等轴晶AZ80镁合金的全场晶体塑性模拟研究

对铸态AZ80镁合金进行405℃,24 h的固溶处理、等径角挤压(Equal channel angular pressing,ECAP)实验,并使用全场晶体塑性模拟(Full-field crystal plasticity simulation)探究试样在拉伸变形过程中的微观演化。晶体塑性模拟可以更加便捷地获得相对准确的微观变形机制、孪晶演变等更加全面的现场数据,以此总结出不同物理量的规律,这些优势在实验表征过程中是较难实现的,且在追踪试样变形过程中起到重要作用。研究发现,试样经ECAP之后会形成细晶均匀组织,屈服强度和抗拉强度分别达到215.1 MPa、381.5 MPa,延伸率为20.1%,显著高于铸态AZ80的性能(屈服强度为118.6 MPa,抗拉强度为162.68 MPa,延伸率为6.6%);同时通过模拟可以很好地预测不同应变量下镁合金微观组织和变形机制的演化规律,发现随着应变的增加,内部出现拉伸孪晶的晶粒中会发生Basinski效应,同时在硬取向区域形成剪切带;在变形过程中,基面滑移是主要变形机制,并在拉伸达到4%时其对变形的贡献有所下降,其下降部分主要由柱面滑移补偿。

数值模拟技术在微成形研究中的应用

微成形技术具备高生产效率、高材料利用率和优异的成形质量,是一种极具发展前景的高精度加工技术。数值模拟技术作为一种先进的研究手段,可以在塑性加工中对材料的变形和工艺可行性等进行评估和预测,达到节约生产成本、缩短研发周期的作用。主要综述了数值模拟技术在微成形研究中的典型应用。介绍了数值模拟技术在研究材料性质和材料变形方面的应用,包括利用Voronoi方法和晶体塑性方法建立金属多晶体模型,研究了微成形过程中材料的变形机制和尺寸效应,建立了材料摩擦函数、构建了零件粗糙表面,研究了微成形过程中的摩擦行为;将晶粒大小、晶体取向与板料模型相关联,研究了微成形过程中薄板的回弹行为和成形极限。除此之外,也介绍了近年来微成形领域的许多新成形技术,如激光辅助微成形、水射流增量微成形、超声辅助微成形,以及数值模拟方法在这些新微成形技术方面的应用。最后,总结了数值模拟技术在微成形研究中所起的作用,并展望了该领域的未来发展趋势。

晶体塑性理论及模拟研究进展

回顾了大变形晶体塑性理论的发展历程、本构模型和均匀化方法,综述了晶体塑性理论成果和典型应用场合。从流动模型、加工硬化模型和状态变量演化的角度对比分析了唯象的和基于物理机理的晶体塑性模型的理论基础和优缺点;阐述了平均场晶体塑性模型和全场晶体塑性模型的特点和适用场合;从金属多晶体材料的各向异性、织构演化、非均匀塑性变形、可成形性、尺度效应、损伤断裂行为、热变形和微观组织演化、虚拟测试等角度介绍了晶体塑性模拟的典型应用场合,并展望了该领域的未来发展趋势。

基于非局部位错密度晶体塑性有限元模型的金属晶体薄膜微弯曲变形特点(英文)

采用考虑非均匀微观结构的非局部位错密度晶体塑性有限元模型,研究金属晶体薄膜材料微弯曲塑性变形的特点。该模型采用统计存储位错密度和几何必需位错密度作为其内部状态变量,通过几何必须位错密度的演化来预测单晶体金属薄膜材料微弯曲中的应变梯度效应。采用不同晶粒大小的CuZn37α-黄铜多晶体薄膜进行微弯曲实验,并测量试样微弯曲变形后的微硬度分布图。将模拟得到的位错密度分布与实验测得的微硬度分布进行对比,发现粗晶试样和细晶试样微硬度分布的不同主要是由统计存储位错密度和几何必须位错密度引起的。基于微观物理机理,研究微弯曲变形的特点和位错密度的演化。

