文洁[1]2003年在《考虑尺寸效应的Gurson模型》文中研究表明由于二相粒子与基体的脱粘或自身开裂,造成微孔洞的形核、长大及串接,是多数金属材料韧性断裂的原因。很多实验和数值分析表明,当材料非均匀塑性变形的特征长度在微米量级,材料表现出很强的尺度效应。多孔材料的这种尺寸效应表现在孔洞的长大强烈地依赖于孔洞尺寸:在相同的应力(率)水平下,微米和亚微米量级大小的孔洞比大尺寸孔洞增长的速度要慢,这一现象使得原来研究含孔材料的Rice-Tracey和Gurson模型不再适用,因为它不包含任何材料内禀尺度的物理量。 本文从Taylor位错模型出发,考虑孔洞的尺寸影响,推导了圆柱形胞元和圆球形胞元Σ_(eqv)～Σ_m(宏观等效应力～宏观平均应力)的屈服曲线,孔洞的尺寸影响通过比例因子E_(kk)~pl/α进入屈服限,其中,l是材料的内禀长度,为微米量级,E_(kk)~p最是宏观胞元的塑性应变球量,α为孔洞的半径。通过渐近分析、数值优化的方法对参变式屈服曲线作进一步的近似,得到了考虑尺寸效应的修正的Gurson屈服形式。从计算结果可以看出,微观胞元的塑性应变梯度对宏观塑性屈服限有明显的影响。由于孔隙比f比较小的假设,使得对于微观胞元梯度效应的考虑只限制在轴对称的那一部分体积应变中,与胞元形状改变相对应的那一部分应变(偏量)的梯度由于前者的占优而被忽略。这与Rice-Tracey模型(含单孔的无限大介质)中孔的体积变形占主导是一致的。 把Gurson—Tvergaard模型的本构关系进行拓展。假设塑性应变率张量与材料的屈服面垂直,得到考虑孔洞尺寸效应的含圆柱形和含圆球形孔洞材料的本构方程,并用它来解决了一些简单的问题。 除了利用参数拟合得到近似的屈服曲线的方法之外,另外一种途径是直接从参数形式的屈服面方程出发,得到没有任何拟合参数的考虑孔洞尺寸效应的含圆柱形及圆球形孔洞材料的本构方程。利用此本构方程,验证了利用近似屈服面的计算结果。 建立了一个简单的塑性流动局部化的模型,分别利用前面所提的几种本构方程进行计算,得到了比较一致的结果。
文洁, 黄克智, 黄永刚[2]2005年在《多孔材料剪切局部化中的尺寸效应》文中研究指明微孔洞的尺寸对于孔洞长大率的影响显着,研究了这种尺寸效应在延性材料的塑性流动局部化中的作用。在拓展的Gurson模型基础上,采用Rice提出的一个简单的模型,剪切带内外的材料在发生塑性流动局部化时分别为不同的响应,讨论了孔洞尺寸a和初始孔洞体积百分比f0的影响。结果表明:考虑孔洞尺寸后单轴拉伸曲线变化比较大,但剪切带角度几乎没有变化。
黄西成[3]2010年在《内爆与外爆加载下壳体的力学状态及破坏模式分析》文中认为在武器工程结构设计中,最为常见的应用是轴对称结构的柱壳和球壳,这是两类最为典型的“高能效、低能耗”结构。对这两种结构在爆炸作用下的变形与破坏研究,一直以来在学术界和工程界就有浓厚的兴趣。在科学研究方面,由于壳体的动态破坏与材料在强动载荷下的变形和破坏机理密切相关,这些课题一直是固体力学中的一个重要研究领域,并且关联到材料力学、断裂力学、固体物理及爆炸力学等多种学科之间的相互交叉和渗透。因此,关于柱壳和球壳在爆炸作用下变形与破坏的研究,既具有重要的理论研究价值,又具有十分重要的工程意义。在这些研究中,最关注的是结构破坏,因为在大多数情况下,武器结构在作战过程或放能过程中,结构的损伤与破坏是最重要的过程之一,而且这种破坏过程直接关系到武器效应的发挥。关注这些过程的细节,是现代武器设计中最重要的环节之一。为了较全面认识爆炸作用下柱壳和球壳的破坏模式,加深理解结构动态破坏的具体细节,为物理设计和工程设计提供较为清晰的物理图像,应深入研究内爆与外爆加载下壳体的力学状态及破坏模式。