考虑位错硬化效应的P92钢晶体塑性模拟研究

基于晶体塑性理论,建立了考虑位错硬化效应的P92耐热钢晶体塑性有限元模型。应用模型模拟了P92钢在拉伸过程的塑性变形行为,进一步探究了不同滑移系开动对塑性变形的影响。结果表明:P92钢变形后应力应变、位错密度和形变储存能呈现不均匀分布,证实晶粒发生不均匀的塑性变形。其中位错运动是塑性变形的载体,在晶界处存在位错塞积导致应力应变集中和形变储存能升高;同时塑性变形受滑移系开动的影响,对比模型在不同滑移系统开动下的拉伸曲线,得出{110}<111>作为主滑移系统在单轴拉伸变形过程中起决定性作用。

单晶铜塑性变形的二维离散位错动力学模拟研究

针对亚微米尺度晶体元器件在加工和服役中出现的反常力学行为和动态变形等问题,基于离散位错动力学理论建立了单晶铜塑性变形过程的二维离散位错动力学模型.该模型考虑外加载荷、位错间相互力和自由表面镜像力对位错的作用机制,引入了截断位错速度准则.与微压缩实验对比验证了模型的正确性,并且能够描述力加载描述的位错雪崩现象.应用该模型分析了不同加载方式和应变率下位错演化及力学行为,结果表明:当外部约束为力加载和位移加载时,应力应变曲线分别呈现出台阶状的应变突增和锯齿状的应力陡降,位错雪崩效应的内在机制则分别归结为位错速度的随机性和位错源开动的间歇性;应变率在10^(2)~4×10^(4)s^(-1)范围内,单晶铜屈服应力的应变率敏感性发生改变,位错演化特征由单滑移转变为多滑移面激活的均匀变形,位错增殖逐渐代替位错源激活作为流动应力的主导机制.

基于绳索驱动的机械手腕结构设计与运动分析

本文基于人体手腕结构设计了一种依靠绳索驱动的仿生轻量型机械手腕。该机械手腕以并联机构为主要结构,以绳索驱动为主要传动方式,通过SolidWorks软件建立了三维模型,并且结合MATLAB仿真计算和SolidWorks模型对机械手腕的运动学模型进行了仿真验证。结果显示,该机械手腕动作灵活,可实现3个自由度运动,符合设计预期。

基于CPFEM构建考虑板条结构的P92钢蠕变力学模型

P92钢在服役过程中,热不稳定性会导致微观组织结构演化,会影响力学性能而降低服役寿命。基于晶体塑性理论和耦合位错动力学方程,引入位错硬化模型和尺寸硬化模型,建立了考虑板条尺寸效应和位错硬化效应的蠕变力学本构模型。将用户材料子程序嵌入到有限元软件ABAQUS中运行,结合Voronoi图形原理生成含有板条结构的代表性体单元(representative volume element, RVE)模型,对P92耐热钢高温蠕变拉伸过程进行模拟。将蠕变模拟结果与试验结果进行匹配,分析了网格单元数量和参数对蠕变模拟结果的影响,确定了蠕变模型的计算参数。RVE模型的应力应变分布表明:蠕变拉伸后P92钢出现不均匀塑性变形。

基于CPFEM探究M_(23)C_(6)对P92耐热钢高温塑性变形的影响

本文基于晶体塑性理论,耦合Orowan位错动力学方程和泰勒硬化模型,建立了考虑位错密度的P92钢力学模型。采用晶体塑性有限元方法探究了M_(23)C_(6)的析出数量和取向关系对于P92耐热钢局部高温塑性变形的影响。结果表明,M_(23)C_(6)承担较高的应力而发生较小的塑性变形,应变集中现象主要出现在M_(23)C_(6)与基体交界处,M_(23)C_(6)数量的增加引起了明显应变梯度,加剧了局部塑性变形的不均匀性。M_(23)C_(6)与基体的三种取向关系中,Pitsch取向更有利于降低局部应变集中,缓解位错塞积,减少P92钢服役过程中损伤开裂的可能性。

