小尺寸CT试样断裂行为的GTN细观损伤模型研究

基于国产A508-Ⅲ钢的单轴拉伸测试,构建了Ramberg-Osgood力学本构模型和GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)细观损伤模型,并对模型参数进行了标定,开展了不同温度下小尺寸CT(1/6CT)试样的断裂韧性测试,采用规则化方法计算得到裂纹扩展阻力曲线(J-R曲线),分析了测试温度对材料断裂性能的影响。结果表明,随着温度从-100℃度降低至-130℃,断口韧窝区的宽度由43μm缩减至10μm,平均韧窝尺寸从0.3μm缩小至0.05μm,材料的塑性变形能力随着温度的降低而脆化。基于构建的力学本构模型和GTN细观损伤模型,采用有限元法分析了1/6CT试样从裂纹萌生、扩展至失效断裂的过程。结果表明,J-R曲线随着温度的下降而降低,断裂韧性(J_(IC)值)和裂纹扩展量(Δa)的降幅分别为43%和3%,相对误差不超过5%。这表明,基于GTN细观损伤模型的数值方法是研究小尺寸CT试样断裂行为的一种简便、有效的方法。

GTN细观损伤模型在铝合金轧制裂边分析中的应用

针对4004铝合金薄板在轧制过程中产生裂边的问题,基于GTN细观损伤模型,采用数值模拟技术对冷轧板成型过程进行模拟计算,分析板材边部区域的应力场及临界空洞体积分数的变化,研究了轧板产生轧制裂边缺陷与下压量的关系,并进行了实验验证.结果表明,GTN细观损伤模型适用于有限元分析轧制裂边的产生;4004铝合金累积道次在50%以上易产生轧制裂边加工缺陷;单道次下压率为10%的板材成型率高于15%单道次下压率.以上研究对理论分析轧制裂边缺陷及提高轧制板材质量具有重要意义.

基于幂指数硬化模型的细观损伤参数标定方法

损伤参数的标定一直是GTN细观损伤模型在工程应用中的瓶颈,参数选取的合理与否直接影响模拟结果的准确程度。本文提出了一种基于幂指数硬化模型的细观损伤参数的标定方法,利用响应面法建立了硬化参数与损伤参数的函数关系;再利用硬化参数建立了误差评价函数来确定损伤参数。以双相钢DP780为例,进行单向拉伸及槽型件成形数值仿真,并与试验结果进行了对比,验证了本文方法的准确性和有效性。

基于细观损伤力学的铅套成形破裂预测

对子弹铅套成形过程中的破裂缺陷进行预测。采用单向拉伸实验获得纯铅真实应力-应变数据,选取应变0.006≤ε≤0.2范围内的数据进行拟合和外延处理获得材料无损伤的本构模型。结合扫描电镜分析法和基于响应面的有限元反求法获得纯铅的GTN细观损伤模型参数,对比分析单向拉伸中模拟与实验获得的载荷-位移曲线和铅材料孔洞体积分数,验证了所建立的纯铅GTN细观损伤模型的准确性。基于ABAQUS模拟仿真平台,耦合所建立的GTN损伤模型对铅套成形过程中的破裂行为进行仿真预测,并开展了铅套反挤压和变薄拉深成形实验。结果表明:实验结果与基于GTN损伤模型的仿真结果匹配良好;对铅套成形缺陷的准确预测是铅套成形优化的重要基础。

高强度双相钢DP780细观损伤参数的确定及其温度相关规律

细观损伤模型作为研究材料断裂的重要工具,损伤参数的准确与否直接影响仿真结果的可靠性。在温热成形过程中,温度变化对材料的断裂影响很大,因此在仿真过程中,不同温度下材料的GTN损伤参数也有所不同。本文通过单轴拉伸试验与有限元仿真相结合的方法,确定不同温度下双相钢DP780的损伤参数,分析对应力-应变曲线影响较大的两个参数fN、fc。结果表明:fN随温度的上升先增大后减小,fc随温度的上升呈上升趋势。

