多晶镍基合金循环塑性细观本构关系

基于晶体塑性的本构理论,考虑金属材料晶体细观塑性变形流动的各向异性性质及晶体滑移的非线性运动硬化,以Voronoi多晶集合体作为材料的代表性体积单元(RVE),用晶体塑性模拟描述ZSGH4169多晶镍基合金材料的细观本构关系,对ZSGH4169多晶镍基合金进行了晶粒尺度的对称和非对称循环细观分析.通过对称循环数值模拟表明:该模型适合模拟金属材料循环试验中常见的应变硬化现象和Bauschinger效应;通过非对称循环数值模拟表明该模型具有对棘轮效应的描述能力,计算中发现背应力的演化对滑移切应变率有很大的影响,滑移切应变率的数值很大程度取决于背应力演化主导的非线性硬化过程.      

单晶叶片应力分析方法及应用

从单晶变形机理出发,采用晶体滑移理论,给出了单晶弹塑性蠕变滑移本构模型。建立了全新的有限元列式,并用于某气冷单晶涡轮叶片弹塑料性蠕变应力分析。      

Ni3Al基单晶高温合金蠕变本构模型

结合Ni3Al基单晶高温合金蠕变行为的细观机理,在晶体滑移理论的基础上,建立了描述Ni3Al基单晶高温合金蠕变行为的本构模型,并通过ANSYS提供的UPFs二次开发平台对所建立的本构模型进行了有限元实现。利用蠕变试验数据,结合遗传算法获取了两种Ni3Al基材料的蠕变本构模型参数。利用所建立的蠕变本构模型对两种Ni3Al基材料的高温拉伸试件进行了有限元模拟,与试验结果吻合良好。这表明在晶体滑移理论基础上建立的本构模型是合理的,并且能够较好地描述Ni3Al基单晶高温合金三个阶段的蠕变行为,具有一定的应用价值。      

一种改进的压气机叶片辊轧成型前滑计算模型

航空发动机压气机叶片在辊轧过程中,由于辊轧出口处构件速度大于轧辊速度,存在前滑现象,从而影响叶片辊轧成形精度。针对此问题,为实现叶片无余量辊轧成型,在分析对称辊轧前滑计算模型的基础上,提出并研究了叶片辊轧前滑,建立了叶片辊轧前滑计算模型。为验证前滑计算模型精度,设计了薄板件、V形板件和叶片这3类典型构件CAD模型,基于DEFORM-3D对其辊轧成型过程进行数值计算分析。结果表明,该模型能够精确表达截面不规则类构件辊轧前滑量,为截面变化类构件辊轧前滑研究奠定基础。     

大型单轴转台两种轴系结构的有限元分析

利用INVENTOR软件对大型单轴转台进行三维实体建模,根据转台机械结构特点进行分析并结合本文的研究内容,对转台的各结构部件进行了合理的简化,采用有限元分析软件ANSYS建立了转台的有限元模型,对两种转台结构进行了静力计算、模态分析和谐响应分析,对分析结果进行了比较,并提出了两种结构的选用建议。     

SMA复合材料低速冲击数值模拟方法

利用形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)独特的超弹性效应,提出一种利用形状记忆合金提高复合材料结构抗低速冲击性能的方法.基于形状记忆合金的分段化线性简化模型,利用ABAQUS有限元软件提供的VUMAT子程序编制了SMA合金超弹性本构关系并将其引入到复合材料层板低速冲击模型,提出了含SMA复合材料低速冲击数值模拟方法.研究形状记忆合金利用迟滞阻尼特性吸收部分形变能量并加以释放的过程,探讨SMA纤维对复合材料层板抗冲击性能的增强规律.结果表明,随着SMA体积分数的提高,复合材料层板的冲击应力峰值和挠度会下降,但在低SMA体积分数(<10%)情况下,对挠度的改善作用不明显;同时随着SMA体积分数增加,单位体积SMA的冲击能量吸收率会降低,在SMA体积分数为5%~10%时,SMA纤维具有最高的能量吸收率.得出了SMA纤维具有改善复合材料抗冲击性能的作用的结论.      

直角切削6061-T6铝合金剪切区力学行为及微观结构演化预测

力学行为是塑性变形微观过程的宏观表现,早期的金属切削理论模型没有考虑微观结构对切削力的影响。在考虑热力耦合效应的基础上建立了基于位错密度材料模型的6061-T6铝合金直角切削力预测模型,分析了不同切削参数下基于位错运动的塑性变形机制对切削力的影响。结合等分剪切区和非等分剪切区模型,构建了第一变形区多物理场计算方法,提出一种切屑形成过程中由塑性变形引起的微观结构演化解析模型。通过测量切削力和切屑内晶粒尺寸对模型的可行性进行了初步验证。结果表明：剪切区长度变长引起参与位错滑移的材料增多是切削深度增大导致切削力增大的主要原因。增大切削速度导致切削力的降低不是单一变量影响的结果,而是应变降低引起位错增殖数量减少和温度升高引起位错湮灭作用增加的共同作用结果。非等分剪切区模型正确反映了第一变形区温度和应力的分布特征,且与二维有限元模型分布相一致,建立的第一变形区微观结构演化解析模型能够预测切屑内位错密度和晶粒尺寸。     

