鑄造缺陷是鑄造行業(yè)無(wú)法避免和難以解決的問(wèn)題。由于微缺陷空間分布的隨機(jī)性,致使材料局部力學(xué)行為不均勻;并且材料的力學(xué)行為與其應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān),因此鑄件的變形及破壞分析非常復(fù)雜。本文以AlSi9Mn的鑄造鋁合金構(gòu)件為研究對(duì)象,在試驗(yàn)和數(shù)值模擬上使用宏細(xì)觀結(jié)合的方法對(duì)鑄鋁構(gòu)件開(kāi)展了多尺度研究,探討了孔洞形態(tài)及分布的隨機(jī)性對(duì)鑄造構(gòu)件在復(fù)雜加載條件下破壞過(guò)程的影響。主要開(kāi)展了以下研究:(1)通過(guò)對(duì)鑄鋁構(gòu)件與構(gòu)件上切割而來(lái)的試件進(jìn)行復(fù)雜加載破壞試驗(yàn)及金相分析,揭示了應(yīng)力狀態(tài)及孔洞分布的隨機(jī)性對(duì)鑄件破壞性能的影響規(guī)律。研究考慮了鑄造工藝造成的鑄件細(xì)觀隨機(jī)特性,試件與構(gòu)件變形行為及破壞形式隨加載或試件類型變化、并具有明顯的離散性。試驗(yàn)分析表明鑄件內(nèi)部存在不可忽略的微孔洞,且在試件和構(gòu)件中大小及分布具有隨機(jī)性,這種隨機(jī)性是試驗(yàn)結(jié)果離散性很大的主要原因。(2)為從材料的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析來(lái)研究材料宏觀力學(xué)性能,深入研究了含細(xì)觀孔洞的正六面體代表性體積單元(RVE),給出了應(yīng)用方便的RVE宏觀Cauchy應(yīng)力張量和對(duì)數(shù)應(yīng)變張量的計(jì)算方法,將其嵌入有限元軟件成功實(shí)現(xiàn)了 RVE任意應(yīng)力狀態(tài)下沿不同應(yīng)力路徑的加載,為復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)和不同應(yīng)力加載路徑下材料的變形和破壞模擬分析奠定了基礎(chǔ)。(3)對(duì)中心含球形孔洞的RVE進(jìn)行了大量數(shù)值計(jì)算,探討了初始孔洞率、應(yīng)力三軸度及Lode參數(shù)對(duì)材料力學(xué)行為的影響�；诔跏伎锥绰�、應(yīng)力三軸度及Lode參數(shù)對(duì)代表性體積單元宏觀力學(xué)響應(yīng)的影響關(guān)系,發(fā)展了考慮初始孔洞率和應(yīng)力狀態(tài)的韌性損傷本構(gòu)模型,提出了考慮孔洞率和應(yīng)力狀態(tài)的材料破壞準(zhǔn)則,并編制了包含破壞準(zhǔn)則的用戶自定義材料子程序。(4)基于鑄鋁構(gòu)件和試件的孔洞CT分析結(jié)果,使用馬爾可夫隨機(jī)場(chǎng)(Markov Random Field)來(lái)描述孔洞形態(tài)及分布,編制了孔洞產(chǎn)生過(guò)程的模擬程序,發(fā)展了一種模擬鑄件孔隙度分布生成的隨機(jī)模型,模型所得結(jié)果與鑄件在真實(shí)鑄造過(guò)程中所產(chǎn)生的孔洞形態(tài)在統(tǒng)計(jì)意義上具有共性,可用來(lái)描述鑄鋁構(gòu)件中的孔洞結(jié)構(gòu)及分布。(5)本文提出的損傷本構(gòu)模型以孔洞率代替細(xì)觀模型中的真實(shí)孔洞,實(shí)現(xiàn)了試件和構(gòu)件的宏細(xì)觀模擬。采用隨機(jī)孔洞模型,將試件和構(gòu)件不同位置的孔洞率作為材料參數(shù),結(jié)合本文提出的破壞準(zhǔn)則,建立了考慮孔洞分布隨機(jī)特性的鑄鋁宏細(xì)觀損傷和破壞模擬方法。模擬得到的載荷位移曲線、破壞形式及孔洞分布對(duì)模擬結(jié)果的影響均與試驗(yàn)結(jié)果相一致。
【學(xué)位單位】：廣西大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG292
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 研究背景
    1.2 宏細(xì)觀模型
    1.3 材料韌性斷裂
    1.4 孔洞形態(tài)分析及多孔微觀機(jī)制本構(gòu)模型
    1.5 本文主要研究?jī)?nèi)容及意義
第二章 復(fù)雜加載下鑄鋁試件與構(gòu)件的破壞試驗(yàn)及分析
    2.1 材料與樣本
    2.2 試件的破壞試驗(yàn)
        2.2.1 位置的影響
        2.2.2 微結(jié)構(gòu)及應(yīng)力狀態(tài)的影響
        2.2.3 平板試件的拉伸與壓縮
    2.3 構(gòu)件的破壞試驗(yàn)
        2.3.1 “Y-Box”試驗(yàn)?zāi)Ｐ团cCAD模型尺寸檢查
        2.3.2 “Y-Box”壓縮破壞試驗(yàn)
        2.3.3 “Y-Box”彎曲破壞試驗(yàn)
    2.4 試件斷口分析
        2.4.1 平板拉伸試件的斷口及顯微照片
        2.4.2 剪切和缺口拉伸試件的斷口及顯微照片
    2.5 試件和構(gòu)件CT掃描及孔洞分析
        2.5.1 試件CT掃描
        2.5.2 構(gòu)件CT掃描
        2.5.3 孔洞分析
    2.6 本章小結(jié)