围绕上述目的,本论文开展了如下几方面的研究工作：固体中的冲击波传播、内爆加载下柱壳应力状态与破坏模式、外爆加载下柱壳应力状态与破坏模式、内爆加载下球壳应力状态与破坏模式、外爆加载下球壳应力状态与破坏模以及两个基本实验以及物态方程与本构关系的相关性。①固体冲击压缩研究中的若干问题。基于连续介质力学基本理论,讨论了冲击动力学中的若干问题,如流体动力学近似、状态方程与本构方程的关联与本质、一维应力实验与一维应变实验、综合性实验与基础性实验等。②内爆加载下柱壳应力状态与破坏模式。分析了平面应变加载问题,为简化分析起见,先采用静力分析,并忽略体力,寻找柱壳内的应力和应变的分布规律,为破坏模式的定性分析提供理论基础。之后分析滑移爆轰下柱壳内的应力状态以及层裂发生的位置。采用数值模拟,分析了滑移内爆作用下柱壳向心汇聚运动中的应力状态以及破坏模式。③外爆加载下柱壳应力状态与破坏模式。采用数值模拟方法,分析了外爆加载下柱壳早期应力波传播、应力状态以及破坏模式；采用解析法分析了柱壳膨胀过程的应力状态以及破坏模式；介绍了柱壳膨胀的Mott统计断裂理论；对Gurson模型进行了详细的推导,给出了屈服函数、本构关系以及塑性应变的计算方法,以及Gurson模型中材料参数的识别方法。基于这些理论,将Gurson模型编写子程序并嵌入到HKS/Abaqus软件中,分析了柱壳膨胀断裂过程中的剪切型破坏。分析了外爆加载下厚壁柱壳的破坏模式。④内爆加载下球壳应力状态与破坏模式。进行了外压作用下球壳的弹性应力状态的静力分析,并对柱壳和球壳的应力状态进行了比较,尽管是静力学分析,但对于壳体后期的运动分析是有帮助的；之后进行了外压作用下球壳和柱壳的动力学分析比较,给出了两种典型结构在冲击作用下的应力状态比较；对内爆加载下球壳塌陷过程进行了理论分析,比较了材料参数和压力参数等对塌陷过程的影响；对外表面弱冲击和强冲击加载下球壳应力状态进行了数值分析,并对内爆加载下的球壳与一维应变平板接触爆炸加载以及柱壳内聚爆炸进行了比较。最后开展了内爆加载下球壳层裂的数值模拟。⑤外爆加载下球壳应力状态与破坏模。从理论方面分析外爆加载下球壳中的弹塑性球面应力波传播,并与一维应变波传播进行了比较；采用解析法分析了球壳膨胀过程中的应力状态以及失效模式；给出了球壳的膨胀破坏半径的近似分析以及参数的影响；给出了内部爆炸作用下球壳破裂时间的理论分析。采用数值分析法模拟了外爆加载下2169钢厚壁球的层裂破坏。
姜薇[4]2016年在《基于细观损伤机理的韧性断裂研究》文中研究表明现代工业迅速发展,促使人们对材料破坏规律不断研究。韧性断裂一般会经历明显的塑性变形,是金属最常见的破坏形式。随着新设计方法的出现,需要深入理解韧性断裂机理并准确预测韧性断裂行为。细观损伤力学研究应力、应变场与材料细观结构之间的相互作用,从材料内部细观缺陷的演化过程揭示裂纹起裂、扩展直至断裂的原因,建立基于断裂机理的损伤模型,是准确预测韧性断裂最有潜力的方法之一。细观损伤模型中,应用最为广泛的Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)多孔质塑性损伤模型存在两个显着的缺陷——不适合剪切主导的破坏模式以及缺少依赖于应力状态和细观结构特征的失效准则。本文结合试验和体胞(代表性体积元)模型计算结果对GTN模型进行修正,并发展相应的数值算法以及损伤参数确定方法,从而使新模型能够准确预测广泛应力状态下的韧性裂纹扩展过程。论文首先进行了微孔洞韧性断裂机理研究。