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CNTs/Al-Li复合材料塑性变形本构建模及损伤行为模拟

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CNTs/Al-Li复合材料塑性变形本构建模及损伤行为模拟

作者：王瑶瑶西安理工大学

学位级别：硕士

Al-Li合金作为一种低密度、高弹性模量、高比强度和高比刚度的合金,在减重需求迫切的航空航天领域具有十分广阔的应用前景。碳纳米管(CNTs)由于其独特的结构和出色的力学性能成为了金属基复合材料(MMCs)中备受瞩目的增强相。CNTs的引入... 详细信息

Al-Li合金作为一种低密度、高弹性模量、高比强度和高比刚度的合金,在减重需求迫切的航空航天领域具有十分广阔的应用前景。碳纳米管(CNTs)由于其独特的结构和出色的力学性能成为了金属基复合材料(MMCs)中备受瞩目的增强相。CNTs的引入能够提高MMCs的强度,但对塑性的影响有待探究。如何描述和预测这种变化对CNTs/MMCs的设计、制备及应用非常重要。本研究以CNTs/Al-Li复合材料为研究对象,探究了 CNTs/Al-Li复合材料的结构-力学性能关系,建立了基于物理机制的本构模型,基于界面损伤理论和基体本构关系建立了有限元模型,模拟了 CNTs/Al-Li复合材料在单轴拉伸过程中的弹塑性变形行为,获得了 CNTs体积分数、长径比及团聚度对力学性能的影响规律。主要内容及结论如下。(1)建立基于微观组织的CNTs/Al-Li复合材料本构模型,获取模型所需参数后,对模型进行修正,并对模型的准确性进行验证。结果表明,所建本构模型能够较好的对CNTs体积分数小于1%的CNTs/Al-Li复合材料的力学性能进行预测。(2)建立变形损伤的有限元模型,以CNTs体积分数为0.3375%的CNTs/Al-Li复合材料为例。几何模型的建立确保了 CNTs分布的随机性和均匀性,并对材料参数、网格划分、分析步、边界条件与载荷的施加等进行相关的设定。(3)探讨CNTs体积分数对CNTs/Al-Li复合材料力学性能的影响,结果表明:随着CNTs体积分数的增加,基体材料的力学性能在不同程度得到了提升,CNTs体积分数由0.675%增加至1.375%时,复合材料的强度提升效果逐渐减弱;在所选取的不同CNTs体积分数复合材料中,综合性能最好的为CNTs体积分数为0.675%。(4)探讨CNTs长径比对CNTs/Al-Li复合材料力学性能的影响,结果表明:CNTs长径比的增加对CNTs上的应力分布影响显著,CNTs长径比由9.5增加至48,CNTs端部与中部的平均应力差由602]MPa增加至20473MPa,说明低长径比的CNTs上整体应力分布更为均匀;但是随着CNTs长径比的增大,CNTs上主要承担载荷的部位会由端部向CNTs中部转移,CNTs承担载荷的效果更好。(5)探讨CNTs团聚度对CNTs/Al-Li复合材料力学性能的影响,结果表明:CNTs团聚度越高,CNTs上的应力分布不均匀度越高,界面的损伤程度也随之增加。CNTs团聚,会使得与CNTs未接触的基体强度得不到很好的提升、而与CNTs接触的基体部分产生应力集中现象,导致CNTs容易与基体脱粘,从而使材料失效。因此,团聚度越低的CNTs对基体材料的强化效果越好。

关键词： CNTs/Al-Li复合材料塑性变形本构建模损伤有限元模拟

车身TWIP钢在冲击载荷下的动态力学行为与本构建模

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车身TWIP钢在冲击载荷下的动态力学行为与本构建模

作者：汤迁中南林业科技大学

学位级别：硕士

近年来,在节能减排和汽车轻量化的推动下,先进高强钢逐渐应用于汽车制造领域。汽车用钢需高强度、高抗断裂能力和较强的抗冲击能力以保证结构强度和形变吸能性。TWIP钢由于具有较强的应变速率效应,且成形性和形变吸能性优异,引起研究学... 详细信息

