基于损伤力学的金属材料韧性断裂失效分析

金属韧性断裂是损伤累积的结果,以孔洞演化理论和细观损伤力学模型为基础,将韧性断裂机制

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。通过编写用户

材料子程序VUMAT,将韧性断裂准则嵌入到ABAQUS 有限元软件的准静态算法主程序中,模拟了航空铝合金

LY12CZ(Kt =1 和3)单向拉伸时材料损伤累积、裂纹萌生、扩展直至韧性断裂的物理全过程,并通过拉伸试验

验证了模型的有效性。韧性金属材料孔洞断裂机制研究表明,单调加载过程中宏观裂纹的形成是孔洞在夹杂

物和第二相微粒周围形核、长大直至聚合的结果。

     

叠层穿刺CF/Al复合材料准静态拉伸力学行为与失效机制

针对新型的叠层穿刺碳纤维织物增强铝基复合材料（CF/Al复合材料）,通过细观力学数值模拟与实验结合的方法研究了其在准静态拉伸载荷作用下的渐进损伤与断裂力学行为。复合材料经向拉伸弹性模量、极限强度与断裂应变的实验结果分别为129.61 GPa、630.14 MPa和0.75%,细观力学模型预测误差分别为-9.41%、7.57%和1.33%,均匀化计算的宏观应力-应变曲线与实验曲线总体上相符。经向拉伸变形初期首先出现经/纬纱交织处基体合金的局部损伤,随着拉伸应变量的增大依次发生纬纱和穿刺纱的横向开裂,拉伸变形后期基体合金与经纱失效引起宏观应力-应变曲线的急剧下降,复合材料拉伸断口表现为经纱轴向断裂及纬纱和穿刺纱横向开裂共存的形貌特征,纤维拔出和基体断裂导致的经纱轴向断裂是诱发复合材料最终失效的主要机制。     

单向陶瓷基复合材料单轴拉伸强度研究

采用细观力学方法对单向纤维增强陶瓷基复合材料单轴拉伸强度进行研究.采用剪滞模型描述复合材料出现损伤后的细观应力场,结合基体随机开裂模型、断裂力学界面脱黏准则确定基体裂纹间距及界面脱黏长度.当基体裂纹达到饱和后,假设纤维强度服从威布尔分布,完好纤维和断裂纤维承载满足总体载荷承担法则,采用纤维随机失效模型确定继续加载过程中纤维断裂概率及断裂位置,当纤维承载达到最大时,复合材料失效.讨论了基体威布尔模量和特征强度、纤维/基体界面剪应力和界面脱黏能、纤维威布尔模量和特征强度对纤维失效,进而对复合材料拉伸失效强度的影响.与试验数据对比表明:提出的模型是有效的.      

准静态加载下陶瓷基复合材料层合板应力-应变曲线的模拟

采用细观力学方法来模拟纤维增强陶瓷基复合材料层合板在准静态加载下应力-应变行为.采用层合板修正剪滞模型分析复合材料出现损伤时的细观应力场,通过临界基体应变能准则、Nair脱粘准则确定基体裂纹间隔和界面脱粘长度.最后结合剪滞模型和损伤机制模拟陶瓷基复合材料层合板应力-应变曲线,并与试验数据进行比较,结果吻合较好.      

基于主成分分析的镍基单晶高温疲劳寿命模型

采用滑移平面作为临界平面,并以滑移平面上的细观参量作为损伤参量研究材料损伤行为能很好地体现镍基单晶破坏的物理机制.滑移平面上细观参量通过本构模型相互联系,存在较强的多重共线性,导致寿命建模时难以得到合理稳定的材料常数.为此,引入主成分分析方法消除初始细观参量间的多重共线性影响,确定了临界平面主导损伤因子,并基于主导损伤因子建立了寿命模型.对比直接采用初始细观参量建立的寿命模型,该模型形式更为简单,材料常数稳定、合理,反映了细观参量对镍基单晶损伤影响的量化特征.采用760℃与980℃下DD6高温疲劳试验结果对寿命模型进行验证,试验寿命基本落在预测寿命的3倍分散带内.      

