三维机织复合材料的一个细观力学模型

根据三维机织复合材料中细观几何和变形的周期性,提出了一种反映细观周期约束条件的组合梁单元模型,该模型既考虑了纤维束的偏轴拉压效应,又考虑了纤维束的弯／剪耦合效应和纤维束之间的相互作用,可以描述纤维束和基体中的细观应力分布。针对一种典型的三维机织复合材料,研究了根据编织参数确定材料细观结构的方法,在此基础上选取材料中最小周期的一段纤维束作为分析胞元,用上述模型分析了面内拉伸荷载下胞元中各相材料的细观应力,进而得到材料平均的宏观模量。材料试验和二维细观有限元分析证明了本模型的可靠性。研究表明,三维机织复合材料中,纤维束拉、弯耦合效应引起的细观应力在应力分析中不可忽略。     

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。      

双向应力状态下IC10高温合金的屈服行为研究

 为了研究Ni₃Al基金属间化合物IC10高温合金的屈服行为,对其进行了不同加载路径下的双向拉伸试验.试验采用十字形双向拉伸试验件在Zwick/Roell Z010双向拉伸试验机上进行,得到的最大等效应变为0.02.试验加载方向与材料塑性各向异性主轴重合,采用位移控制方法让两个夹头的加载速率比保持不变,得到不同线性加载路径下的应力-应变曲线.根据单位体积塑性功相等原理获得了IC10合金在双向拉伸应力状态下的屈服轨迹,并与目前常用的几种正交各向异性屈服准则及von Mises屈服准则预测结果进行了对比.结果表明,IC10合金的试验屈服轨迹呈外凸性,以双向等拉线为界的上下部分屈服轨迹不对称,显示出明显的塑性各向异性.各向同性von Mises 屈服准则只包含一个材料常数,无法描述IC10合金的塑性各向异性行为;Hill 二次式屈服准则在双向等拉应力状态附近低估了材料的屈服强度;Logan &; Hosford屈服准则在从双向等拉到横向单拉的应力状态下都低估了材料的屈服强度,与试验结果相差较大.Banabic-Balan屈服准则和Barlat (1989) 屈服准则的预测值与试验结果吻合很好,能很好地描述IC10合金在双向应力状态下的屈服行为.     

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。     

复合材料层合板结构冲击损伤数值模拟的损伤力学模型

针对复合材料结构低速冲击损伤问题,基于连续损伤力学提出了一种动力学冲击条件下的三维损伤数值模型。模型中区分了层内损伤（纤维拉伸与压缩失效、纤维间拉伸与压缩失效）和层间分层损伤不同的失效模式。采用三维Puck失效准则与考虑压缩抑制效应的Aymerich准则对上述两类损伤进行判定,材料失效后基于连续损伤力学中线性软化模型对材料损伤进行演化。模型中考虑了复合材料层合板结构中子层的就位效应和损伤分析中的“连锁效应”。通过对Shi的冲击试验进行数值模拟,模型预测的冲击接触载荷、分层形状和尺寸与试验结果吻合较好,证明了所提出的数值模型对复合材料层合板结构低速冲击损伤预测的有效性。     

考虑静水压力和LODE 角的塑性模型 在GH4169 合金上的应用

针对典型盘用镍基高温合金GH4169,采用Bai-Wierzbizki(B-W)塑性理论对其塑性变形行为进行建模和应用评估。B-W塑性理论假设金属材料塑性变形仍服从von Mises屈服准则,但屈服函数考虑了静水压力和LODE角(偏应力第3不变量)对塑性行为的影响。采用Abaqus/Explicit商业有限元软件编制了该塑性模型的用户材料子程序,设计开展了GH4169合金的光滑、缺口圆棒和缺口平板拉伸试验,基于有限元分析和优化方法确定了B-W模型相关材料参数,对GH4169合金光滑和缺口拉伸响应曲线进行有限元预测,并与试验结果进行对比分析。结果表明:B-W模型预测的GH4169合金缺口圆棒和平板拉伸响应曲线与试验结果非常吻合,而基于传统von Mises塑性模型预测的GH4169合金缺口拉伸响应曲线均明显高于试验曲线。     

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。     

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.      

