一种广义Bodner-Partom黏塑性本构模型

针对Bodner-Partom黏塑性本构模型描述合金材料的率相关塑性和循环硬化行为时精度不足的问题,在无屈服面统一黏塑性本构理论框架内对其进行了改进：利用塑性势函数重塑了流动法则,摆脱了Mises材料的限制;在内变量演化方程中引入塑性应变率修正项并由非线性因子控制,拓展了不同的硬化/恢复演变方向。利用FGH96合金在550℃下的单轴拉伸及低周疲劳试验数据将广义B-P模型与原始B-P模型进行了对比验证,结果表明本文模型的模拟效果与材料非弹性特征吻合良好,具有克服应力应变滞回曲线“过方”问题和表达平均应力循环松弛的能力。模型对不同硬化机制的考虑对于高温合金材料更具优越性。     

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。     

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。     

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。     

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.      

镍基高温合金Udimet 720 Li硬化与蠕变响应本构建模

在镍基高温合金Udimet 720 Li的单调拉仲、对称循环加载和蠕变实验数据的基础上，开展了应用Bodner-Partom统一粘塑性本构理论对这三类载荷条件下材料的力学行为进行同时建模的研究。通过仔细分析方程的本构特征，提出了一种根据单轴实验获得本构参数的系统优化策略，然后将B-P模型编入ABAQUS的材料子程序UMAT，计算了700℃时不同加载情况下材料的非弹性变形，并与实验结果进行了对比，获得了良好的一致性。     

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。     

AZ31镁合金板热成形中的屈服和损伤:本构实现与数值分析

为了准确预测各向异性镁合金板的成形质量,将改进的GTN损伤模型与各向异性拉压不对称的CPB06屈服本构耦合,并考虑了屈服面形状随塑性应变累积的变化,得到了考虑本构参数随塑性应变演化的各向异性屈服CPB06-GTN损伤模型。基于该模型,在ABAQUS/Explict中编译得到了相应的VUMAT子程序,采用单个单元进行了单轴拉伸和压缩模拟,并通过与实验一致性对比验证了子程序的正确性。使用子程序不仅能够模拟镁合金的各向异性屈服及其不规则的硬化,同时也能够模拟镁合金的损伤破坏。此外,采用编写的子程序进行了热拉深成形的数值模拟,模拟预测与实验结果对比表明,采用各向异性损伤模型的计算结果能够准确预测镁合金的变形及其损伤破坏,模拟结果与实验数据吻合;采用合适的压边力和成形的温度条件及非等温成形方法能够提高镁合金的成形性。     

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。     

GH4169合金的循环本构模型研究

为研究GH4169合金在高温环境不同载荷条件下的非弹性响应力学行为,对其开展650℃下单轴拉伸和恒温低周疲劳试验,采用Bodner-Partom (B-P)统一本构理论对其力学行为开展数值模拟研究。通过试验,获得GH4169合金高温单轴拉伸曲线及半应变幅为0.65%,0.75%及0.85%下的循环曲线,基于B-P理论并结合有限元方法,引入介于0～1的缩小因子,研究了本构方程隐式积分新算法,通过ABAQUS用户子程序,计算得到GH4169合金不同载荷条件下的数值模拟曲线。计算曲线与试验曲线均具有较好的一致性,说明B-P模型能较合理地建模GH4169合金的高温非弹性响应力学行为,同时验证了本文模型的完整性和计算程序的正确性。     

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。     

T225NG钛合金的单轴棘轮行为:实验与模型

通过一系列单轴应力循环实验对T225NG钛合金进行了长次循环棘轮行为研究。研究表明,在一定峰值应力范围内经数万次应力循环后材料具有棘轮安定性;棘轮疲劳损伤与幅值应力和峰值应力相关,当幅值应力为峰值应力的一半时,棘轮变形达到安定后产生疲劳破坏,疲劳寿命与峰值应力或SR应变（饱和棘轮应变）之间满足幂律关系;在幅值应力仅为峰值应力的1％～2．5％时,材料依然可以产生棘轮塑性应变累积并经过数十万次循环后达到安定,且蠕变附加效应不显著;当峰值应力取为屈服强度85％～100％时,初始棘轮塑性应变率为零,但经过数万次循环后仍可以产生1．4％～2．5％塑性应变累积。基于峰值应力与T225NG合金单轴棘轮塑性累积之间所具有的单调特性以及棘轮演化的门槛特性,本文重点发展了SRM抛物律本构模型,该模型可较好预测T225NG合金单轴SR应变,也可用于估算蠕变的安定塑性累积。论文还讨论了关于棘轮演化的分类问题。     

Stress-controlled LCF experiments and ratcheting behaviour simulation of a nickel-based single crystal superalloy with [001] orientation

