晶体塑性理论在定向结晶材料与构件上的应用

将晶体塑性理论应用于定向结晶材料与构件分析之中。首先结合试验结果，由单晶体的材料基本常数推得横观各向同性的５个材料参数，进一步研究了晶粒数对这５个参数的影响，并给出其分布规律；其次以一真实叶片为例，给出其在考核工况下的蠕变响应，与试车结果比较，得到晶体塑性理论分析定向结晶结构的合理性。

基于晶体塑性理论研究铝材料高压高应变率下的强度特性

为了了解金属材料在极端加载下复杂动态响应过程中的多种机制和效应,重点针对Al材料在高压、高应变率加载下的塑性变形机制,在经典晶体塑性模型的基础上,对其中的非线性弹性、位错动力学和硬化形式进行改进,建立适用于高压、高应变率加载下的热弹-黏塑性晶体塑性模型。该模型可以较好地描述单晶铝和多晶铝材料屈服强度随压力的变化过程,相比宏观模型,用该模型还获得了多晶Al材料在冲击加载下的织构演化规律,揭示了织构择优取向行为和压力的关系。

基于晶体塑性理论的钛合金疲劳寿命预测

钛合金是航空航天及船舶制造领域的重要材料.为研究钛合金在拉伸载荷作用下的疲劳寿命,突破传统宏观有限元方法,在介观尺度上基于晶体塑性理论,对钛合金进行仿真.应用Neper与ABAQUS软件,建立Ti-5553钛合金材料的晶体塑性有限元模型,对其应力仿真结果进行分析.结果表明,模型中的最大等效应力为476.6 MPa,最小等效应力为69.95 MPa.将仿真结果导入Fe-safe疲劳分析软件,对钛合金材料的疲劳寿命进行预测,得到疲劳寿命计算结果为229 567次.

基于晶体塑性理论和XFEM的镍基单晶三维裂纹扩展仿真研究

镍基单晶作为主要的航空发动机涡轮叶片材料,其裂纹扩展特性对航空发动机的适航管理和寿命评估都有着重要作用,但是其晶体各向异性特点使得基于简单材料本构和损伤模型的仿真分析难以进行准确的裂纹扩展行为评估。本文将晶体塑性理论与扩展有限元(XFEM)相结合,通过对仿真软件的二次开发,实现了镍基单晶材料在三维空间内的裂纹扩展行为仿真,并通过与相关试验结果对比验证了方法的合理性,进一步利用建立的方法分析了涡轮叶片前缘气膜孔三维结构的裂纹扩展行为,可为叶片的损伤容限评估和长寿命设计提供技术支撑。

基于晶体塑性有限元法的316LN不锈钢单轴力学行为

为了更准确描述316LN不锈钢单轴力学行为,在率相关晶体塑性理论框架下,以Ahmadzadeh-Varvani(A-V)随动硬化准则为基础,构建了多晶循环塑性本构模型.通过程序UMAT将其移植到有限元软件ABAQUS中,并通过Voronoi图建立二维多晶有限元模型;分别模拟了不同加载率、应变循环和非对称应力循环条件下316LN不锈钢的变形行为.对比模拟结果与实验数据可知:单轴拉伸条件下,两者的应力误差在±0.9%附近波动,最大应力误差仅为1.9%;应变循环条件下,两者的最大应力误差出现在第5圈,拉伸和压缩阶段应力误差分别为11.4%和12.2%,循环稳定后,拉伸和压缩阶段应力误差分别为7.4%和7.9%;应力循环条件下,两者的误差主要体现在滞环宽度上,模拟的滞环面积相对较窄,但滞环演化趋势误差较小.

亚微米尺度晶体反常规塑性行为的离散位错研究进展

近十年来,随着实验技术的发展,人们对亚微米尺度晶体材料塑性行为的研究和认识不断深入,实验观测到许多由离散位错主导的新的应力-应变现象,它们是基于宏观尺度的经典塑性理论和基于微米尺度的应变梯度塑性理论所无法阐释的.研究者们试图寻求新的理论模型和计算方法,提出了考虑位错近程相互作用由背应力主导的缺陷能理论和以离散位错动力学为代表的亚微米尺度晶体塑性计算方法,旨在描述位错形核、增殖、匮乏和湮灭,揭示该尺度下塑性流动的机理.本文从实验观测数据、理论分析模型、离散位错动力学及其与之耦合的连续介质力学计算方法等方面,综述了亚微米尺度晶体反常规塑性行为的离散位错研究进展.

