DD3 单晶粘塑性损伤本构模型研究

介绍了建立DD3单晶高温合金本构模型的理论和过程,详细推导了DD3单晶损伤演化方程,简要分析了模型的组成和特点。简单讨论了模型材料常数的标定方法,具体标定了950℃下的模型材料常数。给出了模型的预测结果和试验结果的对比曲线,从中看出,该模型能够较准确地描述DD3单晶的力学行为特点,可望用于单晶叶片的结构分析。     

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。     

镍基单晶DD3涡轮叶片蠕变寿命晶向相关性分析

基于三维正交各向异性弹性有限元分析和晶体滑移理论，分析了单品涡轮叶片在其工作状态下的应力状态和蠕变寿命与叶型积叠线方向的晶体取向偏角、随机取向的晶向角之间的关系。分析结果表明：叶型积叠线方向的晶体取向偏角和随机取向的品向角，对单晶叶片的应力状态和蠕变寿命具有较大的影响，但二者对叶片蠕变寿命的影响规律是不同的。充分利用品体取向偏角和品向角，在不增加叶片重量的前提下，有利于进一步发掘材料潜力。因此对单晶叶片的晶向进行优化设计，具有重要的工程应用价值。     

耦合蠕变损伤的Chaboche粘塑性本构方程的应用

为了改善 Chaboche粘塑性统一本构方程描述第三阶段蠕变的能力 ,按照 Lemaitre有效应力的概念 ,采用 Kachanov损伤演化方程 ,推导了耦合各向同性损伤因子的 Chaboche粘塑性流动方程和硬化方程。当耦合损伤时 ,内变量演化方程形式不变 ,并不显含损伤因子 D。将之用于镍基高温合金 Udimet72 0 Li的蠕变描述 ,得到了该合金的蠕变损伤参数。通过对双轴试样的有限元计算 ,发现了 Kachanov损伤演化方程对单轴和多轴蠕变的预测并不协调。在损伤演化方程中引入多轴损伤因子得到了与实验数据基本一致的蠕变寿命结果。     

DD6单晶合金的高温蠕变/疲劳损伤研究

利用高频感应加热的方法对DD6单晶合金的高温蠕变／疲劳损伤性能损伤统一本构方程对其各向异性特点和损伤发展规律进行了有限元数值计算。研究发现，DD6单晶合金的高温蠕变／疲劳性能存在明显的方向性，同时在高温条件下蠕变损伤对试件破坏起重要作用，蠕变与疲劳的交互作用会大大缩短材料的循环寿命。     

DD3单晶高温合金改进热处理工艺后的力学性能

在提高DD3单晶高温合金蠕变性能的热处理工艺改进研究基础上,研究了改进热处理工艺条件下DD3合金的力学性能,并研究了改进后的热处理工艺与叶片涂层工艺的匹配性.对比了国内外单晶合金的性能与成本,结果表明,改进热处理工艺显著提高了合金的综合性能,改进热处理工艺后的DD3合金在140MPa/100h条件下的承温能力达到107...     

单晶涡轮叶片材料本构模型及应用研究

综述了各向异性单晶叶片强度分析和寿命预测方面的一些研究工程，这些工作包括；建立并验证了弹塑性，蠕变滑移本构模型及蠕变持久寿命预测方法，进行了不同晶体取向DD3单晶在不同温度，不同速率或不同温度，不同应力水平下的拉伸试验。蠕变，疲劳及热疲劳试验。开发了大型单晶结构有限元分析软件SLAPSC和ABAQUS的umat；用双剪切试样和模拟叶片等系列试验对模型和有限元进行考核。并应用上述试验研究的结果，对某发动机单晶涡轮叶片进行了强度分析和寿命预测。     

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。      

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。      

单晶高温合金DD3的相特征

利用物理化学相分析方法研究第一代单晶高温合金DD3的相特征。通过相萃取分析热处理前后γ′相和碳化物相的组成、含量及其结构式,并对比分析不同状态下DD3合金的强化相粒度、基体相成分及元素分配行为的变化。热处理前后的相特征分析表明,热处理不仅提高DD3合金γ′相含量、减小γ′相粒度,还改变合金元素的分配行为,提高γ′相的强度和稳定性。热处理的过程是γ′相得到强化的过程。     

