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。     

一种考虑平均应力松弛的多级硬化本构模型

在无屈服条件的粘塑性本构理论框架内, 提出了关于内变量和内应力以及材料具有不同硬化趋势的假设, 并在Bodner-Partom模型的基础上, 发展了新的内变量演化模型, 即双级硬化模型(Two StagesHardening, TSH模型)和多级硬化模型(Multi-Stages Hardening, MSH模型), 提高了Bodner-Partom模型对同时模拟应变率相关单调拉伸和循环特性的精度, 特别是增强了对Ratcheting的模拟能力, 使得无屈服条件的本构方程以较高精度模拟Ratcheting成为可能.并将TSH模型和MSH模型用于Udimet720Li材料高温非弹性变形特征的描述, TSH模型改善了B-P模型在模拟单调拉伸和循环硬化方面的精度, 但MSH模型在描述非对称循环载荷下平均应力松弛和Ratcheting应变方面具有更强的能力.      

改性双基推进剂黏弹-黏塑性本构模型

为了表征改性双基推进剂的力学行为,推导出改性双基推进剂黏弹-黏塑性本构模型。利用一系列蠕变-回复试验,将材料的总应变分离为黏弹性应变和黏塑性应变,使用最小二乘法获得了黏弹性参数,使用Nelder-Mead单纯形优化算法,结合后向Euler数值方法获得了黏塑性参数。通过不同应力水平和不同加载时间的蠕变-回复试验对模型进行了验证,结果表明,在应力水平较低或加载时间较短的情况下,模型预测与试验值变化趋势基本一致,模型获得的黏弹性应变与黏塑性应变在总应变中所占的比例与试验吻合。改性双基推进剂黏弹-黏塑性本构模型能够在一定范围内描述材料的力学性能。     

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.      

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。     

纯铁材料动态力学性能测试及本构模型

研究纯铁材料的动态力学性能并建立其本构模型是开展纯铁材料工程应用和数值模拟研究的基础,利用Instron材料试验机和分离式Hopkinson压杆试验装置,对纯铁材料进行了常温下不同应变率（10^-3~5×10⁴s^-1）和应变率为10⁴s^-1时不同温度下（200~800℃）的动态力学性能测试,获得了各种载荷下的应力-应变曲线。试验结果表明,纯铁材料的塑性流动应力对应变率和温度非常敏感,具有明显的应变强化效应、应变率强化和增塑效应以及热软化效应。基于Power-Law本构方程,通过试验数据拟合得到了纯铁材料的动态本构模型参数,拟合曲线与试验数据吻合较好,表明该模型能较好描述纯铁材料在动态载荷下的力学行为。     

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。     

镍基单晶高温合金热机械疲劳行为与寿命建模

通过DD6单晶薄壁管试样机械应变控制热机械疲劳(TMF)试验,获取温度交变、相位角以及载荷控制方式对单晶应力应变响应与疲劳寿命的影响规律。结果表明:温度交变会引起明显的应力不对称性并造成额外损伤,导致TMF寿命明显低于最高循环温度的等温疲劳(IF)寿命,并且反相(OP)循环寿命普遍要低于同等载荷的同相(IP)循环,这种寿命变化趋势与应力控制存在明显差异。采用Walker本构模型进行单晶材料在不同TMF循环下的滑移系黏塑性分析,构建单晶TMF损伤与滑移系细观应力应变参量的关联。在此基础上,选取最大Schmid应力、最大滑移剪应变率、滑移剪应变范围、循环Schmid应力比作为损伤参量,建立基于细观参量的TMF寿命模型,其对不同相位、不同载荷控制方式的TMF寿命预测精度均在2倍分散带内。      

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。     

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。     

几种典型BCC金属的塑性流动特征及本构模型综述

为了理解BCC金属的塑性流动特征并研究其本构关系,本文对多晶Ta、V、Nb及高强度低合金钢HSLA-65和DH-36在温度从77K到1000K,应变率从0.001/s到8000/s,真实塑性应变超过35%的塑性流动行为进行了系统研究。结合试验结果,对塑性流动本构模型进行了推导。得出:(1)合金钢HSLA-65和DH-36与多晶金属Ta、V、Nb具有类似的塑性变形特征;(2)BCC金属的塑性流动应力对应变率和温度非常敏感,但加载历史对流动应力影响较小,即演化后的微观结构组织其流动应力并不变化;(3)在低应变率下出现的动态应变时效现象随应变率的增加,时效温度区将移至更高区域;(4)基于位错运动学和动力学,结合系统试验结果,所推导的基于物理概念本构模型通式,在很宽温度很宽应变率范围内能较好的预测BCC金属的塑性流动应力。     