大量文献显示:金属材料的韧性断裂过程中存在着两种依赖于应力状态的细观损伤机理——内部韧带颈缩机理(internalnecking mechanism)和微孔洞剪切机理(void shearing mechanism)。于是,本文采用二维和叁维体胞模型进行了细观力学分析,对此加以验证。细观力学分析结果还给出了一系列有关韧性断裂机理影响因素(如初始孔洞体积分数、应力叁轴度以及Lode角)的重要结论,并明确显示:(1)上述两种断裂机理分别联系到不同的细观结构参数——孔洞体积分数和孔洞拉长比;(2)建立损伤本构时两种机理需要由不同的损伤参数来表征;(3)有必要建立依赖于应力状态的损伤演化规律和失效准则。其次,进行了微孔洞细观损伤模型研究。(1)在分析了GTN模型及其两种剪切修正(Nahshon-Hutchinson模型和Xue模型)的局限性之后,提出了一种适合广泛应力状态的双损伤变量GTN模型。在屈服函数中采用两个相互独立的损伤变量共同描述材料点的刚度下降及失效过程,并给出了两个损伤变量各自的演化规则。第一个损伤参数仍然是孔洞体积分数,反映拉伸载荷主导情况下由于微孔洞萌生、扩张及随后的内部韧带颈缩引起的体积损伤。新增的剪切损伤参数,反映孔洞拉长、扭曲、旋转及“次级孔洞”在内部剪切带上形核等剪切机理引起的损伤。由于采用了新的应力状态函数,剪切损伤可以在低、负应力叁轴度下累积。该模型适用于拉伸、剪切、压缩等多种载荷模式下广泛应力状态中的韧性断裂过程。(2)针对最常见的拉伸型裂纹,基于体胞计算结果建立了宏观等效应变失效准则,并确定出适合2524-T3铝合金的参数。采用建立的准则以及Thomason的塑性极限载荷准则(plastic limit-load criterion)对GTN模型进行扩充,提出了新的多孔质塑性损伤模型——GTN-E模型(以宏观等效应变作为孔洞贯通准则的GTN模型)和GTN-L模型(以塑性极限载荷准则作为孔洞贯通准则的GTN模型)。在这两个模型中,孔洞贯通的起点(失效起点)不再被看作材料常数,而分别由考虑了应力状态和细观结构特征影响的宏观等效应变准则和塑性极限载荷准则自动确定。在材料的弹塑性力学行为研究中,除了建立合理的材料本构之外,另一项非常重要的工作是研究和发展适合材料本构的数值算法。本文以双损伤变量GTN模型为例,详细推导了压力相关型塑性损伤模型(屈服函数中含有静水应力分量的塑性损伤模型)的全隐式数值积分过程;并给出了一种基于图形返回算法的一致性切线模量的显式表达,避免了繁杂的矩阵求逆工作,提高了计算效率。在ABAQUS/Standard及ABAQUS/Explicit中均编写了用户材料子程序实现双损伤变量GTN模型以及GTN-E和GTN-L模型。采用仅含一个单元的有限元模型分别施加拉伸、剪切及压缩边界条件对子程序进行测试,验证了算法的有效性。最后,对上述提出的两类模型分别进行了应用研究。(1)2024-T3铝合金完好试样在多种应力状态中的韧性断裂行为研究。进行了多种应力状态下的静力破坏试验,包含轴对称拉伸、横向平面应变拉伸、轴对称压缩以及薄壁圆筒扭转。采用提出的双损伤变量GTN模型模拟了各试验件的韧性断裂过程,通过与试验得到的位移—载荷曲线、裂纹起始位置、断口形貌的对比研究,验证了该模型的合理性和准确性。(2)2524-T3铝合金薄板中的韧性多裂纹扩展研究。对一系列多裂纹试样在拉伸载荷下进行了扩展、连通试验。采用GTN-E模型和GTN-L模型对多裂纹扩展过程中的载荷—位移曲线及裂纹扩展阻力曲线进行了预测,与试验结果的对比表明,这两种模型能够准确地预测薄板中的拉伸多裂纹扩展行为,有效地评估多裂纹薄板的剩余强度。采用提出的两类模型对2024-T3以及2524-T3铝合金进行数值分析时,均详细地讨论了损伤参数的确定方法,给出了完整的参数确定步骤。
