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镁单晶塑性变形行为的晶体塑性耦合孪晶相场模拟

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Acta Mechanica Sinica 2024年第3期40卷 123-144页

作者：胡佳晨徐波于超康国政 Applied Mechanics and Structure Safety Key Laboratory of Sichuan Province School of Mechanics and Aerospace EngineeringSouthwest Jiaotong UniversityChengdu611756China Failure Mechanics and Engineering Disaster Prevention Key Laboratory of Sichuan ProvinceSichuan UniversityChengdu610065China Institute of Applied Mechanics State Key Laboratory of Traction PowerSouthwest Jiaotong UniversityChengdu610031China

本文建立了一个晶体塑性-孪晶相场耦合模型来研究镁单晶的塑性变形行为.在晶体塑性模型中考虑了三种典型的滑移模式,即基面滑移、柱面滑移、锥面滑移,而在孪晶相场模型中考虑了化学能、梯度能和弹性能的作用.模拟结果表明:在沿孪生方向... 详细信息

本文建立了一个晶体塑性-孪晶相场耦合模型来研究镁单晶的塑性变形行为.在晶体塑性模型中考虑了三种典型的滑移模式,即基面滑移、柱面滑移、锥面滑移,而在孪晶相场模型中考虑了化学能、梯度能和弹性能的作用.模拟结果表明:在沿孪生方向剪切加载诱导孪晶的过程中,不同阶段的应力水平和不同方向孪晶界面的迁移率存在较大差异.孪晶在早期呈透镜状,而在侧向长大阶段呈平板状,并且孪晶出现后有基面滑移被激活;非基面滑移在基体完全转变为孪晶后被激活.在一个拉-压载荷周期内,不同取向的镁单晶中出现不同的塑性变形模式,当加载方向平行于c轴时,对应的变形模式为孪生-解孪-锥面滑移-复孪生;当加载方向垂直于c轴时,对应的变形模式为柱面滑移-柱面滑移孪生-孪生-解孪,这两种单晶均表现出强拉压不对称性;当加载方向与c轴夹角为45°时,仅发生基面滑移,不存在拉压不对称现象.

关键词： Magnesium single crystal Phase field model Twinning Dislocation slipping Crystalline orientation

带孔形状记忆合金薄板弹热性能的实验和理论研究

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力学学报 2024年

作者：庞云浩于超阚前华康国政西南交通大学力学与航空航天学院

NiTi形状记忆合金因其优异的弹热效应在新兴固态制冷领域具备广阔的应用前景。然而，该类合金较高的相变临界应力使得其弹热效应需要很高的机械载荷来驱动，对固态制冷器件的小型化和大规模应用带来了挑战。本文通过在NiTi形状记忆合金... 详细信息

NiTi形状记忆合金因其优异的弹热效应在新兴固态制冷领域具备广阔的应用前景。然而，该类合金较高的相变临界应力使得其弹热效应需要很高的机械载荷来驱动，对固态制冷器件的小型化和大规模应用带来了挑战。本文通过在NiTi形状记忆合金薄板上引入孔洞，揭示了孔洞体积分数、分布形式对薄板弹热性能的影响。结果表明，孔洞造成的应力集中效应能够在显著降低薄板相变驱动力的同时，有效增加薄板的整体制冷温度和吸热量。薄板在变形过程中的整体力-位移响应和温度演化强烈依赖于孔洞体积分数，孔洞分布形式仅仅影响薄板的局部应力-应变-温度场，而对整体的热-力响应影响较小。进一步地，基于应力对数客观率，在不可逆热力学框架下建立了形状记忆合金有限变形热-力耦合本构模型，并完成了模型的有限元移植。通过与实验结果的对比发现，提出的本构模型能够很好地预测孔洞对NiTi形状记忆合金薄板变形行为和弹热性能的影响，从而为该类合金带孔薄板的设计提供了理论工具。

关键词： NiTi形状记忆合金弹热效应带孔薄板热-力耦合本构模型

基于机器学习和遗传算法的非局部晶体塑性模型参数识别

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力学学报 2024年第3期56卷 751-762页

作者：周瑞熊宇凯储节磊阚前华康国政张旭西南交通大学力学与航空航天学院应用力学与结构安全四川省重点实验室成都610031 西南交通大学计算机与人工智能学院成都610031

非局部晶体塑性模型考虑了由非均匀变形引起的位错在空间上的重排,使得其本构模型变得复杂,可调节参数众多,因此采用常规的“试错法”难以准确确定这些参数.虽然遗传算法能够稳健地全局优化解决参数确定问题,但对于非局部晶体塑性模型,... 详细信息

