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A macroscopic multi-mechanism based constitutive model for the thermo-mechanical cyclic degeneration of shape memory effect of NiTi shape memory alloy 被引量:6
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作者 Chao Yu Guozheng kang qianhua kan 《Acta Mechanica Sinica》 SCIE EI CAS CSCD 2017年第3期619-634,共16页
A macroscopic based multi-mechanism constitutive model is constructed in the framework of irreversible thermodynamics to describe the degeneration of shape memory effect occurring in the thermo-mechanical cyclic defor... A macroscopic based multi-mechanism constitutive model is constructed in the framework of irreversible thermodynamics to describe the degeneration of shape memory effect occurring in the thermo-mechanical cyclic deformation of NiTi shape memory alloys (SMAs). Three phases, austenite A, twinned martensite and detwinned martensite , as well as the phase transitions occurring between each pair of phases (, , , , and are considered in the proposed model. Meanwhile, two kinds of inelastic deformation mechanisms, martensite transformation-induced plasticity and reorientation-induced plasticity, are used to explain the degeneration of shape memory effects of NiTi SMAs. The evolution equations of internal variables are proposed by attributing the degeneration of shape memory effect to the interaction between the three phases (A, , and and plastic deformation. Finally, the capability of the proposed model is verified by comparing the predictions with the experimental results of NiTi SMAs. It is shown that the degeneration of shape memory effect and its dependence on the loading level can be reasonably described by the proposed model. 展开更多
关键词 NiTi SMAs Constitutive model Cyclic degeneration of shape memory effect Transformation-induced plasticity Reorientation-induced plasticity
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316L奥氏体不锈钢高温单拉和蠕变行为的实验和晶体塑性模拟研究
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作者 宋世杰 阙前华 +3 位作者 刘宇杰 包陈 陆晓翀 张旭 《Acta Mechanica Sinica》 SCIE EI CAS CSCD 2024年第2期268-282,共15页
316L奥氏体不锈钢(ASS)因其优异的抗蠕变性和耐腐蚀性被广泛应用于核反应堆中的包壳材料.但由于核反应堆长期处于高温环境,其包壳材料会不断累积蠕变损伤并最终导致性能退化,进而影响设备的安全运行.因此,为保障核反应堆的安全服役,针... 316L奥氏体不锈钢(ASS)因其优异的抗蠕变性和耐腐蚀性被广泛应用于核反应堆中的包壳材料.但由于核反应堆长期处于高温环境,其包壳材料会不断累积蠕变损伤并最终导致性能退化,进而影响设备的安全运行.因此,为保障核反应堆的安全服役,针对其包壳材料高温蠕变行为的研究具有重要意义.基于此,我们开展了316L ASS在高温下的单轴拉伸变形和蠕变行为的研究.结果表明,316L ASS的力学响应具有明显的温度依赖性,且在特定的温度范围(723 K-923 K)和应变率(1.3×10−3 s−1)条件下,显示出明显的动态应变时效效应;此外,316L ASS在高温条件下的主要蠕变机制为位错攀移机制,它一方面会影响位错密度的演化,另一方面会影响位错越过障碍物的激活频率.基于316L ASS在高温下的微结构演化机理,我们建立了基于位错机制的晶体塑性本构模型.在该模型中额外考虑了位错攀移机制对刃型位错湮灭、位错偶极子形成和刃型位错越过障碍物的贡献.最终结果表明,该模型能有效地模拟和预测316L ASS在高温条件下的单轴拉伸和蠕变响应,而该研究成果也为316L ASS的蠕变性能评估提供了重要的理论依据. 展开更多
关键词 316L奥氏体不锈钢 动态应变时效 刃型位错 位错攀移 晶体塑性 蠕变性能 蠕变行为 温度依赖性
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钢轨表面三维疲劳裂纹扩展数值分析 被引量:3