高速公路软土路基沉降及处治数值分析

基于土体固结理论,采用ABAQUS有限元软件对某跨越软土地区的新建高速公路路基沉降量及差异沉降进行分析,并对该工程中采用粉喷桩加固软土地基的处治效果进行了验算。数值模拟计算表明:未经处治的软土地基,随着路堤与路面结构逐渐修筑完成,路基的沉降量随着填土的增加逐渐增加,且初始沉降速率大于后期沉降速率,该路面竣工15 a后,路面表面的差异沉降达到2.2 cm,需对软土地基进行处治以满足道路后期使用性能;在软土地基中采用竖向粉喷桩进行地基加固后,路表面各点的沉降量显著降低,各点处的差异沉降量极小,几乎可忽略不计,表明增设粉喷桩群后,软土地基的强度与刚度得到了显著的提高,有效控制了路基的差异沉降。

一种适用于率相关晶体塑性模型的准隐式积分算法

参考经典的切线系数法,采用向前梯度法对修正的超弹性晶体塑性模型进行本构方程积分,提出了一种新的准隐式积分算法。该算法采用基于中间构型的超弹性晶体塑性模型,无需更新晶粒取向相关的状态变量;采用修正的超弹性框架,无需进行由Green-Naghdi材料共旋引起的旋转变换。这种准隐式积分算法兼有超弹性模型和切线系数法的优点。通过对铝合金筒形件拉深的模拟表明,该晶体塑性模型能有效地预测不同初始织构产生的不同制耳现象,同时具有很高的计算效率。

植生混凝土在公路边坡防护中的试验及应用研究

基于日本植生混凝土的相应技术标准,设计了植生混凝土的配合比,通过室内试验研究了其力学性能,并通过工程实例对植生混凝土的护坡效果进行了评价。室内试验表明:室内试验所制备植生混凝土的28d抗压与抗折强度分别大于10MPa、2MPa,满足日本关于植生混凝土的相应规范标准,可用于边坡稳定中;试验所制备植物生长基料可有效保证植物的生根发芽,一个月后,根系可穿透植生混凝土层扎根到下层土壤中汲取营养,植物生长良好。工程应用实例表明:边坡采用植生混凝土进行护坡后,在经历暴雨等不利天气后,坡面未出现任何垮塌现象,抗冲刷能力强,边坡稳定性好;同时坡面植物生长良好,起到了固土护坡与美化边坡景观的作用。

软土地基桩基础水平承载影响研究

为研究软土地基桩基础水平承载性能,本文采用ANSYS软件。以桩身水平位移为评价指标,对比研究了不同因素对桩身水平承载性能的影响。结果表明:桩顶水平荷载的减小,桩径的增大和桩身混凝土强度的提高,都会使得桩身水平位移变小。桩身混凝土强度的增加,其桩身水平承载性能提高并不明显。

交通建设中数值模拟网格密度对桩土内力及位移的影响

随着城市高层建筑的迅速发展,基坑规模越来越大,深度越来越深,地基处理更加复杂,沉降对环境的影响更加严重。建筑物修建在地基上,必然引起地基内应力,使地基土变形,从而使建筑物下沉。建筑物沉降是判断该建筑物的安全和地基稳定的重要资料,这对地基处理设计计算提出了更高的要求。在众多的岩土工程分析软件中,FLAC3D是一个强有力的分析软件。该软件具有显著的优点,使其特别适合于对地基进行应力和变形分析。

基于二维连续位错动力学模型的超声软化机制研究

基于位错动力学理论,通过研究位错间的相互作用,建立了二维连续位错动力学模型。基于此模型,以纯铝400℃恒应变速率下的变形为研究对象,对位错密度、位错组态和流动应力随时间的演化进行了模拟,分析了变形过程中各种位错花样的形成原理。结果表明,较大的应变速率会增大材料流动应力和位错密度,强化位错墙结构,细化位错胞结构,通过与文献中的实验数据进行对比,验证了模型的可靠性。在此模型的基础上,考虑了施加超声振动外场的影响,通过模拟位错组态演化,对超声软化作用和晶粒细化现象进行了定量预测,结果表明,施加超声振动后,材料流动应力、位错密度和晶胞尺寸均降低。