非局部晶体塑性模型考虑了由非均匀变形引起的位错在空间上的重排,使得其本构模型变得复杂,可调节参数众多,因此采用常规的“试错法”难以准确确定这些参数.虽然遗传算法能够稳健地全局优化解决参数确定问题,但对于非局部晶体塑性模型,其计算成本相对较高.为解决这一问题,提出了一种耦合机器学习模型的遗传算法,以有效降低计算成本.针对含有冷却孔的镍基高温合金的拉伸响应问题,以单拉应力-应变曲线为目标,基于屈服应力和最终应力建立评价公式,使得优化结果与实验尽可能接近.在这一方法中,机器学习模型能够通过非局部晶体塑性模型的参数来预测相应的应力值,从而替代了遗传算法中原本需要的有限元计算过程.为了分析本构模型参数对单拉力学响应的影响,研究采用SHAP框架,并通过有限元结果进行验证.结果表明,通过该方法可以有效获取非局部晶体塑性模型参数,使得参数计算得到的应力-应变响应与实验结果吻合较好.此外, SHAP框架能够提供本构模型参数的重要程度分析,以及对屈服应力和最终应力的影响.

关键词：晶体塑性机器学习参数确定遗传算法

考虑棘轮行为的U75V缺口圆棒局部应力-应变分析

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固体力学学报 2024年第3期45卷 352-362页

作者：瞿开城罗会亮阚前华康国政应用力学与结构安全四川省重点实验室西南交通大学力学与航空航天学院成都610031

本文通过对U75V钢缺口圆棒在单轴非对称应力控制循环载荷作用下循环变形行为的有限元模拟,分析了缺口局部的应力-应变分布及演化情况,研究了缺口弹塑性应力与应变集中系数随循环周次的变化规律,讨论了Neuber准则对考虑棘轮行为的缺口局... 详细信息

本文通过对U75V钢缺口圆棒在单轴非对称应力控制循环载荷作用下循环变形行为的有限元模拟,分析了缺口局部的应力-应变分布及演化情况,研究了缺口弹塑性应力与应变集中系数随循环周次的变化规律,讨论了Neuber准则对考虑棘轮行为的缺口局部应力-应变分析的适用性.结果表明:在循环变形过程中,缺口根部的局部应力产生松弛现象,应力集中系数随循环次数的增加而减小;棘轮应变主要集中在缺口位置,应变集中系数随循环次数的增加而增大;应力集中系数与应变集中系数乘积的平方根随循环次数的增加而逐步增大,并且明显不同于理论应力集中系数.这说明,在缺口根部出现明显的棘轮行为时,使用Neuber准则无法对缺口的局部应力应变行为进行准确描述.

关键词：缺口圆棒应力集中系数应变集中系数应力松弛 Neuber准则

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基于机器学习的增材制造合金材料力学性能预测研究进展与挑战

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力学学报 2024年第7期56卷 1892-1915页

作者：胡雅楠余欢吴圣川奥妮阚前华吴正凯康国政西南交通大学力学与航空航天学院成都611756 西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室成都610031

增材制造是现代高端装备制造领域的革命性突破技术之一.其中,增材构件的大批量生产和高可靠应用,关键在于制造可重复性、质量可靠性与性能可预测性.而在各向异性组织、广域分布缺陷、深部残余应力和复杂表面粗糙度等诸多因素的共同影响... 详细信息

增材制造是现代高端装备制造领域的革命性突破技术之一.其中,增材构件的大批量生产和高可靠应用,关键在于制造可重复性、质量可靠性与性能可预测性.而在各向异性组织、广域分布缺陷、深部残余应力和复杂表面粗糙度等诸多因素的共同影响下,基于传统经验模型和有限数据的增材制造金属力学性能预测效率与准确性面临着严峻挑战.近年来,作为大数据与人工智能发展到一定阶段的必然产物,机器学习(machine learning,ML)方法为有效处理高维物理量之间的复杂非线性关系提供了契机,在增材制造合金材料力学性能预测领域得到持续关注.文章综述了机器学习在增材制造材料及构件力学性能预测中的国内外研究进展.首先简述了常见的机器学习算法和通用的机器学习流程,重点分析了融合物理信息的机器学习(physics-informed machine learning,PIML)方法的特点与构造方式;然后概述了增材制造合金材料力学性能4大影响因素的形成原因及机器学习在这些影响因素预测中的应用现状;重点介绍了ML和PIML在拉伸性能和疲劳断裂性能预测中的代表性研究成果;最后指出当前机器学习在力学性能预测中的局限性,并探讨了发展趋势和技术前景.