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作者 王梦凡 阚前华 +3 位作者 赵吉中 温泽峰 苗鸿臣 康国政 《固体力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第3期355-367,共13页
在车轮循环滚动接触载荷作用下,钢轨接触表面裂纹问题频发,严重威胁高速列车运行安全,开展钢轨表面三维滚动接触疲劳裂纹扩展分析意义重大.首先,考虑不同初始裂纹角度,建立钢轨轨头含初始裂纹的三维有限元模型,对钢轨表面施加循环滚动... 在车轮循环滚动接触载荷作用下,钢轨接触表面裂纹问题频发,严重威胁高速列车运行安全,开展钢轨表面三维滚动接触疲劳裂纹扩展分析意义重大.首先,考虑不同初始裂纹角度,建立钢轨轨头含初始裂纹的三维有限元模型,对钢轨表面施加循环滚动接触载荷,进行轮轨滚动接触计算;然后,基于相互作用积分法计算裂纹前缘的应力强度因子;最后,采用最大周向应力准则和Paris公式计算当前状态下裂纹扩展方向和扩展速率,进而更新下一时刻的裂纹形状和尺寸.通过对上述过程重复实现,从而预测钢轨表面三维裂纹的扩展路径.加载过程中裂纹前缘应力强度因子计算结果表明,随着初始裂纹角度增加,K_(Ⅰ)的峰值逐渐减小,K_(Ⅱ)的峰值逐渐增大,裂纹前缘各位置的等效应力强度因子逐渐减小;裂纹前缘节点的位置越靠近钢轨表面,等效应力强度因子越大.疲劳裂纹扩展计算结果表明,随着循环次数的增加,不同初始角度下的裂纹都发生了偏折,逐渐朝着钢轨深度方向扩展,且裂纹的初始角度越大,发生扩展时需要的循环次数越多.对比三种初始裂纹角度下裂纹长度随循环次数的演化曲线可以发现,初始裂纹角度越小,裂纹扩展速率越大.所开发的方法也适用于研究钢轨多个裂纹的交互作用和其他位置的裂纹扩展问题,可为在役钢轨的剩余寿命提供技术支持. 展开更多
关键词 疲劳裂纹扩展 滚动接触疲劳 最大周向应力准则 应力强度因子
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基于水平剪切导波的钢桥面板疲劳裂纹在线识别方法 被引量:1
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作者 胡宇豪 苗鸿臣 +3 位作者 张清华 崔闯 阚前华 康国政 《固体力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第4期458-469,共12页
正交异性钢桥面板广泛应用于大跨度桥梁,然而该类桥面板极易疲劳损伤并出现开裂,严重影响桥梁的服役安全.传统逐点扫描的无损检测方法无法满足大跨度桥梁全域快速的检测要求,迫切需要发展在线智能监测方法.与频散的Lamb波相比,零阶水平... 正交异性钢桥面板广泛应用于大跨度桥梁,然而该类桥面板极易疲劳损伤并出现开裂,严重影响桥梁的服役安全.传统逐点扫描的无损检测方法无法满足大跨度桥梁全域快速的检测要求,迫切需要发展在线智能监测方法.与频散的Lamb波相比,零阶水平剪切波(SH_(0)波)因其非频散特性,是实现正交异性钢桥面板在线监测的理想导波模态,但相关研究极为匮乏.论文首先通过有限元模拟系统研究了SH_(0)波与U肋焊缝的作用规律,发现在一阶截止频率以下,U肋和焊缝对SH_(0)波在顶板中的传播影响较小,可忽略不计.在一阶截止频率以上,U肋会导致SH_(0)波部分能量转化为SH_(1)波,但产生的SH_(1)波幅值较小.接着通过自主研制的压电换能器,实现了16mm厚顶板中单模态SH_(0)波的激励与接收.在此基础上,实验验证了SH_(0)波与U肋及焊缝的作用规律.最后,搭建了SH_(0)波焊缝裂纹检测系统,实验证明了SH_(0)波可以准确识别正交异性钢桥面板中焊缝典型裂纹缺陷.论文的工作可为发展基于超声导波的正交异性钢桥面板的智能监测技术奠定相关基础. 展开更多
关键词 水平剪切导波 正交异性钢桥面板 缺陷检测 压电换能器 结构健康监测
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预扭转单晶铜棒拉伸行为的分子动力学模拟
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作者 米俊儒 杜欣 +3 位作者 桂杨 张波 阚前华 张旭 《固体力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第5期578-590,共13页
一维纳米材料具备与宏观材料不同的力学性能,在微纳米器件中拥有开阔的应用前景.采用分子动力学方法研究了预扭转角度、纳米棒长径比、拉伸应变率对预扭转单晶铜棒拉伸行为的影响.结果表明:在较高应变率下,预扭转变形会导致轴向<100&... 一维纳米材料具备与宏观材料不同的力学性能,在微纳米器件中拥有开阔的应用前景.采用分子动力学方法研究了预扭转角度、纳米棒长径比、拉伸应变率对预扭转单晶铜棒拉伸行为的影响.结果表明:在较高应变率下,预扭转变形会导致轴向<100>取向单晶铜纳米棒拉伸流动应力提高,通过对位错结构演化过程分析发现,流动应力的提高是由于预扭转变形产生的位错网以及大角度晶界在拉伸时新形核的位错对拉伸过程中位错运动的阻碍作用;随着预扭转角的增大,初始位错先增多后减少并逐渐转变为大角度晶界,因此在随后拉伸加载过程中流动应力先增大后减小;由于初始位错网会缓解纳米棒拉伸过程中的局部应力集中,预扭转对拉伸流动应力的提升效果随纳米棒长径比的增大而增强.而在较低应变率下,预扭转产生的位错缓解了位错饥饿现象,使纳米棒的流动应力相比高应变率情形下有所降低.通过系统地研究单晶铜纳米棒预扭转再拉伸行为,有望为理解纳米棒在复杂载荷下的塑性变形机理提供理论支撑. 展开更多
关键词 单晶铜 分子动力学模拟 预扭转 拉伸力学行为
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纳米多晶316L奥氏体不锈钢高温蠕变行为的原子尺度研究
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作者 王冰 王千 +2 位作者 罗容 阚前华 古斌 《Acta Mechanica Sinica》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第5期19-27,共9页