黄敏生[5]2006年在《韧性材料损伤的微尺度效应及其机理》文中研究表明近年来,微机电系统技术快速发展,各种微器件、微机械的主导尺寸常常处在微米或亚微米量级。新近的一系列力学实验观察、理论和数值分析表明:在微米或亚微米量级下,材料的力学行为呈现出强烈的微尺度效应。基于传统尺度无关本构框架的结构强度分析方法和安全评价体系面临挑战。因此。对材料和结构中损伤的微尺度效应开展深入、系统的研究,不仅具有重要的理论意义,而且具有重要的工程实用价值。本文运用应变梯度理论分析和动态离散位错模拟两种方法分别对微尺度下韧性材料损伤的微尺度效应及其机理进行了较深入、系统的研究。主要工作有: 1、从应变梯度理论和体胞模型出发,建立了尺度相关的含孔洞材料的塑性势,并将着名的Gurson模型推广到微尺度范围。通过对含理想球形孔洞的轴对称代表性胞元的分析,结果发现:(1)在孔洞体积分数一定的情况下,孔洞长大的速率低于尺度无关的Gurson模型预测的长大速率;(2)随着孔洞半径的减少,孔洞材料的屈服迹线逐渐向外扩张,显示出明显的尺度效应;在此基础上,通过数值积分给出了孔洞材料尺度相关的塑性势。2、基于SG应变梯度形变理论和含孔洞的无限大体模型,研究了叁轴应力场中孔洞形状效应和尺度效应对其长大的耦合作用。结果表明:(1)孔洞的长大是尺度相关的,且存在一个与远场应力叁维度和孔洞形状无关的“孔洞临界半径”,当微孔洞的等效半径接近或小于临界半径时,孔洞难以通过塑性变形长大;(2)孔洞长大的尺度效应和形状效应是相互耦合的,一般地,孔洞形状越偏离理想球形,其长大的尺度效应越明显,此外,这种耦合与远程应力叁维度密切相关。3、基于SG应变梯度理论,研究了颗粒增强复合材料中颗粒的形状和尺寸对其内部及界面应力分布的影响,结果有助于理解金属基复合材料的微尺度增强机理。通过对叁轴应力下含椭球夹杂的无限大体边值问题的分析,结果表明:(1)在微米尺度下,夹杂尺寸越小,夹杂/基体界面的法向应力、剪切应力和夹杂内部主拉伸方向的应力越高。(2)这种尺度效应随着远程应力叁轴度的减小和远场等效应变的增加变得更为显着。(3)为更加合适的考虑基体/夹杂界面上的偶拽力平衡条件,本文引入了与尺度相关的界面能的概念,并进一步分析了界面能对颗粒界面及其内部应力分布的影响。4、开发了基于离散位错动力学模拟的计算分析程序,研究了FCC单晶体内含孤立孔洞的长大机理,结果有助于揭示不同大小孔洞长大机制的内在差异。通过对平面应变等轴拉伸载荷下无限大单晶体内孔洞周围的离散位错模拟,结果表明:(1)位错剪切环从位错源形核后,位错环扩展并到达孔洞表面是单晶内孔洞长大的重要机制;(2)不同尺寸的孔洞呈现出不同的长大方式,当孔洞较大时,孔洞的长大随等效应变光滑变化,但当孔洞较小时,孔洞长大接近于线弹性的,且呈现出“蛙跳”式长大,造成这种差异的主要原因是,在不同大小的孔洞附近,位错的可动性和位错源的可激活性不同;(3)在微米尺度下,特别是孔洞半径足够小时,孔洞长大的呈现出明显的离散性,这些现象难以被高阶连续理论所捕捉。5、基于位错发射的Rice-Thomson模型,研究了不同大小、不同取向的椭圆孔洞表面的位错发射及由此导致的孔洞长大机制。通过对单晶体中椭圆孔洞表面位错发射的分析得到:(1)存在一个临界应力,当外载低于该临界应力时,孔洞表面基本不发生位错发射,孔洞难以长大,当外载大于该临界应力时,孔洞表面发射位错并引起孔洞的突发性长大;(2)在纳米量级下,椭圆孔洞位错发射的临界应力呈现出尺度效应,孔洞的等效半径越小,位错发射所需临界应力就越大,而在同一等效半径下,椭圆孔洞的位错发射临界应力较圆孔洞小得多;(3)位错发射及由此引起的孔洞长大与椭圆孔洞主轴的取向有很大关系。