近年来,在节能减排和汽车轻量化的推动下,先进高强钢逐渐应用于汽车制造领域。汽车用钢需高强度、高抗断裂能力和较强的抗冲击能力以保证结构强度和形变吸能性。TWIP钢由于具有较强的应变速率效应,且成形性和形变吸能性优异,引起研究学者乃至汽车行业的关注,但绝大部分研究未考虑TWIP钢应用于车身时的承载和变形条件。为此,本文采用电子万能材料试验机和霍普金森压杆装置,开展了 TWIP钢准静态力学行为、动态冲击力学行为及其变形机制的研究,并构建力学本构模型,应用于汽车前防撞梁碰撞仿真分析,主要研究内容如下:(1)研究应变、应变速率、晶粒尺寸和加载方向对TWIP钢力学行为的影响。结果表明:在准静态条件下,铸态TWIP钢的流变应力和DSA表现出负应变速率敏感性;在动态冲击条件下,TWIP钢的流变应力呈现出正应变速率敏感性。晶粒细化在保证TWIP钢良好延伸率的同时,提高了其屈服强度,适当引入预应变会加剧DSA效应,并起到类似细晶强化效果,加载方向对流变应力的影响较小。(2)探究应变、应变速率、晶粒尺寸和加载方向对显微组织演变的影响。结果表明:准静态条件下,减小应变速率和预变形处理致使形成的形变孪晶增多;动态冲击条件下,TWIP钢中孪晶体积分数相对较小,且随应变速率的降低逐渐减小,观察到了 60°左右的交叉孪晶;随应变量的增加,出现裂纹和绝热剪切带。剪切带内产生了动态再结晶,粗晶粒尺寸的微裂纹更多。TD向TWIP钢的大部分晶粒转向(001)和(111)方向,而RD向的大部分晶粒的方向为(101)和(111)方向。(3)基于现有冲击载荷下材料力学本构方程的建模理念,通过对流变应力、形变温升和晶粒尺寸等的分析,构建TWIP钢在冲击载荷下的力学本构模型。结果表明:该M-JC本构模型的R值均高于99.14%,AARE值均低于3.86%,能较准确地表述TWIP钢在不同应变速率下的力学响应行为。(4)基于实验数据对汽车前防撞梁进行碰撞仿真,分析汽车前防撞梁三点弯曲、正面100%和40%刚性墙的碰撞性能。结果表明:碰撞仿真过程真实有效,TWIP钢具有优良的强塑积,碰撞性能优异。TWIP钢在车身碰撞结构中的应用对推动车身轻量化和我国“双碳”目标的实现具有较大的工程应用价值。

关键词： TWIP钢动态力学行为绝热剪切本构建模数值模拟

基于蠕变时效交互作用机理的2219铝合金统一本构建模

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中南大学学报（自然科学版） 2017年第11期48卷 2943-2949页

作者：李喜财湛利华中南大学高性能复杂制造国家重点实验室湖南长沙410083 中南大学机电工程学院湖南长沙410083

在不同的时效温度和试验应力条件下,对2219铝合金开展蠕变时效行为研究。随后,分别对蠕变试样进行力学性能测试和透射电镜观察,以获得该合金在蠕变时效过程中的力学性能演变规律和析出相演变规律;进一步查明材料蠕变量、析出相特征尺寸... 详细信息

在不同的时效温度和试验应力条件下,对2219铝合金开展蠕变时效行为研究。随后,分别对蠕变试样进行力学性能测试和透射电镜观察,以获得该合金在蠕变时效过程中的力学性能演变规律和析出相演变规律;进一步查明材料蠕变量、析出相特征尺寸与力学性能的关系。在此基础上,建立基于成形成性耦合作用机理的2219铝合金蠕变时效本构方程,采用粒子群算法(POS)对方程中的材料常数进行拟合,并将蠕变应变和屈服强度的拟合结果与试验结果进行对比。研究结果表明:试验应力、时效温度和时效时间都会对2219铝合金的蠕变行为产生重要影响;通过提高试验应力或时效温度,可以缩短蠕变第二阶段的时间,加速蠕变第三阶段(蠕变破坏阶段)的到来。蠕变应变和屈服强度的拟合结果的相对误差分别为2.70%和0.70%。基于成形成性耦合作用机理的铝合金蠕变时效统一本构方程能够较好地反映蠕变与时效形性演变规律。