通过分子动力学模拟研究了纳米多晶316L奥氏体不锈钢在不同峰值应力下的高温蠕变变形行为和蠕变机制.数值模拟结果表明纳米多晶316L奥氏体不锈钢的高温蠕变变形是由位错、晶粒内部和晶界扩散以及晶界滑移之间的交互作用引起.在初始蠕变... 通过分子动力学模拟研究了纳米多晶316L奥氏体不锈钢在不同峰值应力下的高温蠕变变形行为和蠕变机制.数值模拟结果表明纳米多晶316L奥氏体不锈钢的高温蠕变变形是由位错、晶粒内部和晶界扩散以及晶界滑移之间的交互作用引起.在初始蠕变和稳态蠕变阶段,纳米多晶316L奥氏体不锈钢高温蠕变的主导性机制是晶粒内部和晶界的扩散以及晶界的滑移.在加速蠕变阶段,一些晶界被摧毁后,位错滑移成为纳米多晶316L奥氏体不锈钢的主要蠕变机制.这项工作旨在揭示纳米多晶316L奥氏体不锈钢的高温蠕变机理,为增强型抗蠕变316L奥氏体不锈钢的设计和制造提供指导. 展开更多
关键词 316L austenitic stainless steels CREEP Molecular dynamics simulation DISLOCATION DIFFUSION Grain boundaries sliding
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纳米单晶NiTi合金单程形状记忆效应的分子动力学模拟
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作者 李静 王冰 +2 位作者 于超 阚前华 康国政 《固体力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第2期118-126,共9页
采用基于第二近邻修正型嵌入原子势的分子动力学方法研究了纳米单晶NiTi合金的单程形状记忆效应,详细阐明了温度诱发马氏体相变和应力诱发马氏体重定向过程中纳米单晶的变形行为和微结构演化,进一步分析了加/卸载速率对NiTi合金单程形... 采用基于第二近邻修正型嵌入原子势的分子动力学方法研究了纳米单晶NiTi合金的单程形状记忆效应,详细阐明了温度诱发马氏体相变和应力诱发马氏体重定向过程中纳米单晶的变形行为和微结构演化,进一步分析了加/卸载速率对NiTi合金单程形状记忆效应的影响.结果表明,NiTi纳米单晶在应力加载过程中发生马氏体重定向,卸载后存在残余应变;当加热到奥氏体转变结束温度以上时,马氏体逆相变为奥氏体相,残余应变逐渐减小,但未完全回复;随着应力加载速率的增加,重定向临界应力和模量逐渐增加;再次降温过程中不同加载速率下的原子结构演化各不相同. 展开更多
关键词 NITI形状记忆合金 分子动力学模拟 单程形状记忆效应 马氏体相变 马氏体重定向
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An Elasto-plastic Contact Solving Method for Two Spheres 被引量:2
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作者 Jizhong Zhao qianhua kan +2 位作者 Peilin Fu Guozheng kang Ping Wang 《Acta Mechanica Solida Sinica》 SCIE EI CSCD 2020年第5期612-634,共23页
The traditional Hertz contact theory has been widely used in solving contact problems.However,it is only applicable to the elastic contact,and cannot truly reflect the contact stress distribution and contact radius in... The traditional Hertz contact theory has been widely used in solving contact problems.However,it is only applicable to the elastic contact,and cannot truly reflect the contact stress distribution and contact radius in the elasto-plastic contact.In this work,based on the Hertz contact theory,a fast solving method is proposed to calculate the contact stress distribution and contact radius in the elasto-plastic contact between two spheres.It is assumed that the elastic contact only occurs at the outer edge of contact patch and its contact stress distribution satisfies the Hertz contact theory,and the contact stress distribution at the inner edge of contact patch can be superimposed by a constant contact stress and several small ellipsoidal contact stress distributions.Moreover,based on the equivalent relation between the resultant force of contact stress and the normal external load,the contact radius in the elasto-plastic contact can be solved.Finally,an elasto-plastic contact example of two spheres is given based on the power-law hardening material model,and the influences of material parameters,contact radii and normal external loads on the accuracy of the proposed method are discussed by comparing the differences between the numerical results by finite element method and the predicted ones by the proposed method.It is shown that the proposed method can accurately calculate the maximum contact stress and contact radius in the elasto-plastic contact,and the relative errors of both maximum contact stress and contact radius are within±5%.To sum up,the proposed fast solving method can be applied to perform the elasto-plastic contact analysis in engineering practice. 