第三章 復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下宏細(xì)觀模型研究
    3.1 代表性體積單元的概念
    3.2 代表性體積單元的邊界條件
        3.2.1 剛性邊界條件
        3.2.2 均勻性邊界條件
        3.2.3 周期性邊界條件
        3.2.4 有限元RVE模型不同邊界條件的結(jié)果差異——以含單孔R(shí)VE為例
    3.3 正六面體模型
        3.3.1 模型的建立方法
        3.3.2 RVE的宏觀應(yīng)力
        3.3.3 RVE的宏觀應(yīng)變
        3.3.4 RVE有限元模型的檢驗(yàn)
    3.4 有限元RVE模型沿指定路徑加載的研究
        3.4.1 模型的建立方法
        3.4.2 宏觀應(yīng)力的控制
        3.4.3 RVE指定應(yīng)力路徑單調(diào)加載的算例
    3.5 循環(huán)加載下純銅圓棒缺口試樣頸部的力學(xué)響應(yīng)與微孔演化分析
        3.5.1 試驗(yàn)過(guò)程說(shuō)明
        3.5.2 試樣在循環(huán)加載下的有限元分析
        3.5.3 用RVE研究缺口頸部中心及邊緣區(qū)域材料的力學(xué)響應(yīng)及微孔的演化
    3.6 薄壁圓管模型
        3.6.1 模型的建立方法
        3.6.2 結(jié)果處理方法及檢驗(yàn)
    3.7 本章小結(jié)
第四章 韌性斷裂損傷破壞本構(gòu)模型研究
    4.1 基體材料力學(xué)參數(shù)
        4.1.1 物理參數(shù)
        4.1.2 流動(dòng)和硬化擬合函數(shù)的參數(shù)
        4.1.3 斷裂和損傷參數(shù)
    4.2 初始孔洞率對(duì)韌性材料的影響
        4.2.1 初始孔洞率對(duì)材料彈性常數(shù)的影響
        4.2.2 初始孔洞率對(duì)流動(dòng)及硬化的影響
        4.2.3 初始孔洞率對(duì)孔洞變化率和斷裂準(zhǔn)則的影響
    4.3 應(yīng)力三軸度對(duì)韌性材料的影響
        4.3.1 應(yīng)力三軸度對(duì)流動(dòng)及硬化的影響
        4.3.2 應(yīng)力三軸度對(duì)孔洞變化率和斷裂準(zhǔn)則的影響
    4.4 Lode參數(shù)對(duì)韌性材料的影響
        4.4.1 Lode參數(shù)對(duì)流動(dòng)及硬化的影響
        4.4.2 Lode參數(shù)對(duì)孔洞變化率和斷裂準(zhǔn)則的影響
    4.5 相同應(yīng)力三軸度和Lode參數(shù)在不同主應(yīng)力方向的RVE分析
    4.6 韌性斷裂損傷破壞本構(gòu)模型及材料子程序
        4.6.1 本構(gòu)模型
        4.6.2 材料子程序
        4.6.3 本構(gòu)模型的驗(yàn)證
    4.7 本章小結(jié)
第五章 分析孔洞形態(tài)及分布的隨機(jī)方法研究
    5.1 用隨機(jī)模型來(lái)描述孔洞形態(tài)
        5.1.1 Markov Random Fields原理
        5.1.2 孔洞形態(tài)和Markov Random Field （Ising model）
        5.1.3 從CT圖中確定孔洞率及等效孔洞直徑
        5.1.4 Monte Carlo方法及程序
    5.2 隨機(jī)孔洞模型在RVE中的應(yīng)用
    5.3 鑄造模擬孔洞分布與破壞模擬耦合方法
        5.3.1 鑄造模擬孔洞分布
        5.3.2 均勻化方法耦合孔洞形態(tài)與FEM
    5.4 本章小結(jié)
第六章 考慮孔洞分布隨機(jī)特性的試件與構(gòu)件數(shù)值研究
    6.1 試件的有限元模擬
        6.1.1 試件非均勻性有限元分析
        6.1.2 Markov隨機(jī)場(chǎng)在拉伸試件有限元模擬中的應(yīng)用
        6.1.3 Markov隨機(jī)場(chǎng)在試件有限元模擬中的應(yīng)用
    6.2 構(gòu)件的有限元模擬
        6.2.1 構(gòu)件均勻性有限元分析
        6.2.2 構(gòu)件非均勻性有限元分析
        6.2.3 Markov隨機(jī)場(chǎng)在構(gòu)件有限元模擬中的應(yīng)用
    6.3 單元尺寸對(duì)模擬結(jié)果的影響
    6.4 單元類型對(duì)模擬結(jié)果的影響
    6.5 本章小結(jié)
第七章 總結(jié)與展望
    7.1 全文總結(jié)
    7.2 創(chuàng)新點(diǎn)
    7.3 展望
參考文獻(xiàn)
致謝
攻讀學(xué)位期間參與的科研工作及獲獎(jiǎng)
攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文情況

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2856105