型.采用该本构模型预测了CMCs的宏观应力应变曲线,与实验结果吻合良好.结果表明该本构模型能够模拟CMCs的拉伸与损伤行文,为CMCs强度分析提供了有效手段.      

GH4169合金蠕变疲劳行为的有限元模拟及寿命预测

考虑蠕变-疲劳损伤,对部件材料进行合理的循环变形描述和准确的寿命预测,是保证航空发动机等高温设备长周期安全运行需要解决的关键问题之一。基于大型有限元软件ABAQUS,采用组合Chaboche随动强化准则和Voce各向同性硬化准则的循环弹塑性本构模型,叠加应变强化的蠕变本构模型,对GH4169合金在蠕变-疲劳载荷下伴有应力松弛的循环变形行为进行了准确的有限元模拟。同时,将Wang等最新修正的基于逐周次概念的蠕变-疲劳损伤模型进行了有限元移植,结合有限元模拟所得的循环应力、应变状态,实现了对GH4169合金蠕变-疲劳寿命的准确预测。研究结果将为进一步实现对航空发动机关键部件精确的寿命预测提供理论基础和技术手段。     

涡轮叶片的粘塑性分析

本文应用正交各向异性Walker统一粘塑性材料本构模型，通过用户子程序的方法把本构方程引入大型有限元分析软件MSC．MARC中，用该模型对某发动机涡轮叶片进行了热粘塑性分析。计算结果表明，应用Walker模型对各向异性构件进行热粘塑性分析是可行的。     

一种韧性断裂准则中材料常数的计算模型及其应用

为确定符合板材变形规律的韧性断裂准则中的材料常数,基于传统M-K模型框架并进行修正,结合单向拉伸和平面应变试验数据,提出一种新的韧性断裂准则材料常数计算模型。利用MATLAB软件编写该计算模型的算法程序,得到应用于铝镁合金5A06-O板材的不同韧性断裂准则材料常数。同时将CL韧性断裂准则嵌入Abaqus/Explicit显示模块的用户材料子程序VUMAT。在200℃的条件下,对铝镁合金5A06-O板材在热介质胀形和充液热拉深中的断裂行为进行数值模拟,并与相同工艺参数下的试验所得结果作对比。结果表明,热介质胀形高度误差为6.2%,充液热拉深深度误差为8.5%,验证了韧性断裂准则材料常数计算模型的正确性,表明了CL韧性断裂准则在板材充液热成形中的适用性。     

A constitutive model coupling damage and material anisotropy for wide stress triaxiality

A constitutive model that can describe the damage evolution of anisotropic metal sheets during the complex forming processes which experience wide stress triaxiality history is essential to accurately predict the deformation and rupture behaviors of the processes. In this study, a modified Lemaitre damage criterion which couples with the anisotropic Barlat 89 yield function is established. The effects of stress triaxiality, Lode parameter and shear stress on damage accumulation are considered in the constitutive model. The model is numerically implemented and applied to fracture prediction in tensile tests with different stress triaxialities and a complex deformation process with wide stress triaxiality history. The good consistency of predictions and experiments indicates that the modified Lemaitre damage model has excellent fracture prediction ability. Finally, the accuracy of the model is analyzed and discussed.     

非耦合韧性断裂准则及其在航空金属材料中的应用

结构轻量化是航空航天和汽车领域的重要发展趋势,对以铝合金、镁合金和钛合金为代表的轻质高强金属材料的需求与日俱增。预测材料的损伤断裂行为是高性能航空构件成形工艺设计和服役性能评估的关键,而发展先进的韧性断裂准则是其主要途径。本文首先介绍了金属材料损伤断裂的微观机制,包括剪切和压缩应力主导的剪切型断裂、拉应力主导的拉伸型断裂及复合型断裂。回顾了韧性断裂准则的研究现状,传统非耦合韧性断裂准则的发展历程、特点和适用场合,重点论述了近年来几种典型的非耦合韧性断裂准则的特点和优势。传统的非耦合韧性断裂准则通常只考虑最大主应力或平均应力对损伤断裂的影响,忽略了偏应力的作用,不适合于低应力三轴度或复杂应力状态下的断裂行为预测;而新的韧性断裂准则综合考虑应力三轴度和罗德角参数对损伤演化的共同影响,适用于复杂的应变路径和应力状态。最后,评述了非耦合韧性断裂准则在铝合金、镁合金和钛合金等航空金属材料中的发展现状和典型应用,展望了韧性断裂准则的发展趋势和研究方向。非耦合韧性断裂准则需针对先进结构金属材料的变形特点,综合考虑应力状态、应变速率、温度及各向异性等对损伤断裂的作用,使其具有更好的普适性和预测精度。     

基于Puck准则的2.5 D机织复合材料压缩性能研究

利用CATIA软件以经纬密为参数建立了2.5D纤维增强浅交弯联复合材料的参数化有限元模型,在Hy-perMesh专业网格划分工具中划分周期性网格,编写了Fortran程序嵌入周期性边界条件。采用Abaqus软件中VU-MAT子程序功能编写了基于Puck准则的材料损伤本构模型,通过渐进损伤分析,得到了机织织物宏观弹性模量以及经向压缩强度、破坏路径,并对破坏结果进行了分析。利用RTM工艺复合成型试件并进行力学测试,实验结果证实了仿真分析的准确性。     