A thermal activation based constitutive model for the dynamic deformation of AA5083 processed by large-scale equal-channel angular pressing

Aluminum alloy 5083 (AA5083) processed by large-scale Equal-channel angular pressing (ECAP) is an excellent engineering material with great prospects for industrial applications. An accurate assessment of the underlying constitutive relationships with easily determined material constants is critical for the predictive design and informed processing of such structural materials. To develop such a design framework, uniaxial dynamic compressive tests over a wide range of temperatures (293–573 K) were carried out for an ECAP-processed AA5083 alloy. Additionally, the microstructure before and after dynamic loading was characterized by SEM and TEM. Based on the experimental results, a new dynamic constitutive model, based on thermal activation theory, was established to describe the plastic flow behavior of the AA5083 alloy that incorporates the effects of plastic strain, temperature, and strain rate. The input parameters of the new model were determined using a particle swarm optimization (PSO) method. The model predictions show excellent agreement with experimental results, which suggests that the current predictive constitutive model is highly effective in reproducing the dynamic deformation behavior of the large-scale ECAP-processed AA5083.     

加劲板的二维复合型广义J积分

 本文以虚功原理与本构方程为基础导出了加劲板二维复合广义J积分J₁与J₂,证明了它们的收敛性、守恒性并且导出了J₁、J₂与应力强度因子K₁K₁的关系。在此基础上,本文采用两种有限元计算了含有斜裂纹的加劲板应力强度因子。计算结果表明,这个复合广义J积分的守恒性很好,由两种元素所得结果相当一致,相对误差在工程所允许的范围之内。     

TC4合金等温成形过程模拟与组织预测

在试验研究的基础上，建立了能够反映锻造热力参数对材料成形性能影响的新型本构方程，并采用变形与传热耦合分析的刚塑性有限元数值模拟方法，全面系统地研究了TC4合金的等温成形过程，基于建立的该合金动态再结晶组织的演化模型，定量地预测了等温成形过程中TC4合金微观组织的演变情况，并分析讨论了工艺参数合金微观组织演变过程的影响，从而为TC4合金热成形工艺参数的优化设计和控制提供了基础。     

飞行仿真中的机动生成器

讨论了作为数字飞行仿真计算中的关键环节的轨迹跟踪和指不乔量两种机动生成器的原理与应用，并根据常赠模型他机动生成器设计参数的选取问题，机动生成器由于采用统一的比例－积分－微分（ＰＩＤ）反馈形式，简化并改进了以往数字飞行仿真中有关环节的处理，在使用中具有良好的效果。     

单向陶瓷基复合材料任意应力本构行为快速计算方法

为了实现快速预测陶瓷基复合材料(CMCs)任意应力加卸载作用后的损伤状态和本构行为,对CMCs任意应力加卸载力学行为进行研究。提出了任意应力加卸载曲线简化方法,得到仅包含决定CMCs损伤状态的等效载荷曲线。基于剪滞模型,直接给出CMCs在等效载荷曲线作用后的滑移区分布,避免对载荷曲线的逐点计算。进而预测了材料的损伤状态和应力应变行为。将原始加卸载曲线带入剪滞模型,计算CMCs滑移区分布和应力应变,并与本文提出的方法进行比较,结果表明,两种计算方法计算的结果一致,说明了本文提出的载荷曲线简化方法和滑移区分布计算方法是可行的。     

复合材料整体化加筋壁板高速冲击损伤数值模拟

 以复合材料结构抗弹性能分析与设计为目的,根据纤维的线弹性假设和基体的粘弹性假设,推导了复合材料单向板的粘弹性本构关系,导出了高应变率下复合材料层板的一阶剪切理论,建立了复合材料整体化加筋壁板高速冲击有限元分析模型.该模型引入界面单元模拟复合材料层间分层以及筋条与壁板间的脱粘损伤,结合Hashin失效准则进行筋条和单层板面内损伤识别,引入材料刚度退化,采用非线性有限元方法,研究了复合材料加筋结构高速冲击的破坏过程及损伤特性.数值分析结果与实验结果吻合良好,证明了该方法的合理有效性.探讨了筋条参数对高速冲击损伤的影响规律,获得了一些有价值的结论.     