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。     

不同加载应变率下有机玻璃的压缩破坏与力学行为

对有机玻璃试件进行准静态和动态压缩试验,研究加载应变率对有机玻璃材料力学性能的影响,分析不同加载应变率下有机玻璃材料的微观损伤破坏模式.通过简化黏弹性本构方程拟合出适用于有机玻璃材料的黏弹性模型参数,并与试验结果进行比较.结果表明:在准静态加载条件下,有机玻璃表现为延性破坏,在动态加载条件下则表现为脆性破坏;随着加载应变率的提高,有机玻璃的流动应力明显增加,且动态加载条件下的峰值应力增加速率高于准静态.     

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。      

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。      

NiTi合金的相变-塑性统一本构模型与数值算法

为了准确描述NiTi形状记忆合金的相变与塑性力学行为,基于不可逆热力学理论框架并假定两个内变量分别表征合金变形过程中的相变与塑性行为,推导出其相变、塑性的主控方程,总结两阶段的主控方程,构建出NiTi合金动态加载过程中的相变-塑性统一本构模型。采用半隐式应力积分算法对非弹性应变增量进行更新,通过FORTRAN语言将所提出的宏观唯象本构模型进行了数值程序实现。对比模拟与实验结果验证了该本构模型的合理性,发现该模型能够准确描述NiTi合金随着载荷增加而出现的母相弹性、马氏体相变、马氏体弹性与马氏体塑性流动等不同变形阶段,对于不同应变率动态加载下的应力-应变行为该模型也可较理想地描述。     

切削加工中7B04铝合金本构模型

为建立切削加工中7B04铝合金Johnson-Cook本构模型,进行了准静态压缩试验和直角自由切削试验,根据大变形、高应变率和高温度下的材料应力-应变关系对本构模型的参数进行识别,提出了应变软化修正项和应变率硬化系数的形式,最后进行了试验验证,结果表明该模型能够准确模拟出7B04铝合金在切削过程中的应力。     

GH4169高温合金高应变率本构关系试验研究

 基于高应变率下GH4169高温合金的本构关系是采用有限元法对GH4169高温合金进行切削加工数值分析研究的基础。本文针对GH4169高温合金,通过试验对其在温度为室温至1 000 ℃、应变率为2 000～10 000 s^-1的范围内的本构关系进行了研究。研究发现高应变率下GH4169高温合金的流动应力与塑性应变关系接近线性关系,同时温度影响着高应变率下应变率对本构关系的影响程度及方式。根据GH4169合金流动应力曲线的特点,对Johnson-Cook本构模型进行修正。基于试验结果,通过数据拟合确定了对应高应变率GH4169高温合金的材料常数,建立了描述GH4169高温合金高应变率下的本构模型,为切削加工有限元数值分析提供了理论基础,并为相关类似研究提供了思路。     

平均应变效应的循环粘塑性描述

提出了一个考虑具有平均应变循环变形行为的粘塑性本构模型,在该模型中,引入了可以计及平均应变效应的应变幅值记忆参数,构造了相应的背应力演化方程,定义了恰当的非比例度;还提出了对先前加载历史循环变形行为衰减记忆的各向同性变形阻力演化方程。模型用于１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢的平均应变效应的本构描述,结果表明模型合理。     

单晶高温合金低循环疲劳寿命的三维应力应变模型

将正交各向异性材料屈服函数中的等效应力的概念进行了推广,给出了单晶材料在三维交变载荷作用下疲劳损伤等效应力幅和等效塑性应变幅的计算公式。用等效应力幅和等效塑性应变幅对单向应力作用下的低循环疲劳寿命模型进行修正,提出了一种单晶材料在三维交变载荷作用下的低循环疲劳寿命模型。用所提出的三维低循环疲劳寿命模型预测了单晶材料PWA1480的低循环疲劳寿命,同时与试验结果进行了比较。