梯度晶粒结构材料拉伸断裂行为的晶体塑性有限元模拟

梯度晶粒结构材料通过在材料内部构筑由纳米晶、细晶渐进过渡至粗晶的微结构,使其展现出诸多优异的力学性能,如高强度、高韧性和抗疲劳性等.工程材料在长期服役过程中,不可避免会发生疲劳和断裂,严重威胁材料的服役安全和使用寿命.相关实验研究报道了纳米晶材料具有沿晶断裂的特点,且抗断裂性能与晶粒尺寸相关,然而梯度晶粒结构材料具有复杂的晶粒尺寸分布,其断裂机理仍需进一步揭示.为此,基于晶体塑性有限元方法,将Cohesive单元植入有限元模型的多晶晶界处,分别模拟了均匀晶粒结构铜和梯度晶粒结构铜的单拉力学性能,并研究了预制裂纹对梯度晶粒结构材料裂纹扩展的影响.结果表明,所提出的晶体塑性本构模型结合晶界损伤机制可以有效模拟梯度晶粒结构材料的塑性变形以及裂纹扩展过程.在单轴拉伸变形下,梯度晶粒结构材料展现了应力与塑性应变的梯度分布特征.一方面,由于晶粒尺寸效应,尽管基体细晶区具有相对较低的流动应力,但是表层纳米晶强度高.此外,由于应变硬化能力的不同,尽管纳米晶区域表现出较低的塑性应变,但细晶区域呈现较高的塑性变形能力.因此,梯度晶粒结构通过强度与应变硬化能力的差异,有效地优化了强度与韧性的协同作用,从而增强了抵抗裂纹扩展的能力.纳米晶区域预制裂纹对梯度晶粒结构材料的强度影响较大,因此抑制纳米晶区域的裂纹萌生有助于晶粒结构材料的安全服役.

混凝土3D细观模型及准静态力学行为分析

混凝土是应用最广泛的建筑材料,在细观尺度上由砂浆、粗骨料和界面过渡区(Interface Transition Zone,ITZ)组成,建立3D细观模型是揭示荷载作用下混凝土材料内部损伤机理的重要研究方法。基于传统的“生成-投放”法建立空间随机分布的随机凸多面体粗骨料模型,并提出骨料重力沉降和粒径缩放建模方法,实现了粗骨料体积率在50%范围内可调控;采用四面体网格划分多面体粗骨料以表征其真实形状;采用等效于零厚度粘结单元的粘结接触表征ITZ,解决了20μm~50μm厚度ITZ的网格划分问题;采用RHT材料模型表征砂浆和骨料,建立了混凝土3D细观有限元模型。随后开展了准静态单轴压缩、单轴拉伸、劈裂拉伸、双轴加载和三轴压缩条件下混凝土试件力学行为的有限元模拟。通过与试验应力-应变关系和试件破坏模式进行对比,验证了所建立的混凝土3D细观有限元模型的可靠性。进一步分析了砂浆、骨料和ITZ的强度,以及骨料粒径和体积率对混凝土单轴压缩力学性能的影响。结果表明增大砂浆强度可显著提高混凝土强度,而骨料和ITZ强度的影响较小;增大砂浆强度和ITZ强度可使混凝土峰值应变显著增大,而增大骨料强度导致混凝土峰值应变略有减小;降低粗骨料体积率和增大骨料最大粒径均可使混凝土强度略有增大且峰值应变减小。

玻璃纤维铝合金板低速冲击损伤演化数值模拟

编写了复合材料损伤的VUMAT子程序,并结合Johnson-Cook金属损伤模型和表面内聚力行为层间分层方法建立了玻璃纤维增强铝合金层板(GLARE)受落锤低速冲击的数值模型.分析了能量吸收、形变情况及锤头接触力的变化,并通过与实验结果的比较验证了有限元方法的可靠性.利用有限元方法能够更全面分析材料损伤变化的优势,模拟了GLARE三维渐进失效、铝合金层的失效以及纤维层和铝合金层界面分层的破坏模式.通过综合分析该三种渐进失效与能量吸收、形变情况及锤头接触力的变化,揭示了玻璃纤维增强铝合金层板受落锤低速冲击下的破坏机理,验证了铝合金层板的加入对于玻璃纤维增强铝合金层板抗冲击性能增强规律.

CrMnFeCoNi高熵合金拉伸断裂的晶体塑性有限元模拟

CrMnFeCoNi高熵合金的优异力学性能使其具有广阔的工程应用前景。材料力学行为的本构描述对其工程服役行为的安全评估至关重要,但是描述CrMnFeCoNi高熵合金拉伸断裂行为的本构模型少见报道。基于晶体塑性本构模型,利用Cohesive单元在多晶代表性体积单元内部植入含损伤破坏机制的晶界,模拟了CrMnFeCoNi高熵合金在单轴拉伸下的晶间断裂过程。模拟结果与试验所得的应力-应变曲线吻合较好,且能准确描述断裂发生时的应力下降过程,说明采用晶体塑性本构模型与Cohesive本构模型可以有效描述材料的宏观响应行为和断裂失效行为。进一步分析表明:裂纹从应力集中处开始萌生;随着应变的持续增加,裂纹沿着晶界扩展,最终造成断裂;晶粒随机取向对裂纹萌生位置与扩展路径有显著影响,但对宏观拉伸应力-应变曲线几乎没有影响。