晶体塑性有限元方法在增材制造金属材料力学性能研究中的应用

增材制造作为先进制造技术的代表,已被广泛应用于航空航天等高新技术领域。金属增材制造技术的高能量密度、高热和快速冷却等复杂工艺特点使得成形件的微观结构与传统制造技术所得成形件显著不同,这对金属材料力学性能有着重要影响。晶体塑性有限元方法将晶体塑性理论与有限元方法相结合,能够跨尺度分析增材制造金属材料微观结构与力学性能之间的关系,为优化工艺过程提供支撑。本文综述了近年来晶体塑性有限元方法在金属增材制造中的应用,阐述了代表增材制造金属材料微观结构特征的几何模型的建立方法和有限元应用,提出了相关发展趋势。

临界剪切应力系数曲线适用性研究

曲板的屈曲问题与材料的弹性模量和泊松比有关,对于机身蒙皮材料2060-T8E30,曲板临界剪切应力系数曲线的适用性有待研究。基于Abaqus的线性静力分析中的Buckle算法,以机身蒙皮材料2060-T8E30建立了多种构型曲板,对比有限元分析值和曲板临界剪切应力系数曲线,通过分析误差,得出结论:对于2060-T8E30材料,可以认为d/h=1.5的ks(曲板临界剪切应力系数)曲线相比有限元分析值偏高,误差不大于15%;d/h=2的ks曲线相比有限元分析值偏高,误差不大于20%;d/h=3.5的ks曲线相比有限元分析值偏高,误差不大于35%。在飞机机身结构常用的参数,即d/h=3.5,Z≤20的情况下,当Z<10时,ks曲线的适用性较好,误差不大于10%;当10<Z≤20时,ks曲线相比有限元分析值偏高,误差不大于20%。

三维六向编织复合材料T型接头拉脱性能试验研究

将复合材料三维编织结构优越特性与T型接头整体化需求相结合,采用树脂传递模塑RTM液体成型工艺,设计制造了三维六向编织复合材料T型接头,针对不同的编织角(20°、30°、40°)及不同的纱线束(6k、9k、12k)下的拉脱性能进行试验研究。试验结果表明,在拉脱载荷作用下,编织角对三维六向编织T型接头的拉脱性能影响很大,编织角从20°变为40°时,拉脱载荷提高了53%;而纱线束对三维六向编织T型接头的拉脱性能基本没有影响。纱线从6k变为12k时,仅增加了约8%;拉脱破坏模式均为T型接头的侧板与底板发生分离。研究成果对整体化复合材料结构设计及研制具有重要的试验指导作用。

复合材料层板屈曲中的剪切效应

本文在渐近有限元模型的基础上，进一步完善了渐近分析过程，修正了有关物理量的量级，给出了形式简洁且物理意义清晰的剪切修正项。改善后的模型能较好地反映横向剪切效应对复合材料层板屈曲特性的影响。本文用算例验证了改善后模型的合理性，并得出了一系列有实用价值的结论。

激光选区熔化成形Al-Mg-Sc-Zr合金的微观组织及力学性能

高强铝合金因其优异的比强度和塑性在航空航天领域得到广泛应用,近年来快速发展的增材制造技术为制备高强铝合金提供了新的方法。为此,利用激光选区熔化(SLM)成形技术制备了Al-Mg-Sc-Zr合金。通过X射线计算机断层扫描技术、光学显微镜、扫描电子显微镜、电子背散射衍射(EBSD)和室温拉伸试验对合金的微观组织和力学性能进行表征和研究。研究结果表明:SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金的成形质量较好,孔隙率仅为0.0013%,最大孔隙尺寸为126μm。合金的微观组织分为粗晶区和细晶区,熔池内部为粗晶区,熔池边界为细晶区。熔池边界处的Al(3 Sc,Zr)颗粒为Al晶粒析出提供了大量形核位点,使得晶粒细化效果显著。试验得到平均晶粒尺寸为3μm,在更小的EBSD扫描步长下测得细晶区的平均晶粒仅为0.6μm。SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金的拉伸性能优异,各向异性较小。横向试样的拉伸强度略高,其屈服强度、抗拉强度和伸长率分别达到465 MPa、508.2 MPa和14.07%。SLM快速冷却的特性和添入的Sc、Zr元素使SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金拥有良好的成形质量、细化的晶粒组织和纳米尺寸的Al(3 Sc,Zr)颗粒,由此产生的细晶强化和沉淀强化是拉伸性能的主要强化机制。