Uniaxial ratcheting behaviour and low cycle fatigue (LCF) failure mechanism of nickel-based single crystal superalloy DD6 with [001] orientation are investigated through the stress-controlled LCF tests with stress ratio of −1. Then the deformation behaviour during the whole-lifetime from the beginning of the experiment to the fracture of the specimen, as well as the fractographic/metallographic morphology, are compared with the strain-controlled LCF experimental results. Through the scanning electron microscope (SEM) observations, it is shown that the failure characteristics under stress-controlled LCF loading are similar with those under strain-controlled loading. Nevertheless, unlike strain-controlled LCF loading, even under fully reversed cycle loading for stress-controlled LCF, DD6 shows significant ratcheting behaviour due to the tension-compression asymmetry. In addition, the LCF lifetimes under stress control are significantly shorter than the LCF lifetimes under strain control, and the culprit might be the detrimental effect of ratcheting strain on LCF lifetime. Based on these phenomena, an improved crystal plasticity constitutive model on the basis of slip-based Walker constitutive model is developed through modifying the kinematic hardening rule in order to overcome the inaccurate prediction of decelerating stage and stable stage of ratcheting behaviour. Furthermore, combining the continuum damage mechanics, a damage-coupled crystal plasticity constitutive model is proposed to reflect the damage behaviour of DD6 and the accelerating stage of ratcheting behaviour. The simulation results for the stress-controlled LCF deformation behaviour including the whole-lifetime ratcheting behaviour show good agreement with the experimental data.     

基于应力循环特征的裂纹萌生寿命预测方法

以两种镍基高温合金的应力循环特征为基础,即粉末高温合金FGH95的循环硬化继而软化及变形高温合金GH4169的循环软化特性,寻求载荷历程相关的损伤参量,进而建立应力弱化损伤模型,以考虑载荷历程对疲劳寿命的影响.建立的应力弱化损伤模型可以较好地预测不同循环载荷条件下的疲劳寿命,其预测精度不低于传统方法,且优势在于使建立模型所需要的试样数量大大减少.      

LY12CZ铝合金材料的室温和高温单轴循环变形行为及其时间相关性

 对LY12CZ铝合金室温和高温下的单轴循环变形行为及其时间相关特性进行了实验研究,重点讨论了环境温度、应力水平、加载波形和峰值保持对材料棘轮行为的影响。结果表明：室温和高温下,LY12CZ铝合金体现出循环硬化特性,并具有明显的应变幅值依赖性;材料的棘轮行为不仅依赖于当前的平均应力和应力幅值大小,还与加载历史密切相关。尽管LY12CZ铝合金在单调拉伸时对应变率的变化不敏感,但其循环棘轮行为具有明显的时间相关特性：有峰值保持时产生的棘轮应变明显大于没有保持时的值,并随保持时间的增加而增大;正弦波形下的棘轮应变大于三角波形下的棘轮应变。     

液体火箭发动机低温阀门铝垫片密封性能数值分析

为研究某液体火箭发动机低温阀门铝垫片密封结构在低温工作环境下的密封性能，利用Abaqus软件建立了该结构的二维轴对称模型，计算了低温工作状态下铝垫片密封表面接触压力的变化，并研究了铝垫片在循环温度载荷作用下接触压力下降的机理。结果表明，在低温工作时密封垫片与阀门各部件材料线胀系数不同导致了在温度降低时密封面上的接触力的下降；而铝垫片密封表面上复杂的应力应变状态导致接触压力在温度载荷作用下无法恢复。在温度载荷循环作用下，铝垫片密封面上产生了棘轮效应。垫片的塑性应变在棘轮效应中累积且最大应力值在棘轮效应中下降；接触力会随着温度载荷循环次数增加逐步降低并在一定周期后保持稳定。提出了采用锥形垫片的结构改进方案，并通过仿真验证了该结构在循环温度载荷作用下保持密封压力的有效性。     

考虑应力梯度影响的多轴缺口疲劳寿命预测

给出了几种典型拉-扭加载路径在新定义主坐标系下的π平面投影路径,并基于π平面投影路径提出了一种新的多轴疲劳损伤参量;考虑材料多轴加载的非比例附加强化效应,提出了一种非比例附加强化系数的预测方法和非比例度的定义方法;进一步考虑缺口试样多轴加载下的拉-扭应力梯度分布,结合有限元弹性分析的结果,提出了一种考虑多轴效应的等效应力梯度因子,从而发展了一种新的考虑应力梯度影响的多轴缺口疲劳寿命预测模型,并选用GH4169合金650℃下的多轴缺口疲劳试验结果对所提出的寿命模型进行验证。结果表明:①所提出的多轴疲劳损伤参量有明确的物理意义,不仅适用于多轴疲劳,也适用于单轴疲劳;②所提出的等效应力梯度因子仅需通过弹性有限元分析确定,适合工程实际应用;③新的寿命预测模型对GH4169材料多轴缺口疲劳试验的寿命预测结果较好,基本位于2倍分散带以内。      

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。     

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.