耦合孪生的TWIP钢单晶体塑性变形行为模拟研究

基于晶体塑性理论,建立了滑移和孪生机制耦合的孪生诱导塑性(TWIP)钢单晶晶体塑性本构模型,通过引入孪晶体积分数及其饱和值,分别考虑了孪生对硬化及滑移的影响,对该本构模型进行数值实现.并通过ABAQUS/UMAT平台上的二次开发,将其应用于TWIP钢单晶典型取向单向加载条件下的力学行为模拟.分析了单晶不同取向下塑性变形的微观机理和滑移系、孪生系的启动状态及其对宏观塑性的影响,尤其是模拟得到黄Cu取向和S取向加载过程的应力突变,再现了Cu单晶实验中的应力陡降现象.结果表明,孪晶体积分数较小时,对应变硬化影响较小;随着孪晶体积分数的增加,对应变硬化的影响逐渐明显;当孪晶体积达到一定量时,孪晶体积达到饱和,孪生增量为0,晶体滑移转向,新的滑移系启动,应力突降.

耦合孪生的TWIP钢多晶体塑性变形行为研究

基于已建立的单晶体塑性模型,建立了耦合孪生的孪生诱发塑性(TWIP)钢多晶体塑性模型,该模型采用有限元多晶均匀化处理相邻晶粒间的几何协调和应力平衡条件,获得了单晶体与多晶体状态变量的关系,开发了基于ABAQUS/UMAT的计算程序.采用EBSD研究了TWIP钢拉伸应变分别为0.27和0.6时的织构变化,并对模型进行了应力应变及织构演化的验证.用该本构模型分别建立了拉伸、压缩和扭转3种简单加载条件下的有限元模型,分析了不同变形条件下的宏观力学响应及织构演化规律.结果表明:拉伸变形过程中,应变硬化现象和织构密度水平随应变增加而增强;在压缩过程中,织构类型随应变增加而发生变化,但是织构密度水平基本不变;而在扭转过程中,当扭转应变较小时,基本无织构形成,随着应变增加,织构逐渐显现出来,这是因为变形较小时,圆柱沿径向方向内部变形量较小,故织构不明显.

基于三维离散位错动力学的fcc结构单晶压缩应变率效应研究

基于位错理论建立了Ni单晶微柱压缩变形过程的三维离散位错动力学模型,该模型考虑了晶体塑性变形过程中位错所受的外载荷、位错间相互作用力、位错线张力及自由表面镜像力的影响。应用该模型研究了Ni单晶微柱压缩变形过程中流动应力和变形机制的应变率效应,同时,结合理论分析研究了应变率对流动应力中有效应力、位错源激活应力和位错间弹性相互作用力的影响。结果表明:当应变率较低时,Ni单晶微柱压缩变形中位错源激活应力主导流动应力,位错源激活数量较少,初始位错密度对流动应力影响很小,呈现单滑移变形;随着应变率增加,晶体变形过程中的流动应力随之增加,流动应力中位错源激活应力所占比例逐渐减小,有效应力逐渐主导流动应力,同时激活多个滑移系内的位错源来协调塑性变形;应变率越高,各激活滑移系内的塑性应变贡献相差越小,单晶微柱变形逐渐由单滑移向多滑移机制转变;在高应变率条件下,晶体初始位错密度越高塑性变形过程中流动应力越小。

孪生诱发软化与强化效应的Cu晶体塑性行为模拟

基于晶体塑性理论,考虑孪生软化效应建立了描述孪晶形核、增殖和长大的位错密度基晶体塑性有限元模型。应用该模型揭示了不同晶体取向Cu单晶拉伸变形过程中位错滑移、孪生激活及其交互作用下的宏观塑性行为演化规律,进一步分析了Cu多晶拉伸变形过程中晶粒间交互作用对孪生软化、应变硬化等宏观塑性行为的影响。结果表明:孪生具有明显的取向效应,在孪生主导塑性条件下,Cu单晶塑性变形过程中孪晶增殖导致应力-应变曲线存在明显的应力突降现象,其塑性变形分为滑移、孪生及位错与孪晶交互作用3个阶段;此外,随着饱和孪晶体积分数增加,Cu单晶塑性变形过程中第3阶段的应变硬化率也随之提升。进一步模拟Cu多晶拉伸变形的塑性行为可知,在晶粒间交互作用下孪晶形核、增殖和长大过程中不会出现应力突降现象,与Cu单晶相比整个塑性变形过程具有更高的应变硬化率;Cu多晶塑性变形过程中位错密度在晶界处出现集中现象,孪晶也容易在晶界处形成。