基于GTN和CDM的5754铝合金板材成形极限曲线和失效行为对比分析

为探究基于不同物理机制的损伤模型对材料可成形性预测的影响,分别采用Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)细观损伤模型和基于热力学的连续介质损伤力学(CDM)模型对5754铝合金板材的成形极限曲线和失效行为进行了对比分析。首先,建立了5754铝合金板材单向拉伸有限元模型,对照实验结果验证了GTN细观损伤模型和基于热力学的CDM模型在表征材料力学行为上的有效性。其次,开展了不同宽度尺寸板材试样的胀形有限元模拟,提取破坏位置的主应变和次应变,绘制5754铝合金板材的成形极限。结果表明,GTN细观损伤模型预测的成形极限曲线与实验数据吻合较好,但基于热力学的CDM模型不能准确地反映成形极限曲线中材料点拉-压力学特征与拉-拉力学特征之间的区别。最后,利用基于GTN和CDM的成形极限曲线预测5754铝合金在十字拉深成形过程中的损伤分布和失效行为,结果表明,两种基于不同机制的损伤模型都能够有效地预测5754铝合金的可成形性,预测结果与实验现象具有很好的一致性。

基于三维X射线成像和GTN模型的激光复合焊接7020铝合金的损伤机制

利用高精度同步辐射X射线三维成像技术,对激光-电弧复合焊缝的气孔率进行测定,并将其作为GTN损伤模型中的初始孔洞体积分数。通过建立含余高与不含余高的复合焊接接头的细观损伤力学有限元模型,得到了拉伸接头主应力和孔洞体积分数的分布。通过对拉伸断口金相组织进行分析,发现了几何和材料的不连续性是导致接头失效的重要原因。

基于细观损伤力学的梁柱焊接节点断裂破坏预测分析

应用细观损伤力学模型预测分析单调荷载作用下梁柱焊接节点的裂纹萌生与扩展。分别依据节点部位的母材、热影响区和焊缝金属缺口试样的单轴拉伸试验,标定材料细观损伤力学模型的参数;通过有限元分析模拟,预测焊接节点的开裂位置以及断裂破坏的过程,与已有试验结果以及基于微孔扩展模型和应力修正临界应变模型的有限元分析结果相比,建议的细观损伤力学模型的有限元分析结果具有更好的预测精度;针对不同焊接孔几何形状对节点断裂性能的影响进行有限元分析,结果表明,孔的几何形状对节点的断裂破坏模式的影响显著,长圆孔比圆孔具有更好的节点延性,开裂延缓,但是两种孔形的节点承载力差别很小。

轧制气孔缺陷变形行为有限元分析

针对4004铝合金冷轧板材在轧制过程中因气孔缺陷而产生轧制裂边、断带的问题,基于gurson-tvergaard-needleman(GTN)细观损伤模型,对冷轧板成型过程中的气孔缺陷进行了模拟计算.建立了板材轧制中气孔缺陷模型,分析了气孔缺陷的分布、形貌、尺寸、缺陷及其周围区域的应力场、应变场及临界孔洞体积分数的变化,探讨了轧板气孔缺陷的演变规律.结果表明:椭球形的气孔缺陷较球形的气孔缺陷在冷轧成型中更容易产生加工缺陷;半径大于0.5 mm的气孔缺陷,其周围容易产生附加拉应力,易产生裂边、断带缺陷;气孔缺陷在距离板材表面越近处产生加工缺陷的几率越大.

国产A508-3钢小尺寸拉伸样品的拉伸颈缩行为研究

对不同厚度国产A508-3钢小尺寸拉伸样品进行了室温拉伸试验,分析了拉伸性能及颈缩段参数,并基于有限元逆运算构建了小尺寸拉伸样品拉伸过程的GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)细观损伤模型,研究了厚度对小尺寸拉伸样品拉伸颈缩行为的影响规律与机理。试验结果表明,小尺寸拉伸样品在变形过程中发生了弹性变形、均匀塑性变形和颈缩变形;随着样品厚度由0.75 mm降低至0.30 mm,屈服强度、抗拉强度和均匀延伸率无明显变化,非均匀延伸率及总延伸率逐渐降低,颈缩角逐渐增大,断裂角在厚度降低至0.50 mm后逐渐增大。GTN细观损伤模型中用于表征空洞形核和融合率的参数在0.30 mm样品中明显降低,此结果与小尺寸拉伸样品颈缩行为规律相互印证。