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Fracture Analysis of Cast Iron Materials with Cracks Based on Elastoplastic Extended Finite Element Method

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Acta Mechanica Solida Sinica 2019年第2期32卷 201-214页

作者： Yanjun Chang Qiao Song zheng Kuang Keshi Zhang zhanguang zheng College of Civil Engineering and Architecture Guangxi University Nanning 530004 China College of Mechanical Engineering Guangxi University Nanning 530004 China Guangxi Key Laboratory of Disaster Prevention and Engineering Safety Guangxi University Nanning 530004 China Key Laboratory of Engineering Disaster Prevention and Structural Safety of Ministry of Education Guangxi University Nanning 530004 China

Based on the ABAQUS platform for finite element analysis, the extended finite element method (XFEM) considering elastoplastic constitutive relationship is developed, by which the displacement discontinuity across the crack surface and the strong nonlinearity near the crack tip can be described more accurately. The strip specimens with unilateral cracks and central cracks under uniaxial tension are simulated using the XFEM and the FEM, respectively. The J-integral across the crack on each incremen t is calcula ted using the equivale nt domain integral met hod (EDIM), the interaction integral met hod and the FEM, respectively. The effec ts of mesh size and mesh shape near the crack tip, element type and different calculation methods on the accuracy of J-integral are analyzed. The simulation results show that the XFEM is more accurate than the FEM with the same element size and type. The fracture tests of cast iron specimens with unilateral cracks under uniaxial tension are performed, and the J-integral criterion is valid to predict the fracture initiation in numerical simulation. The critical value of J-integral is calculated using the EDIM of the XFEM. The comparisons demonstrate that the simulated elastoplastic load-displacement curves with the XFEM are in good agreement with the experimental results.

关键词： J-Integral Extended finite element Elastoplasticity Fracture criterion

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大变形下固体推进剂黏弹性本构参数的识别

机械工程材料 2024年第9期48卷 112-118页

作者：李瑞阳郑战光孙经雨钱桂安蔺跃龙武锐刘通广西大学机械工程学院南宁530004 中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室北京100190 内蒙动力机械研究所呼和浩特010010

在ZWT非线性黏弹性本构模型中添加额外的Maxwell单元,建立了非线性广义Maxwell模型(NLGMM)并进行数值离散化,基于Nelder-Mead单纯形算法,使用端羟基聚醚(HTPE)固体推进剂在不同等位移速率下的拉伸试验数据对本构参数进行优化和验证,分... 详细信息

在ZWT非线性黏弹性本构模型中添加额外的Maxwell单元,建立了非线性广义Maxwell模型(NLGMM)并进行数值离散化,基于Nelder-Mead单纯形算法,使用端羟基聚醚(HTPE)固体推进剂在不同等位移速率下的拉伸试验数据对本构参数进行优化和验证,分析了使用工程应变速率和真应变速率对真应力计算结果的差别。结果表明:经数值离散和参数优化后,建立的NLGMM可以很好地描述HTPE固体推进剂的力学行为,对真应力的计算结果与试验结果的最大相对误差不超过6%。当HTPE固体推进剂发生的变形量较小(真应变不大于0.1)时,使用工程应变速率计算的真应力与使用真应变速率计算结果之间的相对误差不大于5%,此时可忽略变形导致的非线性效应,使用工程应力-工程应变和工程应变速率进行计算来确定NLGMM材料参数;当HTPE固体推进剂发生较大变形(真应变不小于0.4)时,使用工程应变速率计算的真应力为使用真应变速率计算结果的1.33倍及以上,材料变形导致的非线性效应不可忽略,应使用真应力-真应变和真应变速率进行计算来确定NLGMM的材料参数。

关键词：非线性黏弹性本构模型大变形固体推进剂参数优化

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一种超细晶材料的混合硬化模型及其数值模拟

机械工程学报 2014年第20期50卷 77-83页

作者：郑战光谢昌吉孙腾袁帅广西大学广西制造系统与先进制造技术重点实验室南宁530004

针对超细晶材料强度高、塑性能力不佳以及饱和应力跟晶粒尺寸和应变率等因素有关的特点,在Johnson-Cook模型的基础上引入Hall-Petch关系式,再与Armstrong-Frederick非线性随动硬化规律进行叠加,提出一种同时包含各向同性硬化和非线性随... 详细信息

