Semi-analytical model for flat indentation of metal materials and its applications

The increasing use of small material components in a wide range of industrial fields necessitates the development of an accurate and robust indentation testing method. To this end, this paper proposes an Energy-density-equivalence for a Flat Indentation (E-FI) model based on the energy density equivalent principle. The proposed model describes the relationships among the material parameters of Hollomon’s power law (H-law), flat indenter diameter, energy, and indentation displacement. An E-FI Method (E-FIM) that determines the H-law parameters of materials through the indentation test is also developed. The energy-displacement curves forward-predicted by the E-FI model (based on known H-law parameters of materials) and the H-law parameters of materials given by the E-FIM (based on known energy-displacement curves) are consistent with the results of Finite Element Analysis (FEA) and the H-law parameters of materials used as the input for FEA, respectively. Using E-FIM, the goodness of fit for both stress–strain curves with H-law, predicted based on the displacement with 2% signal interference, and that for stress–strain curves without interference is more than 0.98. The stress–strain relations predicted by E-FIM were consistent with the results obtained via uniaxial tensile tests of ten ductile materials.     

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...     

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.     

用于棘轮变形预测的棘轮演化统一模型研究

 在大量单轴棘轮实验基础上,研究了均值、幅值、峰值和谷值应力对 304不锈钢的饱和棘轮应变的影响规律,首次提出了棘轮应力σ_r和棘轮门槛值σ_rth 的概念,建立了基于单参数控制的、用于饱和棘轮应变预测的 SRM饱和棘轮本构模型和用于独立循环应力工况下棘轮应变演化预测的 REM棘轮演化模型,并由此发展了全面描述任意循环应力工况下棘轮应变演化规律的 URM棘轮演化统一模型。抛物律模型 SRM和幂律模型 REM对实验数据拟合的相关系数均超过 0.98。URM建模容易,只需 4～ 6个试样的单轴棘轮实验数据。此外还讨论了获得 SRM本构模型的单试样实验法。     

残余应力对加工变形影响的分析与模拟

为了研究材料去除过程中残余应力的重新分布及该过程所引起的工件变形,假设在该过程中没有引入另外的应力,采用理论计算和有限元模拟的方法对含有已知单向应力情况的矩形板进行了求解,计算了在剥层过程中的曲率、挠度和残余应力,并分析了剩余部分的残余应力变化趋势。结果表明理论解与有限元解获得了极好的吻合。采用有限元法进一步研究了材料去除过程中,单向和双向残余应力对加工变形的影响以及最终残余应力分布规律的异同。     

一种引入材料循环本构的单轴疲劳平均应力模型

为更精准地考虑平均应力对单轴恒幅疲劳寿命的影响,在等效驱动力类平均应力模型的基础上,引入材料循环本构并提出了一个新的平均应力模型。定性地,该模型能够在更广泛寿命值范围和应力比范围内描述多种材料的等寿命线形状;定量地,该模型能够用来预测其他应力比下的疲劳寿命值,且预测值与试验数据符合良好。随后,还提出了一种获取模型系数的方式,能够在保证数据拟合可靠度的前提下进一步减少试验成本。所提出的平均应力模型有潜力为材料性能手册的编纂提供支持,并对相关工程方法提供改进方向。     

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。     

描述1Cr18Ni9Ti不锈钢单轴棘轮行为的黏塑性本构模型

在室温下对1Cr18Ni9Ti不锈钢进行了单轴棘轮实验研究,提出了一种新的分离型黏塑性本构模型。引入了能记忆最大塑性应变的记忆面,在记忆面内和面上采用不同形式的塑性应变流动律和背应力演化律,将单调拉伸和循环行为分别独立描述。将模型应用于1Cr18Ni9Ti不锈钢单轴棘轮行为的描述中,模拟结果和实验结果吻合较好。     

双轴载荷下孔边疲劳裂纹的扩展

 在AISI316奥氏体不锈钢制成的十字形带中心孔（圆孔和椭圆孔）试件上进行的双轴载荷疲劳裂纹扩展试验表明:应力双轴性对疲劳裂纹扩展的影响,仅发生在靠近开孔的局部区域内。等双轴应力较单轴应力状态下的裂纹扩展速率减慢,而纯剪切状态下的裂纹扩展速率加快。在孔的影响区之外,所有的结果服从Paris规律,与应力双轴性无关。     