精密导电滑环表面微槽车削性能

采用超精密车削精密导电滑环导电环的方法,保证了精密导电滑环绝缘环与导电环的同轴度、环间距,使绝缘微槽变形量低于0.10 mm。建立了精密导电滑环的切槽模型,利用仿真分析讨论了主轴转速、进给速率、刀具前角和切削深度对微槽变形量的影响,并对模型进行了试验验证。结果表明:滑环微槽侧面变形量随主轴转速的增大而变大,当转速达到700 r/min时,变形量达到了0.10 mm,超出了滑环的精度要求;滑环微槽变形量随机床进给速率的增大而变大,当进给速率达到1.5 mm/min时,变形量超出了滑环的精度要求;滑环微槽变形量随着前角的增大而减小;滑环微槽变形量随切削深度的增大而变大,切削深度低于0.2 mm时,滑环变形量微乎其微。     

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。     

改性双基推进剂黏弹-黏塑性本构模型

为了表征改性双基推进剂的力学行为,推导出改性双基推进剂黏弹-黏塑性本构模型。利用一系列蠕变-回复试验,将材料的总应变分离为黏弹性应变和黏塑性应变,使用最小二乘法获得了黏弹性参数,使用Nelder-Mead单纯形优化算法,结合后向Euler数值方法获得了黏塑性参数。通过不同应力水平和不同加载时间的蠕变-回复试验对模型进行了验证,结果表明,在应力水平较低或加载时间较短的情况下,模型预测与试验值变化趋势基本一致,模型获得的黏弹性应变与黏塑性应变在总应变中所占的比例与试验吻合。改性双基推进剂黏弹-黏塑性本构模型能够在一定范围内描述材料的力学性能。     

Residual stresses of polycrystalline CBN abrasive grits brazed with a high-frequency induction heating technique

Residual stresses produced in polycrystalline CBN abrasive grits during a high-frequency induction brazing process are calculated by using ?nite element analysis, with a consideration of the nonuniform temperature distribution in the induction brazing model. The in?uences of induction brazing parameters on the residual stresses of polycrystalline CBN abrasive grits have been analyzed, including the embedding depth, grit side length, etc. Results obtained show that the tensile stress with a 40% embedding depth is 292 MPa, which is the minimum on the bonding interface compared with other embedding depths. Meanwhile, the maximum tensile stress is 575 MPa, with an increase of 59% compared with that of a grit side length of 50 mm. Finally, the simulation results of the brazing residual stress of polycrystalline CBN abrasive grits have been con?rmed valid based on the residual stress measurement of the brazed monocrystalline CBN grit.     

一种单晶涡轮叶片热机械疲劳寿命评估方法

针对单晶涡轮叶片热机械疲劳(TMF)问题,围绕单晶涡轮叶片TMF试验,结合单晶变形、损伤理论及数值模拟,建立了一套单晶涡轮叶片TMF寿命评估方法.利用空心气冷涡轮叶片TMF试验系统,对单晶涡轮片考核截面在服役条件下所产生的交变应力场和交变温度场进行模拟,确定了裂纹萌生部位及其TMF寿命.考虑单晶涡轮叶片变形和损伤行为的特征,分别建立了基于滑移系的Walker黏塑性本构模型和基于临界平面的循环损伤累积(CDA)模型.利用上述本构和寿命模型,完成了单晶涡轮叶片TMF试验的数值模拟.结果表明:叶片理论危险点与试验结果一致,且计算寿命基本落在试验寿命的3倍分散带内.      

镍基单晶合金弹塑性本构模型

Hill模型用于面心立方单晶的弹塑性变形,在描述屈服特性的晶向相关性时精度不高。考虑正交各向异性材料在偏轴受载时存在拉、剪应力耦合效应的影响,通过增加一项由应力偏张量分量的二次项乘积构成的应力不变量,对Hill屈服模型进行修正,并根据单晶合金的屈服特点提出了新的单晶合金屈服准则。用该屈服准则对DD3单晶合金的屈服应力进行预测,760℃时能很好地符合试验结果;与Hill屈服准则比较,预测精度显著提高。在此基础上,重新定义了适合新屈服准则的等效应力,并由联合流动法则,以屈服函数作为塑性势函数,采用等向硬化模型,建立了单晶合金的弹塑性本构模型,推导出相应的弹塑性矩阵。对于各向同性材料,新屈服准及其等效应力则退化为VonMises屈服准则和其相应的等效应力。      

基于筏化的镍基单晶合金高温蠕变模型

采用应力法以及界面能法对不同取向的镍基单晶合金在950℃下的筏化类型进行了预测.上述两种方法的筏化预测结果一致,[001]取向为N型筏化,[011]取向为P型筏化,[111]取向不筏化.进一步,根据筏化预测结果以及晶体滑移理论,结合Kachanov-Robotnov（K-R）损伤演化公式,建立了一个镍基单晶合金蠕变模型,采用该模型并结合商用有限元软件Abaqus的用户材料子程序（UMAT）二次开发接口,对[001],[011]和[111]取向下的CMSX-4镍基单晶合金,在950℃,180~450MPa应力条件下的蠕变变形行为进行了模拟.该模型能够准确预测镍基单晶合金的筏化类型以及滑移系开动规律,更加符合材料的蠕变变形物理机制,因此模型可以对镍基单晶合金的高温蠕变曲线的第2,3阶段进行很好的模拟,并得到了试验的验证.