复杂应力状态下金属材料屈服模型及有限元验证

日益复杂的结构细节特征和载荷作用给飞机金属实体结构的精细化设计提出了极高挑战,对复杂应力状态下金属材料的屈服及失效行为的高精度预测是结构精细化设计与验证的关键。多种典型构形拉伸试验研究发现基于单一曲线假设的 von Mises 屈服理论难以精确描述金属材料在复杂三维应力状态下的屈服行为。为提高复杂应力状态下金属弹塑性行为的预测精度,提出一种基于应力三轴度和 Lode 角参数修正的 von Mises屈服模型,将该修正模型以 VUMAT 用户材料子程序嵌入 ABAQUS/explicit 求解器对铝合金 2024-T4 试件的屈服行为进行数值模拟。结果表明：本文提出的修正屈服模型比 von Mises 屈服模型更符合试验结果。     

用于薄片试样弹塑性应力-应变分析的半解析方法

针对圆弧漏斗薄片试样和圆环薄片试样提出了半解析统一模型,并进行了有限元验证,该模型对漏斗薄片试样与圆环薄片试样单调力学行为均有优良的描述性。完成了漏斗薄片试样与圆环薄片试样的单轴拉伸试验及变幅对称循环试验,获得了载荷-位移曲线和循环稳定载荷幅-位移幅曲线。通过该模型并利用试验曲线预测材料单轴应力-应变关系和循环应力-应变关系,发现根据两种薄片试样预测的材料应力-应变关系及循环应力-应变关系与标准圆棒试样结果吻合良好。     

SHPB实验考虑绝热变形和端面摩擦的修正方法

采用高温分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术对GH4169高温合金进行测试,获得了材料在高应变率下的温度敏感性,并拟合了Johnson-Cook本构模型的参数。结合数值计算方法对压缩实验中试件内部的应力、应变以及温度的分布建立了一个半经验的数学模型并提出了一种新的参数修正方法,将端面摩擦效应、绝热变形升温效应与SHPB实验结果进行解耦。实验结果表明:温度越高,GH4169高温合金的屈服强度以及流动应力越小。并且在SHPB实验中GH4169高温合金存在明显的绝热变形升温效应和端面摩擦效应,导致实验结果并不能真实反映材料的硬化特性。通过对原始Johnson-Cook本构方程的硬化项乘以1.2的修正系数,发现修正后的本构参数准确反映了材料在高应变率下的应力应变特性。      

面向航空发动机减重的铝合金管强化机理研究

为助推新一代大型航空发动机推重比的有效提升,开展面向航空发动机减重需求的高强度铝合金管件自增强机理研究。采用有效强化的高强度铝合金管件大规模替换航空发动机低温段不锈钢高压管件,是实现航空发动机减重的可行方法。通过研究高强度铝合金管件自增强工艺的强化机理,建立基于三剪统一强度准则,同时考虑包辛格效应、应变时效以及应变硬化的高压自增强工艺参数数学模型,并结合双线性随动强化模型,分析管路构件在强化过程中的弹塑性行为与残余应力分布演化规律,研究确定强化工艺参数。基于ANSYS,在额定工况下对强化后的铝合金管件和不锈钢管件的疲劳强度进行仿真分析,最后采用脉冲疲劳试验进行验证,证明自增强铝合金管件替换现役不锈钢管件具有较好的可行性。     

材料参数对超塑性恒压充模胀形过程影响的数值分析

 采用大变形刚粘塑性有限元法模拟了超塑性恒压充模胀形过程，分析了应变速率敏感性指数m、应变硬化指数n和厚向异性指数R等材料参数对胀形件厚度分布、成形时间、等效应变场及胀形成形能力的影响；通过对铝合金LY12CZ板料的相应实验对模拟结果进行了验证。     