针对超细晶材料强度高、塑性能力不佳以及饱和应力跟晶粒尺寸和应变率等因素有关的特点,在Johnson-Cook模型的基础上引入Hall-Petch关系式,再与Armstrong-Frederick非线性随动硬化规律进行叠加,提出一种同时包含各向同性硬化和非线性随动硬化的混合硬化模型。该数学模型不仅考虑了超细晶材料的尺寸效应,还计及了加工硬化和包辛格效应的组合效应。在推导出该混合硬化模型的积分算法的基础上进行有限元数值分析和试验数据的对比分析。对比结果表明,不同晶粒大小与不同应变率下的超细晶材料的数值仿真结果与试验数据均吻合较好,进而证明该数学模型的合理性。因此,该混合硬化模型不仅丰富了塑性力学的内容,也可为超细晶材料的结构件设计提供一定的理论依据。

关键词：超细晶材料积分算法混合硬化晶粒尺寸应变率

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晶体塑性疲劳指示因子研究方法综述

机械工程学报 2022年第8期58卷 105-116页

作者：郑战光覃里杜谢昌吉潘淑琴孙腾广西大学机械工程学院南宁530004 广西大学图书馆南宁530004 北部湾大学机械与船舶海洋工程学院钦州535011

金属材料与结构的疲劳失效被视为工程领域的“癌症”,是微观结构逐渐劣化的结果,因此从微观角度准确预测材料与结构的疲劳裂纹萌生就显得极为必要与迫切。基于晶体塑性有限元的疲劳指示因子(Fatigue indicator parameters, FIP)能从微... 详细信息

金属材料与结构的疲劳失效被视为工程领域的“癌症”,是微观结构逐渐劣化的结果,因此从微观角度准确预测材料与结构的疲劳裂纹萌生就显得极为必要与迫切。基于晶体塑性有限元的疲劳指示因子(Fatigue indicator parameters, FIP)能从微观角度较好地表征剪应变主导的疲劳裂纹驱动力,目前已经形成了累积塑性滑移类、应变能耗散类与多轴疲劳寿命预测准则改进的FIP等。累积塑性滑移类FIP是基于位错滑移与应力集中理论所建立,多个应用案例也表明能较好地描述疲劳驻留滑移带与三叉晶界应力集中等现象,具有形式简单、参数少等优点;应变能耗散类FIP是基于能量理论,不区分载荷模式与裂纹扩展优先方向,在高应变幅或复杂载荷状况下较累积塑性滑移类FIP更可靠;多轴疲劳寿命预测准则改进的FIP主要有基于Fatemi-Socie准则、Dang Van准则与Tanaka-Mura准则等修正的FIP,虽工程应用广泛,但是由于经验模型需要大量试验确定参数且临界平面与位错滑移平面的关系不明。为此,指出研究多轴疲劳损伤的临界平面与晶体塑性的滑移平面的物理一致性、以晶粒旋转数据直接构建晶体塑性FIP模型以及采用模糊数学分析晶体塑性FIP的特性是未来的发展方向,它们对于补充与完善晶体塑性FIP方法具有重要的理论意义与实用价值。

关键词：晶体塑性疲劳指示因子裂纹萌生疲劳寿命预测

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超细晶铜在循环载荷下的非均匀变形演化

热加工工艺 2022年第4期51卷 33-36,41页

作者：郑战光徐涛孙腾谢昌吉广西大学机械工程学院广西南宁530004 北部湾大学机械与船舶海洋工程学院广西钦州535011

材料的不均匀变形对机械零件的各种力学性能有重要影响。为准确了解超细晶铜材料不均匀变形的演变情况,对称循环载荷下材料模型进行不均匀应变演化的研究:通过多晶voronoi集合体和电子背散射衍射(EBSD)图构建代表性的体积单元(RVE),并... 详细信息

材料的不均匀变形对机械零件的各种力学性能有重要影响。为准确了解超细晶铜材料不均匀变形的演变情况,对称循环载荷下材料模型进行不均匀应变演化的研究:通过多晶voronoi集合体和电子背散射衍射(EBSD)图构建代表性的体积单元(RVE),并进行对称循环载荷加载;对RVE内所有单元的应变情况进行统计和分析,使用纵向应变的统计标准偏差来表征不均匀变形的情况。结果表明:超细晶铜在循环中应变不均匀性随着加载和卸载而变化,随着循环周期的增加逐渐增加,拉伸峰值位置应变不均匀性逐渐大于压缩峰值位置。

关键词：超细晶非均匀变形代表性体积单元对称循环

FCC多晶体弯曲力学行为及剪切带形成的数值模拟

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热加工工艺 2022年第7期51卷 86-89,93页

作者：郑战光魏大城孙腾谢昌吉广西大学机械工程学院广西南宁530004 北部湾大学机械与船舶海洋工程学院广西钦州535011

铝合金板材在弯曲成形过程中会发生较大的塑性变形并伴随着剪切带的形成及发展,进而降低材料的可塑性。基于晶体塑性有限元法及子模型法建立超细晶6061铝合金三点弯模型,将DIC(数字图像相关法)测得的三点弯实验结果与模拟结果进行对比验... 详细信息