晶体塑性模型在板材成形计算机模拟中的应用

阐述晶体塑性理论的基本原理，包括单晶体塑性本构关系，多晶体塑性模型的构造，介绍它在金属成形模拟中的应用概况。在速率相关的晶体塑性模型中引入滑移系活动与否的判断准则，忽略不活动滑移系的贡献，从而在保持计算精度的同时，大大减少了本构关系的计算时间。采用动力显式有限元方法和多晶体塑性模型模拟铝板的LDH试验过程，考察板材的织构对其成形性能的影响。

CR340 TRB的晶体塑性有限元模拟及参数标定

基于Voronoi图形方法生成了随机晶粒形状的二维多晶体几何模型。同时将轧制差厚板的晶体塑性本构模型通过用户子程序嵌入到分析软件Abaqus中,进行单向拉伸模拟。结合晶体塑性理论和有限元数值模拟,采用控制变量法研究了参考剪切应变率、应变率敏感指数、初始硬化模量、饱和流动应力、初始临界分剪切应力对模拟结果的影响,通过拉伸试验和模拟得到应力应变曲线,确定了轧制差厚板晶体本构方程的各项参数。

钛合金加工表面晶体塑性模拟和分析

基于晶体塑性理论对TC4钛合金正交切削加工表面进行了织构的模拟仿真和分析。建立了TC4钛合金切削有限元仿真模型,通过正交切削实验中切屑形态特征和切削力验证了仿真模型的合理性和可靠性。采用所建立的仿真模型提取并分析了钛合金切削加工表面剪切塑性应变和应变率随时间的变化规律,并利用Taylor多晶体模型以及Voce硬化模型对加工表面织构进行了模拟,获得了极图和ODF图。对图像进行分析后结果表明,切削加工表面出现了典型的柱面织构和剪切织构。

纯铝弯曲的单晶体塑性有限元模拟

借助有限元软件ABAQUS前处理功能建立铝板的几何模型,构建了纯铝单晶模型的用户材料子程序,并将其嵌入到ABAQUS有限元程序中,实现对铝板弯曲过程的模拟。该模拟过程分析了在采用单晶体塑性本构理论不同压下程度的铝板弯曲情况,得出在采用单晶模型理论时能够很好的反映出材料变化的不均匀性,以及压下程度的不同对滑移系启动的影响。

细观非均质性对镍基单晶双相合金塑性行为的影响

建立了考虑背应力演化和损伤演化的晶体塑性模型,利用所建立的晶体塑性模型研究了应变速率对镍基单晶合金基体相、强化相的影响。结果表明,镍基单晶基体相和强化相均表现出明显的率相关性。单晶双相合金的细观非均质性导致非均匀的微观应力和微观塑性滑移。塑性滑移变形首先发源于基体相。微观应力和塑性滑移的非均匀性可能是材料微观损伤积累和孔洞形核的根源。

晶体取向对镍基单晶DD6合金蠕变性能的影响

针对航空发动机镍基单晶涡轮叶片高温服役下蠕变寿命的取向敏感性难题,开展了DD6单晶合金[001]、[011]与[111]3种典型取向在980oC下的蠕变试验,获得了服役温度下单晶合金的蠕变寿命、伸长率,均为[111]取向>[001]取向>[011]取向;通过对蠕变过程中微观组织演化以及蠕变断裂后断口形貌进行分析,揭示了不同取向下单晶合金的蠕变失效机理;基于晶体塑性理论,建立了DD6单晶考虑取向敏感性的粘塑性本构及损伤方程,能够较好地拟合不同晶体取向单晶的蠕变过程,为单晶叶片的强度分析与寿命预测提供参考。

复杂应力状态下镍基单晶合金低周疲劳寿命预测模型

镍基单晶合金的低周疲劳(LCF)晶体取向相关性和其弹塑性的晶体取向相关性有密切关系,基于所建晶体取向各向异性弹塑性晶体滑移模型,本文推导了复杂应力状态下镍基单晶合金低周疲劳寿命预测模型,结论为LCF寿命与修正的滑移应变呈指数关系。在详细分析薄壁圆筒试样受拉扭载荷下应力应变分布规律的基础上,利用不同拉扭载荷下的低周疲劳寿命数据,对本文所提模型进行了成功的考核。

TiAl金属间化合物材料本构模型的研究进展

从宏观唯象方面和微细观方面系统地介绍了国内外对TiAl金属间化合物材料本构模型的研究进展。在宏观唯象方面,主要介绍了Arrhenius方程和Zener-Hollomon参数在描述TiAl金属间化合物高温流变行为方面的应用,以及Z-A模型在描述TiAl金属间化合物在高温、高应变速率下流变行为方面的应用;在微细观方面,主要介绍了国内外基于TiAl金属间化合物的微细观结构特征和变形机理等,以及运用晶体塑性理论和有限元分析建立的微细观预测模拟模型。