关键词： 2219铝合金蠕变时效本构建模

不同温度下AM80镁合金的动态力学响应及本构建模

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材料导报 2021年第16期35卷 16093-16098页

作者：陈斐洋郭鹏程胡泽豪马洪浩张立强中南林业科技大学机电工程学院长沙410004 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室长沙410082

为构建可准确预测镁合金动态力学响应的统一本构模型,采用分离式霍普金森压杆装置对AM80镁合金进行高速冲击实验,变形温度为298 K、423 K和523 K,应变速率为1100~5000 s^(-1)。结果表明:AM80镁合金具有明显的应变速率敏感性。变形温度为... 详细信息

为构建可准确预测镁合金动态力学响应的统一本构模型,采用分离式霍普金森压杆装置对AM80镁合金进行高速冲击实验,变形温度为298 K、423 K和523 K,应变速率为1100~5000 s^(-1)。结果表明:AM80镁合金具有明显的应变速率敏感性。变形温度为298 K时,镁合金的流变应力表现为正应变速率敏感性,当应变速率增至5000 s^(-1)的变形后期,镁合金的流变应力则表现为负应变速率敏感性;变形温度为423 K和523 K时,镁合金的流变应力表现为正应变速率敏感性,当应变速率高于临界值时,镁合金的流变应力则表现为负应变速率敏感性。将应变速率强化参数C和应变硬化参数n修正为变形温度T的函数,优化了Johnson-Cook本构模型,本构拟合结果与实验结果的误差在±10%范围内,其相关系数(R)和平均相对误差(AARE)分别为0.987、3.88%,说明所建本构模型能够准确预测AM80镁合金在不同变形条件下的流变应力行为。

关键词： AM80镁合金变形温度动态力学响应本构建模

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堆石料的亚塑性本构建模及其应用研究

岩石力学与工程学报 2007年第2期26卷 312-322页

作者：岑威钧王修信 Erich Bauer 朱岳明东南大学土木工程学院江苏南京210096 格拉茨技术大学应用力学研究所河海大学水利水电工程学院江苏南京210098

亚塑性本构理论是20世纪中晚期发展起来的一类基于有理力学的新型的连续介质本构建模理论,主要用于刻画无黏性散粒型土体的非弹性、非线性及剪胀(剪缩)性等主要应力应变特性。较详细地介绍了该本构理论的起源、发展和本构方程的一般表... 详细信息

亚塑性本构理论是20世纪中晚期发展起来的一类基于有理力学的新型的连续介质本构建模理论,主要用于刻画无黏性散粒型土体的非弹性、非线性及剪胀(剪缩)性等主要应力应变特性。较详细地介绍了该本构理论的起源、发展和本构方程的一般表述形式,并做相应的数学力学特性分析。在对散粒型土体孔隙比与平均压力及孔隙比与体积应变关系分析研究的基础上,扼要介绍了新近发展的亚塑性模型的重要的建模改进思想。结合分析堆石料的主要工程特性,将能够反映当前亚塑性研究水平的Gudehus-Bauer亚塑性模型做适当改进后首次引入到堆石料的本构建模中,并将其应用到一典型混凝土面板堆石坝的应力变形数值分析中。理论分析和算例应用表明,所改进的Gudehus-Bauer亚塑性模型能够合理反映堆石料的非弹性、非线性、剪胀剪缩性等主要应力、应变特性,且具有本构参数适用范围广的优点。

关键词：岩土力学亚塑性本构理论率型孔隙比堆石料本构建模面板堆石坝

超声振动辅助镁合金板拉伸力学行为及本构建模

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塑性工程学报 2020年第12期27卷 170-176页

作者：郑庭坚张丽霞廖娟福州大学机械工程及自动化学院福建福州350116

实施了不同振幅的超声振动辅助AZ31B镁合金板材拉伸试验研究材料的应力-应变关系,分析了超声振动对AZ31B板材力学性能的影响。结果表明,在不同的超声振幅下,超声振动同时具有软化效应和硬化效应。施加超声振动后,材料的流动应力瞬间出... 详细信息