6、基于二维离散位错动力学模拟方法,研究了无限大FCC单晶体内微夹杂周围的应力场分布,讨论了夹杂处孔洞形核的可能机制。通过对等轴拉伸载荷下含微夹杂的FCC单晶体的离散位错模拟得到:(1)由于基体/夹杂界面附近产生的位错障碍和位错塞积,基体/夹杂界面上出现一系列的应力峰;(2)随着夹杂半径的减小,界面上应力峰的数目和应力峰值都不断减小。这些结果表明,微尺度下,孔洞在基体/夹杂界面形核可能与界面上应力峰的数目和峰值的大小有关,并且夹杂越小,孔洞形核越难,这与现有实验结果定性一致。
张广哲[6]2012年在《小冲杆试样厚度尺寸对断裂影响的研究》文中认为本文对小冲杆试验机的硬件和软件进行了改造,对304不锈钢材料进行常规拉伸试验和小冲杆试验,应用大型有限元软件ABAQUS对小冲杆整个试验过程进行模拟,主要成果如下：(1)经过试验机的自动化改造,提高了试验精度和方便操作；(2)对不同摩擦系数及不同厚度试样的小冲杆实验进行试验研究,对载荷-位移曲线与摩擦系数及厚度的关系进行了观察和分析,对断口进行扫描电镜观察；(3)304不锈钢小冲杆试验的等效最大应力与单轴拉伸最大应力的比值为1.96,与单轴拉伸最大应力所对应的真应力比值为1.17。等效断裂应变与单轴拉伸最大应力所对应的应变的比值为1.01；(4)通过不同摩擦系数的模拟发现摩擦系数越小,断裂位置越靠近试样的中心,载荷-位移曲线的载荷最大值也越小；试验中通过在钢珠与试样之间涂抹润滑油的方法改变二者之问的摩擦系数,结果验证了模拟中摩擦系数对试验结果的影响；(5)进行不同厚度试样的断裂过程模拟,得到了试样厚度与断裂位置的关系,与试验结果具有很好的一致性。
孙燕娜[7]2006年在《冲击载荷下含孔洞材料屈服及孔洞动态演化的微尺度效应》文中指出孔洞的成核、长大和聚合是延性材料断裂的叁个主要过程。孔洞一旦成核,它们将通过塑性变形长大、孔洞靠拢聚合直至材料断裂。在这叁个连续阶段中,孔洞长大历时最长,与材料使用寿命密切相关,最具有研究意义。本文基于含球形孔洞的球形体胞和Gurson模型的基本思想,从率相关的梯度塑性SG理论出发,建立冲击载荷作用下材料宏观屈服行为与细观结构之间的内在联系,揭示冲击载荷作用下含微孔洞的演化规律,重点讨论孔洞尺度效应、惯性效应以及材料率敏感效应对它们的共同影响。数值结果发现:(1)在相同的宏观叁轴应力下,孔洞微尺度效应使表观等效应力增大,屈服面外扩;在相同的应力叁维度下,微尺度效应抑制孔洞长大;在典型的球对称载荷状态下,微尺度效应使孔洞长大的临界应力值提高。(2)惯性效应使材料宏观屈服面向外扩展,且随着孔洞半径的增大,外扩更加明显、惯性效应也更显着;存在一个临界应力叁维度,当应力叁维度小于此值时,惯性效应促进孔洞长大,反之,则抑制孔洞长大;另外,惯性作用的大小随着冲击载荷加速度的增加而增大。(3)当孔洞半径较大时,惯性效应起主要作用,尺度效应可以忽略,当孔洞半径足够小时,尺度效应起主要作用,但惯性效应可以忽略。在高应力叁维度下,惯性效应和尺度效应对孔洞长大具有抑制作用。(4)材料的率敏感效应使屈服面外扩,抑制孔洞长大,且使尺度效应更加明显;在球对称载荷状态下,孔洞长大的临界应力值随率敏感系数的增大而增大。