棘轮和蠕变条件下材料的附加塑性变形行为研究

针对316L不锈钢进行大量单轴棘轮和蠕变试验研究,对材料在棘轮和蠕变作用下的塑性变形行为以及变形量进行比较和分析.分析发现,材料棘轮和蠕变变形行为之间存在一些相似规律,而且相同试验时间下蠕变变形高于棘轮变形.在持续应力作用下,材料的附加塑性变形与作用应力间体现出上凸的抛物线规律,附加塑性变形先随应力的增长而升高,达到峰值后又逐渐减小.最后,根据这种上凸的抛物线规律提出相应的本构描述方程.     

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.      

ZSGH4169合金细观力学行为的数值模拟

基于晶体塑性本构理论,利用多晶代表性单元从细观尺度研究了ZSGH4169合金在650℃条件下考虑双轴应力状态的循环应力应变行为.计算结果表明:该合金在双轴拉伸应力控制下存在与低周疲劳试验常用的单轴应力状态一致的棘轮效应.对两种应力状态下的结果进行对比发现,在1150MPa应力单轴循环载荷下初始循环残余应变比双轴应力状态高出3倍,且双轴应力状态下最终循环稳定,残余应变约为1.2%,但在单轴应力状态下是不稳定的.对应力和塑性应变累积不均匀性的分析表明:单轴和双轴拉伸状态下,虽然应力和应变分布的不均匀性都随着循环数的增加而增加,但单轴拉伸状态下平均应力随循环数增加,而双轴拉伸状态下几乎为常数.      

Influence of residual stresses on failure pressure of cylindrical pressure vessels

The utilization of pressure vessels in aerospace applications is manifold.In this work,fnite element analysis（FEA）has been carried out using ANSYS software package with 2D axisymmetric model to access the failure pressure of cylindrical pressure vessel made of ASTM A36 carbon steel having weld-induced residual stresses.To fnd out the effect of residual stresses on failure pressure,frst an elasto-plastic analysis is performed to fnd out the failure pressure of pressure vessel not having residual stresses.Then a thermo-mechanical fnite element analysis is performed to assess the residual stresses developed in the pressure vessel during welding.Finally one more elasto-plastic analysis is performed to assess the effect of residual stresses on failure pressure of the pressure vessel having residual stresses.This analysis indicates reduction in the failure pressure due to unfavorable residual stresses.     

激光冲击残余应力场的有限元分析

建立模拟激光冲击残余应力场的非线性弹塑性有限元模型,预测AISI 304奥氏体不锈钢厚、薄靶材经激光冲击后表面以及内部的残余应力场分布.模拟过程中,考虑材料高应变率(106s-1)下的力学性能和激光诱导冲击波的精确加载,分析激光功率密度、激光光斑尺寸、激光脉宽、激光冲击次数、激光单面与双面冲击等激光冲击参数以及初始残余应力等因素对不锈钢靶材残余应力分布的影响.数值模拟结果与X射线衍射法测量值吻合较好.在有初始残余拉应力(250MPa)存在的情况下,激光冲击仍能使304奥氏体不锈钢靶材形成残余压应力层,说明激光冲击工艺可提高奥氏体不锈钢焊接构件的抗应力腐蚀开裂能力.     

应急断离剪切销的双剪切破坏过程仿真研究

民用飞机吊挂应急断离剪切销需要在紧急情况下断开并使得吊挂或者发动机脱离机翼,避免飞机在紧急着陆时,吊挂结构因受到地面反弹而损坏机翼油箱,导致油箱漏油起火引发火灾。因此应急断离剪切销对于飞机紧急着陆状态下,飞机安全着陆起到了非常重要的作用。本文以不锈钢材料的应急断离剪切销为研究对象,通过试验方法对不锈钢材料的试件进行力学性能测试,根据测试结果建立了应急断离剪切销的弹塑性本构模型,依据本构模型开展了2种不同径厚比下的应急断离剪切销双剪仿真分析。分析结果表明,在双剪工况下,随着施加在剪切销上的载荷增加,应急断离剪切销上剪切应力在两侧不断增加;剪切销的内径越大,其破坏瞬间的剪切强度越大,且破坏位移越大。     