展开更多
关键词 Elasto-plastic contact Hertz contact theory Contact stress distribution Contact radius Finite element simulation
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Investigation on the Anisotropic Transformation Surfaces of Super-Elastic NiTi Shape Memory Alloys Under Multiaxial Cyclic Loading Conditions
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作者 Bo Qiu qianhua kan +2 位作者 Tianxing Zhao Xi Xie Guozheng kang 《Acta Mechanica Solida Sinica》 SCIE EI CSCD 2018年第6期744-757,共14页
The cyclic transformation behaviors of polycrystalline super-elastic NiTi shape memory alloys (SMAs)under multiaxial loading paths with different angles between axial and torsional loading orientations were experiment... The cyclic transformation behaviors of polycrystalline super-elastic NiTi shape memory alloys (SMAs)under multiaxial loading paths with different angles between axial and torsional loading orientations were experimentally investigated.The experimental results showed that the start stresses of forward and reverse transformations decreased with the increase'in the number of cycles and exhibit obvious anisotropic evolutions.The start stresses of forward and reverse transformations in the tensile and torsional directions did not satisfy the yon Mises criterion.The shape of transformation surface during the forward and reverse transformations evolved with the increase in the number of cycles.Then,new cyclic anisotropic transformation surfaces were established by introducing an anisotropic tensor into the von Mises equivalent stress based on a typical transformation criterion related to J2 and J3.Moreover,the evolution equations of material parameters used in the proposed transformation surfaces were established to describe the subsequent evolutions of transformation surfaces.Finally,the start stresses of forward and reverse transformations predicted using the proposed transformation surfaces were compared with the experimental results.It shows that the proposed transformation surfaces can reasonably describe the start stresses of forward and reverse transformations,which are helpful for establishing a three-dimensional cyclic constitutive model to describe the cyclic transformation behaviors of super-elastic NiTi SMAs. 展开更多
关键词 Shape memory alloy ANISOTROPIC response TRANSFORMATION surface Stress invari- ANT MULTIAXIAL CYCLIC loading
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