铝合金板材在弯曲成形过程中会发生较大的塑性变形并伴随着剪切带的形成及发展,进而降低材料的可塑性。基于晶体塑性有限元法及子模型法建立超细晶6061铝合金三点弯模型,将DIC(数字图像相关法)测得的三点弯实验结果与模拟结果进行对比验证,并探究剪切带的形成与发展对应变率的依赖性。结果表明:所建立的三点弯模型能准确地模拟实验;剪切带的形成及发展对应变率具有明显的依赖性。

关键词：三点弯曲 FCC晶体剪切带应变率

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循环载荷下ECAP纯铜应力三轴度的分布

热加工工艺 2022年第9期51卷 101-105页

作者：郑战光杨嘉斌孙腾谢昌吉广西大学机械工程学院广西南宁530004 北部湾大学机械与船舶海洋工程学院广西钦州535011

应力三轴度是决定金属损伤演化的关键因素。为了了解应力三轴度在细晶组织中的分布情况,通过电子背散射衍射法(EBSD)获得8道次等径角挤压(ECAP)纯铜的微观组织信息;并基于晶体塑性有限元法建立代表性的体积单元,探讨8道次ECAP纯铜在循... 详细信息

应力三轴度是决定金属损伤演化的关键因素。为了了解应力三轴度在细晶组织中的分布情况,通过电子背散射衍射法(EBSD)获得8道次等径角挤压(ECAP)纯铜的微观组织信息;并基于晶体塑性有限元法建立代表性的体积单元,探讨8道次ECAP纯铜在循环载荷下应力三轴度的分布现象与规律。结果表明:在循环加载初期应力三轴度的分布是不均匀的,循环加载20圈后,分布不均匀程度增大;极大和极小的应力三轴度多分布在晶界处,通常是软取向、硬取向晶粒相邻的情况。

关键词：等径角挤压循环载荷晶体塑性应力三轴度晶界

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基于深度学习的多机械手轨迹规划系统设计

计算机测量与控制 2020年第11期28卷 247-250页

作者：卢东来郑战光广西大学机械工程学院南宁530004

目前提出的多机械手轨迹规划系统路径规划精准度低,避障能力差;基于深度学习对多机械手的规划系统进行设计,通过研究传统系统中存在精确度、智能性不足的缺点,在设计的系统分别引入了相应的解决条件,在硬件结构的设计中文章应用ISL-320... 详细信息

目前提出的多机械手轨迹规划系统路径规划精准度低,避障能力差;基于深度学习对多机械手的规划系统进行设计,通过研究传统系统中存在精确度、智能性不足的缺点,在设计的系统分别引入了相应的解决条件,在硬件结构的设计中文章应用ISL-320型号的伺服电机提升多机械手的动力功能,应用SKT64系列的芯片提升多机械手的路径精准度;在应用程序设计上应用拟合算法与叠加算法对规划路径中的节点精准运算,在提升系统整体精准度的同时提升了系统的智能程度;实验结果表明,基于深度学习的多机械手轨迹规划系统路径与标准路径十分接近,说明该方法的规划精准度较高,避障能力得到有效增强。

关键词：轨迹规划深度学习规划系统机器人

基于颜色特征的半监督聚类算法在铜片腐蚀等级识别中的应用

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腐蚀与防护 2023年第5期44卷 34-40页

作者：钱企豪郑战光梁钊伍鹏革杜彭玉广西大学机械工程学院南宁530004 湖南大学机械与运载工程学院汽车车身先进设计制造国家重点实验室长沙410082

提出一种基于半监督聚类算法的铜片腐蚀等级快速识别方法。该方法首先对于大量铜片腐蚀图像进行图像分割,使其尺寸归一化;然后通过滤波处理减弱异常值影响,利用颜色量化方法获取图像的颜色特征向量,并通过核主成分分析(KPCA)对颜色直方... 详细信息

提出一种基于半监督聚类算法的铜片腐蚀等级快速识别方法。该方法首先对于大量铜片腐蚀图像进行图像分割,使其尺寸归一化;然后通过滤波处理减弱异常值影响,利用颜色量化方法获取图像的颜色特征向量,并通过核主成分分析(KPCA)对颜色直方图信息进行降维处理;最后,将标准比色卡提取的颜色特征向量作为半监督k-means的初始聚类中心,结合预处理后腐蚀图像的颜色特征向量训练模型,得到每张图片对应的腐蚀等级。结果表明,通过该算法得到的铜片腐蚀等级分类结果与目测结果一致,说明该方法具有较高的准确性。

关键词：铜片腐蚀颜色特征图像预处理半监督聚类核主成分分析