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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

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成都610031 西南交通大学材料科学与工程学院成都610031

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

弯曲载荷下含半椭圆表面裂纹平板疲劳裂纹扩展试验方法研究

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机械工程学报 2024年

作者：杜开开包陈何广伟西南交通大学应用力学与结构安全四川省重点实验室

基于能量密度等效方法提出了含半椭圆表面裂纹平板三点弯曲试样的等效应力强度因子半解析模型，结合有限元分析获得了裂纹前缘不同位置的应力强度因子分布。通过假设半椭圆表面裂纹的疲劳裂纹扩展路径，由柔度技术建立了预测表面裂纹形... 详细信息

基于能量密度等效方法提出了含半椭圆表面裂纹平板三点弯曲试样的等效应力强度因子半解析模型，结合有限元分析获得了裂纹前缘不同位置的应力强度因子分布。通过假设半椭圆表面裂纹的疲劳裂纹扩展路径，由柔度技术建立了预测表面裂纹形貌尺寸的方法，在疲劳裂纹扩展试验中通过改变应力比勾勒裂纹前缘验证了柔度法的精度。采用SA-508钢完成了不同初始形貌的半椭圆表面裂纹疲劳扩展速率试验，结果表明，疲劳弯曲下的半椭圆表面裂纹倾向于沿路径a/t=1-a/c扩展，即表面裂纹的形状在疲劳扩展中呈现固定的演化趋势，且该特性不受初始裂纹形貌和尺寸的影响。前缘上不同位置的裂纹扩展速率有明显差异，表面点的扩展速率最大，最深点最小，在优先疲劳扩展路径上，裂纹形貌差异对半椭圆表面裂纹的疲劳裂纹扩展速率影响较小，相同位置处的裂纹扩展速率近似相同。

关键词：半椭圆表面裂纹疲劳裂纹扩展应力强度因子能量密度等效方法柔度法

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对围岩-支护共同作用原理的讨论

地下空间与工程学报 2024年第S1期20卷 54-58页

作者：蔡晓枘喻勇西南交通大学力学与航空航天学院成都610031 西南交通大学应用力学与结构安全四川省重点实验室成都610031

围岩-支护共同作用原理在地下工程支护设计以及安全评价中发挥着重要作用,基于该理论的收敛约束法也是目前国际上通用的支护设计方法。但共同作用原理未考虑地下工程先开挖后支护的特点,而是假定开挖与支护在同一瞬间完成。目前已有学... 详细信息

围岩-支护共同作用原理在地下工程支护设计以及安全评价中发挥着重要作用,基于该理论的收敛约束法也是目前国际上通用的支护设计方法。但共同作用原理未考虑地下工程先开挖后支护的特点,而是假定开挖与支护在同一瞬间完成。目前已有学者证明隧道开挖与支护分别符合塑性力学定义的加载和卸载条件,这表明开挖是发生塑性变形的过程,而支护是发生弹性变化的过程。对满足莫尔-库伦屈服准则的圆形隧道进行理论分析,结果表明:由支护产生的围岩位移增量与支护应力成正比,而传统的围岩特性曲线并不符合该规律。使用有限差分数值计算软件FLAC对圆形隧道的开挖与支护进行验证计算,得到支护后围岩位移增量与支护应力的关系符合弹性变形规律。因此,此前广为应用的围岩-支护相互作用原理中的围岩特性曲线在塑性力学理论范畴内并不正确。

关键词：隧道开挖支护围岩-支护共同作用数值模拟

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杨桃启发的仿生星形薄壁结构耐撞性研究

机械强度 2024年第1期46卷 40-47页

作者：孙煜洲杨卓然夏炎蒋晗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

薄壁吸能结构在航空航天和交通运输等领域发挥着重要作用。受具有出色抗压特性的杨桃果实启发,设计了仿生星形薄壁结构。通过有限元仿真、实验和理论分析结构变形和吸能机制,讨论截面形状和几何参数对薄壁结构吸能特性的影响。探究了层... 详细信息

薄壁吸能结构在航空航天和交通运输等领域发挥着重要作用。受具有出色抗压特性的杨桃果实启发,设计了仿生星形薄壁结构。通过有限元仿真、实验和理论分析结构变形和吸能机制,讨论截面形状和几何参数对薄壁结构吸能特性的影响。探究了层级设计与加强筋配置对星形薄壁结构耐撞性的优化效果。结果表明,星形薄壁结构具有规则的渐进折叠变形机制,其比吸能、压溃力效率等耐撞性能大幅优于常见截面的薄壁结构,具有良好的工程应用潜力。

关键词：耐撞性薄壁结构能量吸收有限元仿真结构仿生学

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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

有限平面应变Ⅱ型裂纹尖端幂律塑性应力场全解

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中国科学：物理学、力学、天文学 2024年第4期54卷 146-157页