靳丽莉[8]2012年在《基于修正的GTN模型分析韧性材料的细观循环损伤》文中提出Gurson模型开创性地将孔洞作为描述损伤的变量考虑进材料的本构关系当中,对推动细观损伤力学的发展具有非常重要的作用。关于Gurson模型的各种修正形式讨论很多,其中最重要的就是修正GTN模型。为考虑交变载荷的作用,通过引入背应力,将只能考虑单调载荷作用的GTN模型改造成可以计算交变载荷作用下材料力学响应的本构模型。因孔洞在受力过程中的演化过程与应力状态密切相关,对体胞模型施加不同载荷可控制应力叁维度,从而得到不同应力状态下含孔材料力学响应的近似规律。将修正GTN模型与体胞模型的计算结果作比较以进行参数拟合分析,可以得到模型中与孔洞相关的参数q1、q2、q3的取值。我们发现：q2对孔洞随时间变化的曲线影响很大,q1则与初始孔洞率呈线性关系,而如此改进的GTN模型能合理描述单轴和多轴拉拉循环载荷下的棘轮效应。文中重点探讨了拉压循环载荷作用下,通过修正GTN模型与体胞模型的比较分析,拟合得到拉压循环载荷作用下模型参数q1、q2、q3,并讨论了参数的适用范围。发现引入背应力后的修正GTN模型对多轴循环载荷的通用性具有局限性,按给定载荷条件确定的模型参数对不同受力条件的模型响应与体胞模型差异较明显。
邓锐[9]2015年在《叁维约束下裂纹端部损伤演化与裂纹扩展的计算模拟》文中指出疲劳断裂问题是常见的失效形式之一,其安全设计是飞机轻便性、安全性、经济性的的重要保障。在飞机结构中,损伤缺陷是不可避免的,而在载荷/环境谱的作用下结构的损伤会降低材料的承载能力,导致结构的破坏。损伤容限设计的提出便是为了解决损伤结构安全性的问题,这一性能的校核已成为国际适航性条例的刚性要求。然而,现行的损伤结构设计方法和评定技术主要是建立在二维的理论基础上,实际结构中往往具有强烈的叁维结构和载荷效应。故本文基于Abaqus有限元软件,系统地分析了几何约束效应对含裂纹结构剩余强度和破坏行为的影响,发展叁维断裂破坏理论基础。研究主要工作和结论如下:1)对于弹性材料,裂尖前沿Tz的分布只与厚度尺寸以及泊松比有关,与远端载荷和面内几何尺寸无关,Tz-r/B曲线具有高度的统一性。对于弹塑性材料,当厚度和面内几何尺寸不同时,裂尖的约束不同,即使在相同载荷下,裂尖屈服状态也不同,故Tz分布不同。此时Tz分布不仅与厚度尺寸有关,而且也与远端载荷和面内几何尺寸有关,对于裂尖屈服变形敏感。2)为了进一步分析裂纹端部叁维约束的作用,本文定量的分析了离面约束因子Tz的分布规律,修正后的预测弹性Tz表达公式能够较好的描述单边裂纹拉伸变形裂尖前沿Tz的分布情况。3)通过Abaqus有限元模拟不同厚度单边裂纹试样叁点弯曲裂纹的扩展行为,分析了裂纹扩展过程中叁维约束的作用。结果显示,裂纹变形强烈地受试样的几何约束影响,而这种约束作用可由离面约束因子Tz表征。并且,J-Tz双参数理论能很好的描述扩展后大范围屈服的裂纹尖端场应力场。
孙权[10]2016年在《带钢轧制过程损伤与开裂行为的研究》文中研究说明轧制是薄板生产的一种重要方法,其最终产品冷轧薄板被广泛应用于电力、汽车、建筑、产业设备等各个国民生产的关键领域,其技术和产量已经成为衡量一个国家工业化进程的重要指标。生产中带钢材料不可避免的存在各种缺陷(如夹杂、孔洞、裂纹等),缺陷在冷轧过程中承受巨大的塑性变形而扩展,将造成带钢的质量下降或边部开裂,严重情况下还会引起带钢的断带,影响生产的连续性,降低生产效率,甚至还会对生产设备造成损坏。由于轧制过程中在轧制变形区内金属材料处于非常复杂的应力状态,目前国内外对于轧制工艺条件下带钢材料的损伤和断裂机理的理论研究还非常薄弱,缺乏完整的理论体系。因此开展对带钢在轧制过程中的损伤和断裂机理的研究,不仅具有一定的理论创新性,同时对预防和控制轧制过程中边裂和断带具有非常重要工程实用价值。