铜合金在高速为形条件下的破坏机理分析

通过对高速变形的黄铜进行细观分析，探讨了动载下黄铜的变形和破坏机理；进一步阐述载下材料变形及断裂过程是由其内部的微孔洞和微裂纹的演化而造成的，这一过程分为形核，长大及微孔洞聚合。     

SiCp/A356复合材料的细观损伤及混联失效模型

采用SiC颗粒增强铝基复合材料制动盘本体取样,对SiC颗粒增强铝基复合材料在室温和高温条件下的细观损伤断裂机制进行研究。在试样断口上,通过扫描电镜观察到裂纹的萌生和扩展,SiC颗粒和裂纹扩展面的改变对裂纹生长的阻滞作用和以SiC颗粒为中心的辐射状疲劳条纹。提出一种颗粒增强复合材料的细观损伤混联模型,用于解释材料细观裂纹的萌生和扩展。     

C/C机织复合材料开孔板强度有限元模拟

三维机织复合材料已在航空航天领域得到广泛应用,研究开孔C/C机织复合材料在拉伸和压缩状态下的损伤机理具有重要工程价值。建立开孔C/C三向正交机织复合材料试验件的镶嵌有限元模型,在孔周范围内按照材料的细观结构建立细观尺度有限元模型,采用基于细观力学的强度准则对其拉伸和压缩损伤演化过程进行模拟,并预测其极限拉伸、压缩载荷和拉伸、压缩强度。结果表明:在拉伸与压缩载荷下,由于缝线与纤维束接触区域的应力集中,使得开孔板经纱多处区域出现损伤起始,开孔板损伤区域均呈"X"形扩展。     

纤维增强复合材料宏观与细观统一的细观力学模型

研究了复合材料宏观、细观特征之间的联系,将宏观复合材料体中的1点赋予了细观结构特征。基于细观结构周期性假设,建立了1种细观力学模型,用模型中高阶多项式函数模拟基体和增强相中的细观位移场;通过对细观单元力学方程的分析与求解,建立了复合材料宏观、细观力学变量之间的联系。该细观力学模型,不仅能用于复合材料宏观有效性能的预测及细观应力、应变场的分析,而且能够很容易地融入常规有限元法中,实现对复合材料结构的宏观、细观一体化分析。以该细观力学模型为基础的计算结果与部分文献中的试验结果及理论计算值具有较好的一致性。     

2D-C/SiC复合材料的拉伸损伤研究

通过单调拉伸和循环加卸载试验,研究了2D-C/SiC复合材料的力学性能及损伤演化过程。结果表明,残余应变、卸载模量和应力的关系曲线与拉伸应力应变曲线具有类似的形状。基于细观力学建立了材料的损伤本构关系和强度模型,分析计算表明,残余应变主要由裂纹张开位移和裂纹间距决定,而卸载模量主要由界面脱粘率决定;材料的单轴拉伸行为主要由纵向纤维束决定,横向纤维束对材料的整体模量和强度贡献较小。理论模拟结果与试验值吻合较好。     

2.5维机织复杂结构件的静强度

采用宏细观结合方法,针对经纱和纬纱等材料组分可能发生的多种失效模式,分别建立了基于改进的Hashin准则的系统性的材料失效准则及不同失效模式下的刚度退化模型.引入逐渐损伤的思想,建立了2.5维机织复杂结构件静强度系统性分析方法.模拟并分析了材料经向拉伸和纬向拉伸的应力-应变曲线,与实验得到的材料应力-应变曲线相比,相同应变下应力误差不超过6.5%,具有较好的重合度;对2.5维机织压气机静子连接结构模拟件开展了逐渐损伤模拟,结果表明:结构损伤主要集中在叶根倒角附近,其中吸力面叶根处的基体压缩失效形式会引起结构大幅变形,是结构破坏的主要原因.      

点蚀损伤7075-T6铝合金弹性性能计算模型的理论与实验研究

 点蚀坑是高强度铝合金材料中广泛存在的一种腐蚀形式,这种点蚀损伤会导致材料性能的下降,严重地威胁着结构的承载能力。根据点蚀损伤的特点,在细观力学的理论基础上,建立了点蚀损伤材料弹性性能计算的孔隙率模型。使用7075-T6铝合金,在连续酸性盐雾环境下进行预腐蚀。根据预腐蚀件的拉伸实验结果,对模型的正确性进行验证。模型计算与实验结果的对比证明了本文方法的可行性与正确性。     

镍基合金K438高温弹塑性变形行为与本构模型研究

针对涡轴发动机动力涡轮叶片复杂应力状态下的变形失效问题,以涡轮叶片材料K438为研究对象,开展了高温下光滑和缺口特征件准静态拉伸试验.结合试验结果分析了叶片材料在复杂应力状态下的变形行为和断裂特征,构建了叶片材料本构模型和损伤断裂模型,并验证了模型的有效性和适用性.同时还探讨了温度、应力集中系数、试样截面几何形状对K4...     