实施了不同振幅的超声振动辅助AZ31B镁合金板材拉伸试验研究材料的应力-应变关系,分析了超声振动对AZ31B板材力学性能的影响。结果表明,在不同的超声振幅下,超声振动同时具有软化效应和硬化效应。施加超声振动后,材料的流动应力瞬间出现不同程度的降低,当振幅增加到5.07μm时,伸长率和抗拉强度增加;当振幅继续增大时,材料的伸长率和抗拉强度下降。基于描述材料微观变形行为的经典本构理论建立了一种混合模型,其预测的镁合金板材拉伸应力-应变曲线与试验结果具有良好的一致性。

关键词：超声振动 AZ31B镁合金力学行为本构建模

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铝合金板材温热介质成形本构建模方法综述

塑性工程学报 2011年第3期18卷 53-60页

作者：刘宝胜郎利辉李慧丽张虎杜平梅北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191

铝合金板材温热介质成形温度跨度大,材料集硬化、软化特征于一体。应力应变曲线表现为3种变化趋势,即单调增、先增再稳态、先增后减。文章结合上述特点,总结了适用于温热介质成形的典型本构模型,并讨论了铝合金温热介质成形的本构建模... 详细信息

铝合金板材温热介质成形温度跨度大,材料集硬化、软化特征于一体。应力应变曲线表现为3种变化趋势,即单调增、先增再稳态、先增后减。文章结合上述特点,总结了适用于温热介质成形的典型本构模型,并讨论了铝合金温热介质成形的本构建模的几种可行方法,即分段模型、线性组合模型、高阶多项式模型、神经网络模型及内变量模型。

关键词：温热成形本构建模应力应变关系

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热处理22MnB5钢的力学响应及本构建模

金属热处理 2021年第12期46卷 193-198页

作者：胡泽豪马洪浩刘君程柳张立强郭鹏程中南林业科技大学机电工程学院湖南长沙410004 国家汽车质量监督检验中心(襄阳) 湖北襄阳441000

22MnB5钢冷轧板材分别在750、850和950℃保温30 min水淬后,进行了应变速率分别为0.0005、0.001、0.01和0.1 s;的室温拉伸试验。结果表明:随着热处理温度的升高,试验钢的微观组织中板条状马氏体含量增加,其屈服强度和抗拉强度也显著提升... 详细信息

22MnB5钢冷轧板材分别在750、850和950℃保温30 min水淬后,进行了应变速率分别为0.0005、0.001、0.01和0.1 s;的室温拉伸试验。结果表明:随着热处理温度的升高,试验钢的微观组织中板条状马氏体含量增加,其屈服强度和抗拉强度也显著提升;随着应变速率的增加,试验钢的屈服强度和抗拉强度呈现先增加后减小的趋势;最后基于Voce本构模型,通过引入Johnson-Cook本构的应变速率项,构建了可以描述22MnB5钢在不同热处理工艺和应变速率下力学行为的本构方程,其相关系数(R)和平均相对误差(AARE)分别为0.993和3.15%。

关键词： 22MnB5钢热处理力学响应本构建模

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爆炸力学数值模拟中本构建模问题的讨论

爆炸与冲击 2003年第2期23卷 97-104页

作者：王礼立宁波大学力学与材料科学研究中心浙江宁波315211

就爆炸力学数值模拟中的本构建模问题的有关内容作了讨论,包括:波传播研究与材料的动态特性研究的相互依赖、容变律与畸变律的解耦与耦合、率型本构关系与失效准则、应变率效应与温度效应的等效性、加载本构关系与卸载本构关系以及流变... 详细信息

就爆炸力学数值模拟中的本构建模问题的有关内容作了讨论,包括:波传播研究与材料的动态特性研究的相互依赖、容变律与畸变律的解耦与耦合、率型本构关系与失效准则、应变率效应与温度效应的等效性、加载本构关系与卸载本构关系以及流变过程与损伤演化过程的耦合等,并展望了今后的有关发展动向。

关键词：爆炸力学本构建模评论数值模拟波传播本构关系高应变率