基于二维离散位错动力学的颗粒强化机制建模

基于二维离散位错动力学方法,以含有L12型长程有序γ′沉淀相的镍基合金为研究对象,根据材料实际的晶体结构建立了相应的模型。研究了颗粒体积分数与平均半径对金属及合金强度的影响,实现了材料临界分切应力的预测。为了使有限元模型与实际Ostwald熟化晶体中的颗粒分布更为接近,模型考虑了颗粒的LSW分布规律。此模型中颗粒简化为球形,其在三维空间中的体积分数分别为5.5%、8%和10.5%,平均半径分别为16b、25b和36b(b为位错的柏氏矢量大小),位错与颗粒之间的交互作用基于位错切过机制。结果表明,欠时效状态下γ′沉淀相的体积分数或平均半径的增大都会导致镍基合金的临界分切应力增大。临界分切应力一定程度上体现了材料强度,临界分切应力越大,材料强度越高,因此可以通过增大颗粒体积分数和平均半径提高材料强度。

金属箔厚向为一个或几个晶粒时微塑性成形的本构模型(英文)

为了描述4个因素(晶粒尺寸d、材料厚度t、厚度方向的晶粒数目(t/d)以及表面特性)对金属箔流动应力的影响,将表面层模型和位错密度结合,定量分析厚度方向晶粒数目对纯铜箔流动应力的影响,提出临界晶粒数目的判断准则。预测结果表明,当t/d大于某一临界值时,厚度方向晶粒数目对流动应力的影响可以忽略;而由于临界晶粒数目的影响,晶粒尺寸和厚度分别与流动应力的变化曲线也都出现了明显的转折点。基于以上分析,建立了一个综合的材料本构模型。该模型同时考虑了以上4个因素对金属箔流动应力的影响。将模型的计算结果与已有文献中高纯度镍的实验数据进行对比。结果表明,预测结果与实验数据相吻合且具有相同的变化趋势。特别是随着t/d比值的减小,Hall-Petch关系以及真实应力的变化曲线都具有2个明显的转折点。

基于二维离散位错动力学的双位错与沉淀相交互作用建模及性能预测

基于二维离散位错动力学方法,以含有L12型长程有序γ’沉淀相的镍基合金为研究对象,建立了双位错运动模型,模拟了位错与沉淀相的交互作用。模型中,位错的运动取决于滑移面上位错点的局部受力平衡,位错的受力考虑了双位错间的相互作用和位错自身的作用力。分析了沉淀相体积分数、平均半径以及反向畴界能对材料临界分切应力的影响。结果表明:在欠时效状态下,材料的临界分切应力随着γ’沉淀相的平均半径、反向畴界能、体积分数增大而增大,其中平均半径影响较小,反向畴界能的影响很大,当体积分数增大到一定程度,临界分切应力增长趋于平缓。相比于单位错模型,模拟结果与实验的数据更接近。

锚索抗滑桩在边坡加固中的应用

依托某高速公路边坡工程,对锚索抗滑桩加固的边坡进行数值模拟,在梳理锚索抗滑桩加固机理的基础上,研究锚索抗滑桩边坡的稳定性和变形规律,明确了边坡的潜在滑动面位于粉质黏土与全风化玄武岩土层交界面,肯定了锚索抗滑桩对提高边坡稳定的有效性。同时对比分析了桩前土体开挖与不开挖边坡坡面的位移变化情况和抗滑桩的受力特性,坡面水平位移值在桩顶处最小,开挖桩前土体后坡面的水平位移增大,抗滑桩的剪力和弯矩值均增大,对边坡的稳定性不利。

原位TiB_(2)颗粒增强7075铝基复合材料在不同应力状态下的韧性断裂行为

采用力学试验、微观表征和数值模拟研究原位TiB_(2)颗粒增强7075铝基复合材料在不同应力状态下的断裂行为。设计4组拉伸试样、1组剪切试样和1组压缩试样,并对这6组试样进行力学实验。通过原位应变测试和有限元模拟研究6组试样在变形过程中的应变分布。对6组试样的断口形貌进行表征,分析其在不同应力状态下的损伤演化机制。研究发现:该材料的主要断裂机制为界面脱粘和颗粒断裂,表现为高应力三轴度下的拉伸断裂和低应力三轴度下的剪切断裂。在拉伸断裂条件下,形核空洞的体积在最大主应力的作用下增大;在剪切断裂条件下,空洞的形状在最大剪应力作用下变化明显,而体积变化不明显。基于实验揭示的断裂机理,提出一种考虑最大主应力和最大剪应力的韧性断裂准则,该准则可以预测该复合材料在不同应力状态下的断裂曲面。与改进的Mohr−Coulomb、Lou−Yoon−Huh、Hu和Mu模型的对比分析表明,新模型能更准确地预测铝基复合材料的韧性断裂行为。