作者：王志强肖怀荣蔡力勋黄茂波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

针对幂律材料、有限平面应变紧凑拉伸剪切(Compact Tension and Shear,CTS)试样,基于能量密度等效方法可得到CTS试样能量密度中值点的代表性体积单元(Representative Volume Element,RVE)的等效应力解析解,以该应力解作为特征应力因子,... 详细信息

针对幂律材料、有限平面应变紧凑拉伸剪切(Compact Tension and Shear,CTS)试样,基于能量密度等效方法可得到CTS试样能量密度中值点的代表性体积单元(Representative Volume Element,RVE)的等效应力解析解,以该应力解作为特征应力因子,采用表征CTS试样Ⅱ型裂纹尖端应力场的三角特殊函数,提出了描述有限平面应变幂律塑性Ⅱ型裂纹尖端应力场的半解析模型以及用于描述Ⅱ型裂纹尖端扇贝轮廓式等应力线的理论解.本文Ⅱ型裂纹裂尖场模型对平面应变CTS试样裂尖应力场的预测结果与有限元分析结果密切吻合,Ⅱ型裂纹裂尖幂律塑性应力场模型完善了弹塑性断裂力学,并对剪切型断裂安全评价有重要工程意义.

关键词：幂律塑性有限平面 Ⅱ型裂纹半解析模型应力场

粘接层对聚甲基丙烯酸甲酯涂层刮擦破坏的影响及机理分析

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固体力学学报 2024年第1期45卷 88-110页

作者：蔡鸿彬刘天远杨卓然程前蒋晗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

为研究粘接层厚度和粘接强度对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)涂层刮擦破坏的影响,对不同粘接层厚度和粘接强度的PMMA涂层开展了系统的刮擦实验.采用考虑剪切屈服和脆性断裂竞争行为的本构模型描述PMMA的力学行为,进行了PMMA涂层刮擦行为的有... 详细信息

为研究粘接层厚度和粘接强度对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)涂层刮擦破坏的影响,对不同粘接层厚度和粘接强度的PMMA涂层开展了系统的刮擦实验.采用考虑剪切屈服和脆性断裂竞争行为的本构模型描述PMMA的力学行为,进行了PMMA涂层刮擦行为的有限元模拟,揭示了复杂刮擦破坏模式的物理机理.研究结果表明:与零厚度粘接层的涂层相比,有限厚度粘接层的变形使PMMA涂层在刮擦过程中出现局部弯曲,导致刮头下方涂层底部区域形成内部裂纹;具有强粘接强度的粘接层可限制涂层在刮擦过程中的变形,避免刮头前方可能产生的严重屈曲,进而防止涂层底部形成沿厚度方向贯穿涂层的纵向裂纹;增加涂层厚度可以提高涂层在刮擦过程中的抗弯曲和抗屈曲能力,延缓内部裂纹和纵向裂纹的形成.这些发现有助了解和改善PMMA涂层的刮擦性能.

关键词：刮擦聚合物涂层粘接层破坏机理

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基于元胞自动机方法的U71Mn热轧钢轨均匀腐蚀过程模拟

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固体力学学报 2024年第5期 565-575页

作者：孙运来付正鸿胡雅楠刘宇轩温泽峰阚前华应用力学与结构安全四川省重点实验室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西南交通大学

钢轨在服役过程中由于环境腐蚀造成的损伤会直接威胁行车安全.因此，开展钢轨材料的腐蚀损伤定量表征对钢轨的服役可靠性评价具有重要意义.本文首先开展了U71Mn热轧钢轨材料在室温3.5 wt.%NaCl溶液中的均匀腐蚀实验，测量了两种试样直... 详细信息

钢轨在服役过程中由于环境腐蚀造成的损伤会直接威胁行车安全.因此，开展钢轨材料的腐蚀损伤定量表征对钢轨的服役可靠性评价具有重要意义.本文首先开展了U71Mn热轧钢轨材料在室温3.5 wt.%NaCl溶液中的均匀腐蚀实验，测量了两种试样直径随腐蚀时间的变化，根据实验结果对钢轨材料在3.5 wt.%Nacl盐溶液中的腐蚀机理进行分析.然后采用元胞自动机方法建立钢轨材料试样的腐蚀模型，对试样在3.5 wt.%NaCl溶液中的均匀腐蚀行为进行模拟，根据元胞自动机方法模拟得到的腐蚀不同时间后试样直径的变化数据，对腐蚀速率进行量化，建立不同试样直径随腐蚀时间变化的统一预测公式.结果表明，预测结果与实验结果的平均相对误差为8.7%,即采用元胞自动机方法可合理模拟出U71Mn热轧钢轨试样的均匀腐蚀过程.

关键词： U71Mn热轧钢轨均匀腐蚀元胞自动机腐蚀预测

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