纤维增强钛基复合材料横向拉伸性能数值模拟

为研究SiC/Ti-6AL-4V纤维增强钛基复合材料在横向拉伸载荷下的力学特性,建立了三维细观有限元模型;利用ANSYS软件接触单元和内聚力材料模型,对其制备残余热应力及横向拉伸载荷下的界面脱粘、基体失效进行了数值模拟。结果表明:考虑界面材料属性的细观力学有限元单胞模型,可较好地模拟纤维增强钛基复合材料在横向拉伸载荷下的界面脱粘、基体失效;横向拉伸载荷下,复合材料基体细观结构内部应力分布不均导致基体材料利用率下降,是造成复合材料横向强度低于基体材料强度的主要原因。     

改进的三维高精度通用单胞模型

基于复合材料细观力学周期性假设,对高精度通用单胞模型进行了改进,并推广到三维。模型中用界面的平均量代替细观位移函数中解系数,并利用细观单元力学方程的分析与求解,建立了细观平均量与复合材料宏观平均量间的联系.改进的高精度通用单胞模型的求解方程数目减少了大约55%,求解时间缩短,并且消除了亚子胞的概念.算例分析表明该模型的计算结果与细观有限元结果具有较好的一致性.      

航空金属材料的损伤机制与预测方法

损伤是航空结构件加工制造与服役中的共性问题。以微观损伤机制与损伤预测模型为主要关注点,论述了典型航空用铝合金、钛合金中损伤形核、扩展的影响因素以及宏观、细观尺度损伤断裂的预测方法。对于塑性成形过程,以受力状态为切入点,阐述了不同应力状态下损伤演化的差异性,介绍了基于应力状态损伤模型在航空材料中的应用。对于疲劳损伤问题,总结了不同体系合金中的微观影响因素,如第二相颗粒、晶体取向等,讨论了疲劳预测方法在航空用铝合金、钛合金中的应用。将局部应力应变集中归纳为损伤萌生、扩展的外因,而材料内部缺陷、界面等为内因,塑性变形、疲劳过程的损伤累积均为内、外因综合作用的结果。通过归纳损伤机制研究进展与问题,分析宏、细观预测方法的优缺点,提出以共性规律与通用性预测方法为重点的发展方向。     

本构关系对连续介质损伤力学基本方程适定性的影响——一维弹性损伤情况

许多工程材料当变形超过某一极限时由于损伤都会出现应变软化行为。首先从非局部理论出发,推导了应变梯度损伤本构方程;然后利用一阶拟线性偏微分方程组的特征理论,在一维弹性损伤情况下分析了两种不同的本构模型,即 Kachanov损伤本构方程与应变梯度损伤本构方程,对连续介质损伤力学基本方程适定性的影响。结果表明,当损伤发展时,与 Kachanov损伤本构模型相关的连续介质损伤力学的基本方程是不适定的;而与应变梯度损伤本构模型相关的,则无论损伤是否发展,其基本方程始终是适定的。这说明在连续介质损伤力学的本构方程中必须考虑材料内部微结构的尺度效应。     

2.5维自愈合C/SiC复合材料的拉伸应力-应变关系

根据2.5维自愈合C/SiC复合材料的细观结构特点,基于界面开裂和基体开裂的损伤机理,分别建立了该材料经向和纬向拉伸的细观力学模型,进而得到了经向和纬向拉伸的非线性应力-应变关系,应力-应变曲线的预测结果与试验值吻合较好.结果表明:纬向应力-应变曲线的最大预测误差为9%,经向应力-应变曲线的最大预测误差约为10%,经向和纬向的应力-应变关系不同.该模型采用切线弹性模量和平均裂纹间距的方法,省去了以往模型复杂的应变计算过程,使模型得到简化,便于应用.      

延性金属渐进破坏试验与数值研究

金属构件韧性断裂机理研究对于新型延性材料缩短其工程应用周期及减少物理试验量等方面具有重要意义。基于连续损伤力学理论提出了一种改进的三应力不变量延性金属断裂模型,该模型考虑了静水压力和Lode角对损伤变量的影响。然后,以商业有限元分析软件ABAQUS为平台,通过编写用户材料子程序VUMAT的方式将该模型嵌入准静态算法主程序。通过对四种高强度变形铝合金2A12-T4板材的拉伸渐进破坏过程的试验及数值分析研究,验证了该模型的有效性。结果表明,该模型可很好地预测延性金属材料自裂纹萌生、扩展直至完全断裂的全过程。     

等离子涂层涡轮导向叶片热疲劳寿命预测研究

针对等离子涂层涡轮导向叶片材料的变形特点,引入了粘塑性本构模型.进行了涂层高温氧化实验、带涂层构件热疲劳实验及有限元模拟研究.基于研究结果,建立了可以体现氧化损伤与热疲劳损伤耦合效应的寿命预测模型.计算分析了带涂层涡轮导向叶片的稳态温度场、涂层隔热效果和基于宏观尺度的应力应变场,研究了宏、细观有限元计算结果间的转换关系,提出了等效系数的方法,对涡轮导向叶片表面涂层的热疲劳寿命进行了预测.寿命预测结果合理,方法可行.