超高温NiAl合金锥形薄壳件制备成形一体化新工艺

针对NiAl合金板坯制备及板坯成形锥形薄壳件存在的材料流动及组织性能控制困难的问题,提出了一种制备成形一体化新工艺。该工艺是将塑性成形和反应合成在同一工步中,即先将Ni/Al叠层箔置于模具中进行塑性成形,随后对成形的Ni/Al叠层箔原位加热加压反应合成NiAl合金薄壳件。采用三维扫描仪及Geomagic Studio/Qualify对锥形薄壳件的形状精度进行了分析,采用扫描电子显微镜( Scanning Electron Microscope, SEM )和电子背散射衍射( Electron Backscatter Diffraction, EBSD )技术对其微观组织进行了表征,并对构件的高温力学性能进行了测试。结果表明,采用该新工艺制备的锥形薄壳件成形效果良好,整体型面偏差尺寸在±0.1 mm以内;构件沿轴截面壁厚平均偏差为0.012 mm,沿横截面壁厚平均偏差为0.072 mm,构件轴截面壁厚分布均匀性及组织成分均匀性高于横截面。构件高温力学性能稳定,1000 °C时平均屈服强度为77.8 MPa,平均抗拉强度为82.6 MPa。NiAl合金构件的微观晶粒形貌与Ni箔的初始热处理状态及Ni/Al箔的初始厚度有关,未退火的Ni箔将延缓粗晶区晶粒的长大,减小初始箔材厚度可实现晶粒的进一步细化。     

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。     

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。     

Effects of in-situ TiB2 particles on machinability and surface integrity in milling of TiB2/2024 and TiB2/7075 Al composites

In-situ ceramics particle reinforced aluminum matrix composites are favored in the aerospace industry due to excellent properties. However, the hard ceramic particles as the reinforcement phase bring challenges to machining. To study the effect of in-situ TiB₂ particles on machinability and surface integrity of TiB₂/2024 composite and TiB₂/7075 composite, milling experiments were performed, and compared with conventional 2024 and 7075 aluminum alloys. In-situ TiB₂ particles clustered at the grain boundaries and dispersed inside the matrix alloy grains hinder the dislocation movement of the matrix alloy. Therefore, the milling force and temperature of the composites are higher than those of the aluminum alloys due to the increase of the strength and the decrease of the plasticity. In the milling of composites, abrasive wear is the main wear form of carbide tools, due to the scratching of hard nano-TiB₂ particles. The composites containing in-situ TiB₂ particles have machining defects such as smearing, micro-scratches, micro-pits and tail on the machined surface. However, in-situ TiB₂ particles impede the plastic deformation of the composites, which greatly reduces cutting edge marks on the machined surface. Therefore, under the same milling parameters, the surface roughness of TiB₂/2024 composite and TiB₂/7075 composite is much less than that of 2024 and 7075 aluminum alloy respectively. Under the milling conditions of this experiment, the machined subsurface has no metamorphic layer, and the microhardness of the machined surface is almost the same as that of the material. Besides, compared with 2024 and 7075 aluminum alloy, machined surfaces of TiB₂/2024 composite and TiB₂/7075 composite both show tensile residual stress or low magnitude of compressive residual stress.     

Ultrasonic constitutive model and its application in ultrasonic vibration-assisted milling Ti3Al intermetallics

Ultrasonic vibration-assisted technology is widely utilized in the performance research and manufacturing process of metallic materials owing to its advantages of introducing highfrequency acoustic systems. However, the acoustic plasticity constitutive model and potential mechanism, involving Ti₃Al intermetallic compounds, have not yet been clarified. Therefore, the Ultrasonic-K-M hybrid acoustic constitutive model of Ti₃Al was established by considering the stress superpos...     

疲劳断口形貌与材料性能的关系

1.疲劳断口分析概述 当金属材料承受循环载荷时,随材料的初始状态以及应力-应变水平不同,将在整个体积内发生循环硬化或循环软化现象。开始时,这些变化是在受载金属中均匀发生的。当循环周次达到一定的数值时,某些变化将集中在局部区域进行,并导致出现微观疲劳裂