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。     

粘塑性损伤统一本构模型中材料常数的一种确定方法

对粘塑性损伤统一本构模型及其参数确定方法做了简单回顾,提出了一种简单有效的粘塑性参数确定方法,并以定向凝固合金DZ4为例,采用遗传算法进行了优化。同时给出了DZ4蠕变损伤参数和疲劳损伤参数的优化结果。通过循环应力应变计算和蠕变计算,证明所提出的方法是可行的。      

一种用于材料高温蠕变分析的统一粘塑性损伤本构模型

通过应变等效假设在本文提出的具有过应力特征的统一粘塑性本构模型［５］中引入了描述材料损伤的内变量。并且给出了一个基于组合功密度概念的新的损伤模型。同以往的唯象模型相比，该损伤模型具有较明确的细观物理意义，能反映应变率和应力状态对损伤演化发展的影响。     

DD402单晶合金在小发涡轮工作叶片上的应用

论述了所研制DD402单晶合金的化学成分、显微组织、热处理及长期组织稳定性、物理性能、力学性能、化学性能等。通过考核试车和试飞证明，用该合金制造的小型航空发动机涡轮工作叶片工作正常。这一成果可供航空发动机设计人员和工艺人员在新机研制和生产中借鉴。     

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。      

基于热力学理论的固体推进剂粘弹-粘损伤本构模型

为了描述固体推进剂在不同应变率和围压环境下的非线性力学特性,首先通过假设推进剂非线性力学特性由损伤导致,基于不可逆热力学框架,推导出粘弹-粘损伤本构模型。在构建粘损伤模型时,以线性粘弹性应变能密度为损伤驱动力,并且引入了损伤历史、应变率和围压效应对于损伤增长的影响。然后利用文献中HTPB推进剂的围压实验数据对一维形式下的本构模型进行了参数获取、验证和预测误差分析。在获取损伤萌发参数S0时,基于时间-压强等效原理,构建了损伤萌发参数S0主曲线。最后采用NEPE推进剂单轴拉伸实验验证了本构模型对于当前固体推进剂大变形非线性力学性能的适用性。结果表明,损伤萌发参数S0随着围压和应变率的增加而增加。在应变率和围压的双重作用下,在相对压强5.516MPa,0.24s-1条件下的S0是相对压强0MPa,6×10-4s-1条件下数值的10.7倍。另外,模型对于HTPB推进剂抗拉强度的最大预测误差为6.15%,模型预测结果与两种实验数据重合较好,表明建立的粘弹-粘损伤本构模型可以很好地预测HTPB推进剂在不同应变率和不同围压环境下的力学响应和当前NEPE推进剂的大变形非线性力学行为,可为点火增压载荷下固体推进剂药柱结构完整性数值分析提供理论基础。     

Chaboche热粘塑性损伤模型的应用研究

本文讨论了Chaboche粘塑性模型的材料参数确定问题,提出了一种简单实用的模型参数确定方法,并用本文提出的方法确定了TiAl材料的Chaboche模型参数,并用这些参数进行了不同应变率下的拉伸模拟计算、不同应力下的蠕变模拟计算和CT试样在阶梯载荷下的蠕变模拟计算。     

IN 738LC材料Chaboche热粘塑性本构模型的隐式Euler格式

为了提高Chaboche模型的数值积分效率,推导了该模型的Eu ler隐式积分格式,针对IN 738LC材料,将该积分格式编写成FORTRAN程序,利用通用有限元分析软件M arc的用户子程序接口HYPELA 2,将该隐式积分格式与有限单元法结合起来。对实验进行了数值模拟,并将隐式算法和显式算法与实验结果作了对比,结果发现隐式算法是合理的,比显式算法收敛性要好。      

镍基单晶合金粘塑性行为的微力学模型

考虑镍基单晶合金细观两相共格的微组织结构特点,采用周期性胞元假设,在胞元不同区域构建其三维应力应变解析模型,并针对细观胞元中位错的增殖、攀移、切割及恢复等主要机制建立其粘塑性应变模型,二者结合较全面地模拟了镍基单晶合金SC16和DD3在1123K和1033K下的单调拉伸、蠕变及循环特性。根据模拟结果,对粘塑性应变模型中各个位错机制所起的作用及控制方式进行了具体分析,通过与试验曲线比较,得到较一致的结果。     

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。