利用小尺寸缺口试样测定延性材料的单轴本构关系

提出了一种利用三点弯曲试样获取延性材料本构关系的测试方法：针对小尺寸缺口试样的三点弯曲线载荷-位移曲线,采用有限元辅助测试（Finite-element-analysis aided tests,FAT）方法,迭代获得材料代表性体积单元（Representative volume element,RVE）本构关系。研究表明,两种延性材料的有限元迭代反求结果和单轴拉伸试验结果吻合较好。应用该方法,可以采用小尺寸缺口试样来获取延性材料的本构关系。     

粉末高温合金粘塑性试验评定与本构模型参数估计

 开展了粉末高温合金 FGH95 550℃、600℃和 650℃等 3种温度下控制应变率单向拉伸试验和 550℃下循环加载试验研究,结果表明 :600℃以下,快、慢应变率时,5%的试验应变范围内应力—应变曲线都一直上升,不存在应力饱和现象,热恢复效应不显著;但 650℃下慢应变率时则存在较明显的应力饱和现象,反映出在此条件下必须考虑蠕变效应。温度越高应变率对 FGH95的拉伸力学性能影响越明显,但总的说来是一种应变率不甚敏感的循环硬化材料。最后,在试验的基础上建立了 FGH95的 Bonder-Partom统一弹-粘塑性本构模型,理论与试验吻合较好,表明该模型能够模拟 FGH95的应力-应变关系曲线、应变率响应特性以及循环硬化特性,从而为 FGH95粉末高温合金构件的高温应力分析打下了基础。     

基于漏斗试样的C250钢高温扭转低周疲劳行为

C250钢的扭转疲劳破坏是其主要失效形式之一。为了获得航空材料C250钢的扭转疲劳特性,并消除等直圆棒试样在扭转试验中产生的弊端,依据漏斗试样完成了C250钢在3种高温(150、200、350℃)环境下的扭转低周疲劳试验,获得了在扭转低周疲劳下的扭矩-名义扭转角曲线。基于试验结果,利用FAT方法分析得到了C250钢在3种高温环境下的材料循环本构关系,利用该循环本构关系对漏斗试样进行三维扭转有限元分析,获得漏斗根部剪切应力与扭矩之间的转换公式及漏斗根部剪切应变与名义扭转角之间的转换公式。基于以上试验与分析方法,得到了材料的剪切应变幅-倍循环次数曲线、剪切应力幅-循环分数曲线以及剪切应力-剪切应变的稳定滞回线,发现材料呈现出循环软化特性,并基于Manson-Coffin模型对材料寿命进行了分析。     

材料初始缺陷对平纹编织C/SiC复合材料热残余应力的影响研究

C/SiC热残余应力影响材料服役性能,而初始缺陷影响热残余应力,因此有必要对平纹编织C/SiC复 合材料的初始缺陷与热残余应力的关系进行研究。通过试样截面扫描电镜(SEM)图像对材料各类初始缺陷的分布特征进行测量和统计,建立含初始缺陷的宏观材料的代表体积单元(RVE)和纤维束 RVE有限元模型;采用 稳态变温法及有限元细观计算力学(FECM)方法预测含初始缺陷的纤维束 RVE有效性能参数及热残余应力。结 果表明：应力预测值与试验值吻合较好,得到了各类初始缺陷与宏观材料热残余应力之间的定量映射关系。     

非等温循环粘塑性本构模型研究

本文提出了一个考虑在非等温条件下循环硬化行为的温度依赖性的粘塑性本构模型。在该模型中, 引入了三个具有不同演化速率的背应力演化方程;对各向同性变形阻力引入了具有先前加载历史和温度历史记忆的演化方程。将本文模型用于1Cr18Ni9Ti不锈钢的单轴非等温循环加载历史下材料变形行为的本构描述中, 其预言结果与实验结果吻合较好, 表明该模型能很好地描述材料在非等温条件下的循环变形行为。