轻质泡沫混凝土在路基中的应用

依托工程实际,通过Midas GTS软件建模对轻质混凝土路基的变形特性和钢管桩的受力特性进行了分析研究。通过对路基变形的分析,得出路基临空面的水平位移在中部变形最大,而路基顶面的沉降与轻质混凝土填筑的厚度相关,填筑越厚,沉降越大。钢管桩结构有利于提高路基的整体性,有效地限制了轻质混凝土底部与强风化岩的相对位移,提高了路基的稳定性。通过对钢管桩的受力分析,得出钢管桩在轻质混凝土和强风化岩交界面会出现危险点,应加强设计。

超高边坡开挖对既有隧道衬砌结构安全影响分析

以某临近既有隧道的道路改建高挖方边坡工程为研究对象,利用有限差分软件模拟分析了边坡逐级开挖过程中隧道衬砌结构变形与主应力的变化规律,计算了衬砌结构安全系数进而评价隧道结构稳定性,并结合现场测量数据分析验证仿真模拟的可靠度。结果表明:随着超高边坡逐级开挖,隧道衬砌结构各部位变形均增大,最大主应力从压应力变为拉应力而最小应力均表现为压应力;安全系数大幅度降低,Ⅲ阶段右拱腰存在局部破坏风险,Ⅳ阶段拱顶与左边墙易受拉破坏;模拟值高于实际值,减少边坡爆破施工可确保隧道运营阶段的安全性,可为相似工程提供一定参考价值。

基于感应加热的中碳钢温度控制实验与模拟研究

为了实现金属的快速加热和保温,以实现快速局部等温成形工艺,基于中频感应加热技术,研究了金属的局部快速升温和保温过程的加热制度。以45钢棒料为例,进行了多次感应加热实验,采用多段加热,通过调整不同阶段的加热功率和加热时间,使试样温度快速上升到指定温度并保温,从而得到了使试样局部快速升温并保温的感应加热工艺。为了验证加热过程中试样的温度分布均匀性,利用MSC.Marc有限元软件对该工艺进行模拟,结果表明:模拟与测试结果一致,且通过该工艺得到的试样局部温度分布均匀,因而此快速加热方法可用于中小零件的局部等温成形。

微镦粗过程晶体塑性模型研究

三维Voronoi多面体由于和真实金属的细观结构相似,被用来模拟细观尺度下的微镦粗。该文分别建立了基于Voronoi图原理的光滑模型和粗糙模型,用来表示包含32、128晶粒的圆柱体坯料。光滑模型是Voronoi图的精确实现;粗糙模型则是通过对Voronoi图离散得到的,因此只是Voronoi的近似,但在计算开销方面有优势。对这两种模型建立的圆柱体坯料的微镦粗进行晶体塑性有限元模拟,并比较二者的结果。结果显示,在两种模型中,晶粒的增多减弱了塑性流动的各向异性,也增加了变形抗力。此外,光滑模型中,材料的塑性流动表现出更强的各向异性,其变形抗力要比粗糙模型得到的更小。

基于纳米压痕和晶体塑性有限元模拟的先进高强钢力学性能辨识

针对双相钢DP980,采用纳米压痕实验、晶体塑性有限元模拟和基于遗传算法的反分析法,辨识其组成相铁素体和马氏体的细观力学性能。首先借助纳米压痕实验获得两相不同取向单晶的纳米压痕力学数据,通过EBSD和原子力显微镜获得单晶的取向和压痕形貌信息,提取形貌轮廓的特征数据。然后通过CPFEM模拟和反分析方法确定铁素体相和马氏体相<111>{110}和<111>{112}两个滑移系的加工硬化行为和材料参数。通过对比模拟和实验结果,验证了所辨识的滑移系硬化方程和材料参数的可靠性。研究方法亦可以用于其它金属材料的细观力学行为和材料参数的辨识。