组构数值模拟的原理及其在地学中的应用

组构是指由岩石塑性变形导致多晶体的结晶学优势取向现象。组构的存在会增加岩石的各向异性,进而可能影响到岩石的后续变形。岩石组构包含了变形类型、运动学、变形环境、流变学特征等信息,因而成为显微构造学的重要内容。组构数值模拟是近年来得到重视的一种组构研究方法,它以晶体塑性理论为基础,利用计算机技术定量地模拟多晶岩石中组构的形成和演化。在晶体塑性理论中,晶体的塑性变形是由滑移系的剪切滑动导致的,由单晶塑性本构关系表征。多晶均匀化模型包括Sachs模型、Taylor模型、自洽模型和有限元模型,它们从不同角度描述了由单晶变形组成的多晶体变形。极图、反极图和取向分布函数被用来显示多晶体中各晶粒的空间取向。目前组构数值模拟在地学中的应用主要体现在各种单相和多相岩石的组构形成、重结晶作用下的组构形成、组构对地幔和地核地震波波速各向异性的影响等方面。

铜单晶拉伸试样表面滑移带痕迹的晶体塑性分析

采用建立在晶体塑性理论基础上的晶体塑性有限变形计算方法,针对铜单晶试样单轴拉伸过程中晶体滑移在试样表面留下的滑移带痕迹进行了数值研究.作者利用三维有限元模拟不同取向铜单晶试样的拉伸变形,通过晶体塑性滑移面与试样表面交线的几何分析,得到了试样在不同晶向拉伸下不同滑移系启动造成的试样表面滑移痕迹,并对数值计算的试样表面滑移痕迹作了初步讨论.所得结果表明晶体塑性理论能够用于单晶试样拉伸试验的表面滑移带痕迹形成的分析.

DD6单晶合金气膜孔薄壁平板高温持久性能

在980℃/300 MPa条件下,对带气膜孔与无气膜孔的DD6单晶合金薄壁平板试样进行高温持久试验研究与有限元对比计算。结果表明:在相同名义应力条件下,带孔试样的高温持久寿命比无孔试样的高温持久寿命低,分别为69、90 h,气膜孔的存在破坏了试样的几何连续性,导致气膜孔周围应力集中为主要因素。通过断口宏、微观观察发现,无试样的断裂方式为微孔聚集型断裂,断口上分布着大量方形小平面特征;而带孔试样由于气膜孔改变了试样中的应力分布,在气膜孔附近产生了应力集中,当裂纹扩展至试样边缘,试样被瞬间剪断。基于晶体塑性理论建立了蠕变模型,将其编入ABAQUS的UMAT子程序中对带气膜孔和无气膜孔薄壁平板试样分别进行模拟分析,模拟结果显示与试样的断裂位置及形貌吻合,在工程应用条件下该模型是能用于薄壁平板的高温持久断裂寿命的预测。

多晶拉伸试样表面各晶粒滑移带研究

采用建立在晶体塑性理论基础上的晶体塑性有限变形计算方法,针对多晶铜试样单轴拉伸过程中晶体滑移造成试样的滑移痕迹进行了数值研究,并对拉伸过程中材料内部的应力、应变的不均匀分布进行了初步统计分析.利用三维有限元模拟多晶铜试样的拉伸变形,通过晶体塑性滑移面与试样观察面交线的几何分析,得到了不同滑移系启动造成的多晶试样观察面滑移痕迹.所得结果表明,将建立在连续滑移描述基础上的晶体塑性理论运用于数值模拟,能够较合理地呈现多晶试样拉伸的表面滑移带痕迹,能够考虑材料内部结构不均匀而引起的宏观响应.

气膜孔倾角角度对单晶高温合金疲劳性能的影响

为了研究气膜孔倾角角度对单晶高温合金疲劳性能的影响,设计倾角30°,45°,90°的14孔平板试样进行了同等应力水平下的高温疲劳试验,并对断裂后失效试件进行断口分析。基于晶体塑性理论,对不同倾角气膜孔平板件进行数值计算,分析孔边局部应力及损伤演化。结果表明,气膜孔倾角角度对疲劳性能影响显著,疲劳寿命90°>30°>45°,且45°倾角气膜孔孔边裂纹数明显多于其他两种。数值模拟显示,90°孔每个循环累积的应变相对较小,30°斜孔次之,45°斜孔最大,且45°斜孔和30°斜孔的棘轮应变累积速率明显高于直孔,30°斜孔的损伤和直孔的损伤较为接近,45°斜孔的损伤最大,数值分析与实验结果相一致。

钛合金加工过程中晶粒尺寸的模拟与分析

基于晶体重结晶理论对TC4加工过程中晶粒细化进行模拟和分析。利用ABAQUS建立了TC4正交切削有限元模型,并通过正交切削试验获得的切削形态和切削力对仿真模型的可靠性进行了验证。利用JMAK模型,借助Fortran语言和Microsoft Visual编程环境编写晶粒细化子程序(Vumat)。通过ABAQUS提供的用户子程序接口,将程序嵌入到正交切削模型中对TC4加工过程中晶粒细化进行了模拟。结果表明:切屑晶粒细化主要发生在剪切区和第二变形区,剪切区晶粒细化程度大于第二变形区;已加工表面晶粒细化层深度小于塑性变形层深度和温度影响层深度;塑性变形和切削温度对晶粒细化均有影响,塑性变形对晶粒细化起主要作用。