关键词：数据驱动机理驱动微观组织缺陷演化疲劳寿命

基于机器学习的增材制造金属力学性能预测研究进展与挑战

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力学学报 2024年

作者：胡雅楠余欢吴圣川奥妮阚前华吴正凯康国政西南交通大学力学与航空航天学院西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室

增材制造是现代高端装备制造领域的革命性突破技术之一。其中，增材构件的大批量生产和高可靠应用，关键在于制造可重复性、质量可靠性与性能可预测性。而在各向异性组织、广域分布缺陷、深部残余应力和复杂表面粗糙度等诸多因素的共同... 详细信息

增材制造是现代高端装备制造领域的革命性突破技术之一。其中，增材构件的大批量生产和高可靠应用，关键在于制造可重复性、质量可靠性与性能可预测性。而在各向异性组织、广域分布缺陷、深部残余应力和复杂表面粗糙度等诸多因素的共同影响下，基于传统经验模型和有限数据的增材制造金属力学性能预测效率与准确性面临着严峻挑战。近年来，作为大数据与人工智能发展到一定阶段的必然产物，机器学习（Machine learning, ML）方法为有效处理高维物理量之间的复杂非线性关系提供了契机，在增材制造力学性能预测领域得到持续关注。本文综述了机器学习在增材制造材料及构件力学性能预测中的国内外研究进展。首先简述了常见的机器学习算法和通用的机器学习流程，重点分析了融合物理信息的机器学习（Physics-informed machine learning, PIML）方法的特点与构造方式；然后概述了增材制造力学性能四大影响因素的形成原因及机器学习在这些影响因素预测中的应用现状；重点介绍了ML和PIML在增材制造拉伸性能和疲劳断裂性能预测中的代表性研究成果；最后指出当前机器学习在增材制造力学性能预测中的局限性，并探讨了发展趋势和技术前景。

关键词：数据驱动机理驱动微观组织缺陷演化疲劳寿命

梯度晶粒结构材料拉伸断裂行为的晶体塑性有限元模拟

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力学学报 2024年第8期56卷 2271-2281页

作者：王彪王姝予熊宇凯赵建锋康国政张旭西南交通大学力学与航空航天学院应用力学与结构安全四川省重点实验室西南交通大学材料科学与工程学院

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... 详细信息

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.

关键词：梯度晶粒结构晶体塑性有限元方法内聚力单元断裂行为

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介电高弹体的力-电耦合循环变形和疲劳失效行为研究

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力学进展 2023年第3期53卷 592-625页

作者：康国政陈义甫黄伟洋西南交通大学力学与航空航天学院

介电高弹体的力-电耦合循环变形和疲劳失效行为目前在相关功能器件的设计和寿命评估中得到了越来越多的关注.因此,为了促进软体机器人等领域的发展,文章对介电高弹体的力-电耦合循环变形和疲劳失效行为的实验和理论研究现状进行了较为... 详细信息

介电高弹体的力-电耦合循环变形和疲劳失效行为目前在相关功能器件的设计和寿命评估中得到了越来越多的关注.因此,为了促进软体机器人等领域的发展,文章对介电高弹体的力-电耦合循环变形和疲劳失效行为的实验和理论研究现状进行了较为全面地综述:首先,对介电高弹体VHBTM材料在单一力场和力-电耦合作用下的循环变形行为及其演化特征进行了评述,重点总结了该材料在循环载荷作用下表现出的循环软化、棘轮行为和疲劳失效行为及其力-电耦合效应;然后,对已有的、描述介电高弹体单一力场和力-电耦合变形行为的本构模型进行综述,评述了已有的超弹性、黏-超弹性和黏-超弹性-塑性本构模型对介电高弹体循环变形行为及其力-电耦合效应的描述能力;最后,对介电高弹体的力-电耦合失效行为研究现状进行了评述,特别关注了介电高弹体在力-电耦合大变形作用下的低周疲劳失效行为.基于已有研究现状的评述,文章还对相关领域的未来研究方向进行了展望,力求促进相关研究领域的发展.

关键词：介电高弹体力-电耦合循环变形本构模型低周疲劳

循环硬化材料本构模型的隐式应力积分和有限元实现

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计算力学学报 2005年第5期22卷 579-584页

作者：康国政西南交通大学应用力学与工程系四川成都610031

针对新发展的、能够描述循环硬化行为应变幅值依赖性的粘塑性本构模型,讨论了它的数值实现方法。首先,为了能够对材料的循环棘轮行为(R atcheting)和循环应力松弛现象进行描述,对已有的本构模型进行了改进;然后,在改进模型的基础上,建... 详细信息

针对新发展的、能够描述循环硬化行为应变幅值依赖性的粘塑性本构模型,讨论了它的数值实现方法。首先,为了能够对材料的循环棘轮行为(R atcheting)和循环应力松弛现象进行描述,对已有的本构模型进行了改进;然后,在改进模型的基础上,建立了一个新的、全隐式应力积分算法,进而推导了相应的一致切线刚度(Con-s isten t T angen tM odu lus)矩阵的表达式;最后,通过ABAQU S用户材料子程序UM AT将上述本构模型进行了有限元实现,并通过一些算例对一些构件的循环变形行为进行了有限元数值模拟,讨论了该类本构模型有限元实现的必要性和合理性。

关键词：粘塑性循环硬化棘轮行为应力积分算法有限元