复合材料加筋板冲击后损伤容限研究

研究复合材料加筋板受冲击后的损伤演化具有较高的工程应用价值。首先,以某型无人机拟应用的复合材料加筋壁板(T300/BA9913)为研究对象,对其进行低速冲击试验;在壁板中央处和肋与壁板胶结处进行冲击,其冲击能量取6.67 J/mm,测量凹坑深度和分层损伤面积。然后,应用商业软件ABAQUS,编写相应的VUMAT子程序对冲击损伤进行模拟,软件中采用适宜的材料模型、单元种类并建立不同属性的接触,把基于应变的三维Hashin准则运用于复合材料单层板的损伤失效准则中去。最后,运用基于断裂韧度的连续的刚度退化方针对材料的刚度折减。将所建立的冲击模型的模拟结果与冲击试验数据进行对比,证明了冲击模型的有效性和准确性。     

复合材料层板疲劳分层扩展研究

为了分析复合材料层板疲劳分层扩展行为,基于Abaqus有限元分析平台,建立分层扩展复合材料层板有限元分析模型。选用基于能量释放率的分层扩展判据,结合剩余强度模型弱化材料性能,引入VUMAT用户子程序实现模型疲劳损伤失效的判断及材料刚度性能的折减,模拟含分层复合材料层板在疲劳压缩载荷作用下的分层扩展行为。结果表明:分层长度随着疲劳载荷地施加不断增大,但扩展速率逐渐减小,最终分层长度达到稳定值,与实验结果吻合良好。     

CFRP三维铣削仿真模型的建立及层间损伤分析

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有层间结合强度低、各向异性等特点,切削过程中易产生层间损伤。为了对CFRP铣削加工过程中的层间应力、层间损伤进行研究,建立了复合材料三维铣削仿真模型。该模型在结构上采用等效均质建模,层内单元利用VUMAT子程序建立了三维Hashin起始失效准则以及损伤演化过程模型,层间采用Cohesive单元连接以模拟层间损伤的产生及扩展。通过与实验切削力数值的比较,验证了仿真模型的准确性。利用该模型分析了切削力、层间应力及层间损伤随纤维方向角(0°、45°、90°、135°)的变化规律。结果表明:铣削过程加工损伤主要集中在近工件表面。铣削力、层间应力、层间损伤受纤维方向角的影响,纤维方向角为90°与135°时,轴向铣削力较大,层间应力与层间损伤均随纤维方向角的增加而增大,纤维方向角为135°时,层间应力最大,层间损伤最严重。     

正交各向异性材料粘塑性损伤统一本构关系研究

用损伤力学与粘塑性理论相结合的方法,将正交个性异性材料的粘塑性统一本构模型［１］进行了修正和推广,建立了在蠕变与疲劳载荷交互作用下正交各向异性材料的粘塑性损伤统一本构模型。用该模型预测了ＤＤ３ 单晶合金的蠕变和疲劳特性以及蠕变和疲劳损伤,预测了在循环载荷作用下材料的蠕变与疲劳交互作用损伤及其寿命。同时将计算结果和试验结果进行了比较     

基于原位拉伸测定GTN损伤模型参数的5052铝合金成形极限应力图研究(英文)

传统成形极限图(FLD)由第一主应变与第二主应变的比值构成。但FLD依赖于成形历史和应变路径。因此,本文采用成形极限应力图(FLSD)来预测铝合金5052-O1(AA5052-O1)的成形极限。将修订的Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)塑性势模型用来模拟Nakazima凸模胀形实验。采用带扫描电镜(SEM)的原位拉伸试验观察记录损伤演化过程以确定GTN模型中的材料参数。通过计算AA5052-O1三个损伤阶段的孔洞分数获得GTN模型参数。根据实验结果,原生孔洞体积分数、最大形核孔洞体积分数、临界孔洞体积分数,最终断裂孔洞体积分数分别为0.002918,0.0249,0.030103,0.04854。在断裂前最后一个载荷步获得的应力应变值用来绘制AA5052-O1的FLSD和FLD。与Nakazima凸模胀形试验和单轴拉伸试验结果相比较,预测结果与试验结果较为吻合。由原位拉伸试验确定的模型参数可用于研究韧性金属的成形极限。     

薄膜反射面结构新型折展方案设计

基于薄膜结构模拟方式的对比分析,选用VUMAT子程序修改了考虑褶皱问题的膜单元的本构关系,解决了膜单元不能承受压应力的问题。采用三维数字图像相关（3D-DIC）方法对聚酰亚胺薄膜材料进行性能测试,试验表明带折痕的薄膜材料的等效模量比无折痕的薄膜材料低15%左右。在考虑折痕弹性模量差异的基础上采用显式计算方法对Miura折纸的展开过程进行了仿真,并基于平面度和最大应力2个指标对不同数量加载点的情况进行了对比,结果表明,加载点数量增多对结构的平面度和最大应力指标均是有利的。最后,基于薄膜结构找形和Miura折纸概念提出一种新的薄膜折叠方案。