本文首先通过理论推导的方法,分析了轧制过程中带钢在轧制变形区内的应力分布规律。考虑轧制过程中应力分布的边部效应,将轧制变形区从宽度方向分为中部区域和两个边部区域,边部区域根据金属材料的流变状态又分为停滞过渡区和完全滑动区,建立了整个轧制变形区内的应力分布解析表达式。并讨论了各个轧制参数对整个轧制变形区内的应力分布的影响规律。基于轧制变形区的应力状态,提出采用剪切修正GTN损伤模型对轧制过程中带钢边部的损伤与开裂行为进行数值仿真研究。推导了剪切修正GTN模型的损伤本构方程及其数值算法,并编写VUMAT材料子程序实现损伤模型在ABAQUSExplicit中的有限元运算。并给出了标定金属材料关于剪切修正GTN模型损伤参数的一套方法。建立轧制过程有限元模型,基于剪切修正GTN损伤模型分析了带钢在轧制过程中的损伤演化及分布规律,结果表明轧制过程中带钢边缘区域的损伤要明显高于中部区域,这与实际生产中带钢容易出现边部开裂的现象是吻合的。采用正交试验分析的方法,研究了轧制半径、压下率、摩擦系数和张力等工艺参数对带钢边部损伤值的影响规律。随着轧制压下率和轧制张力的增大,带钢边部损伤值越大,而随着轧辊半径和摩擦系数的增大,损伤值会略有减小在带钢边部预制缺陷,进行轧制实验和有限元仿真分析,结果表明：含边部缺陷带钢在轧制过程中容易在缺陷尖端沿45°和135°方向产生了两条裂纹,且以135°位置的裂纹为主裂纹,扩展方向与轧制方向相反。主裂纹的扩展长度随着压下率和张力增大而增大,随着轧辊半径和摩擦系数的增大而减小。同时,分析了带钢边部不同尺寸形式的V-型缺陷在多道次轧制过程中的变形和开裂行为,V-型缺陷的宽度越大,长度越小,轧制过程中缺陷尖端越不容易形成裂纹。基于剪切修正GTN损伤模型对带钢轧制过程边部缺陷开裂行为和机理的研究,提出了一种带钢边部缺陷在轧制过程中的扩展准则。在准则中缺陷扩展的驱动力定义为缺陷尖端等效应力和静水应力的加权组合形式,当组合应力和材料抗拉强度的比值大于1则认为材料失效。采用有限元模拟和数学回归方法得到带钢边部缺陷尖端的最大等效应力和静水应力对工艺参数、材料力学属性和缺陷尺寸等轧制参数的函数关系,建立了带钢边部缺陷在以上轧制参数条件下的扩展判据的数学表达式。通过不同的轧制参数下的轧制实验验证了缺陷扩展判据的正确性,并最终给出轧制过程失效评定图,指导轧制生产实践。
参考文献：
[1]. 考虑尺寸效应的Gurson模型[D]. 文洁. 清华大学. 2003
[2]. 多孔材料剪切局部化中的尺寸效应[J]. 文洁, 黄克智, 黄永刚. 工程力学. 2005
[3]. 内爆与外爆加载下壳体的力学状态及破坏模式分析[D]. 黄西成. 中国工程物理研究院. 2010
[4]. 基于细观损伤机理的韧性断裂研究[D]. 姜薇. 西北工业大学. 2016
[5]. 韧性材料损伤的微尺度效应及其机理[D]. 黄敏生. 华中科技大学. 2006
[6]. 小冲杆试样厚度尺寸对断裂影响的研究[D]. 张广哲. 华东理工大学. 2012
[7]. 冲击载荷下含孔洞材料屈服及孔洞动态演化的微尺度效应[D]. 孙燕娜. 华中科技大学. 2006
[8]. 基于修正的GTN模型分析韧性材料的细观循环损伤[D]. 靳丽莉. 广西大学. 2012
[9]. 叁维约束下裂纹端部损伤演化与裂纹扩展的计算模拟[D]. 邓锐. 南京航空航天大学. 2015
[10]. 带钢轧制过程损伤与开裂行为的研究[D]. 孙权. 华东理工大学. 2016
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