【摘要】：現(xiàn)代工業(yè)迅速發(fā)展,促使人們對材料破壞規(guī)律不斷研究。韌性斷裂一般會經(jīng)歷明顯的塑性變形,是金屬最常見的破壞形式。隨著新設(shè)計方法的出現(xiàn),需要深入理解韌性斷裂機理并準確預(yù)測韌性斷裂行為。細觀損傷力學(xué)研究應(yīng)力、應(yīng)變場與材料細觀結(jié)構(gòu)之間的相互作用,從材料內(nèi)部細觀缺陷的演化過程揭示裂紋起裂、擴展直至斷裂的原因,建立基于斷裂機理的損傷模型,是準確預(yù)測韌性斷裂最有潛力的方法之一。細觀損傷模型中,應(yīng)用最為廣泛的Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)多孔質(zhì)塑性損傷模型存在兩個顯著的缺陷——不適合剪切主導(dǎo)的破壞模式以及缺少依賴于應(yīng)力狀態(tài)和細觀結(jié)構(gòu)特征的失效準則。本文結(jié)合試驗和體胞(代表性體積元)模型計算結(jié)果對GTN模型進行修正,并發(fā)展相應(yīng)的數(shù)值算法以及損傷參數(shù)確定方法,從而使新模型能夠準確預(yù)測廣泛應(yīng)力狀態(tài)下的韌性裂紋擴展過程。論文首先進行了微孔洞韌性斷裂機理研究。大量文獻顯示:金屬材料的韌性斷裂過程中存在著兩種依賴于應(yīng)力狀態(tài)的細觀損傷機理——內(nèi)部韌帶頸縮機理(internalnecking mechanism)和微孔洞剪切機理(void shearing mechanism)。于是,本文采用二維和三維體胞模型進行了細觀力學(xué)分析,對此加以驗證。細觀力學(xué)分析結(jié)果還給出了一系列有關(guān)韌性斷裂機理影響因素(如初始孔洞體積分數(shù)、應(yīng)力三軸度以及Lode角)的重要結(jié)論,并明確顯示:(1)上述兩種斷裂機理分別聯(lián)系到不同的細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)——孔洞體積分數(shù)和孔洞拉長比;(2)建立損傷本構(gòu)時兩種機理需要由不同的損傷參數(shù)來表征;(3)有必要建立依賴于應(yīng)力狀態(tài)的損傷演化規(guī)律和失效準則。其次,進行了微孔洞細觀損傷模型研究。(1)在分析了GTN模型及其兩種剪切修正(Nahshon-Hutchinson模型和Xue模型)的局限性之后,提出了一種適合廣泛應(yīng)力狀態(tài)的雙損傷變量GTN模型。在屈服函數(shù)中采用兩個相互獨立的損傷變量共同描述材料點的剛度下降及失效過程,并給出了兩個損傷變量各自的演化規(guī)則。第一個損傷參數(shù)仍然是孔洞體積分數(shù),反映拉伸載荷主導(dǎo)情況下由于微孔洞萌生、擴張及隨后的內(nèi)部韌帶頸縮引起的體積損傷。新增的剪切損傷參數(shù),反映孔洞拉長、扭曲、旋轉(zhuǎn)及“次級孔洞”在內(nèi)部剪切帶上形核等剪切機理引起的損傷。由于采用了新的應(yīng)力狀態(tài)函數(shù),剪切損傷可以在低、負應(yīng)力三軸度下累積。該模型適用于拉伸、剪切、壓縮等多種載荷模式下廣泛應(yīng)力狀態(tài)中的韌性斷裂過程。(2)針對最常見的拉伸型裂紋,基于體胞計算結(jié)果建立了宏觀等效應(yīng)變失效準則,并確定出適合2524-T3鋁合金的參數(shù)。采用建立的準則以及Thomason的塑性極限載荷準則(plastic limit-load criterion)對GTN模型進行擴充,提出了新的多孔質(zhì)塑性損傷模型——GTN-E模型(以宏觀等效應(yīng)變作為孔洞貫通準則的GTN模型)和GTN-L模型(以塑性極限載荷準則作為孔洞貫通準則的GTN模型)。在這兩個模型中,孔洞貫通的起點(失效起點)不再被看作材料常數(shù),而分別由考慮了應(yīng)力狀態(tài)和細觀結(jié)構(gòu)特征影響的宏觀等效應(yīng)變準則和塑性極限載荷準則自動確定。在材料的彈塑性力學(xué)行為研究中,除了建立合理的材料本構(gòu)之外,另一項非常重要的工作是研究和發(fā)展適合材料本構(gòu)的數(shù)值算法。本文以雙損傷變量GTN模型為例,詳細推導(dǎo)了壓力相關(guān)型塑性損傷模型(屈服函數(shù)中含有靜水應(yīng)力分量的塑性損傷模型)的全隱式數(shù)值積分過程;并給出了一種基于圖形返回算法的一致性切線模量的顯式表達,避免了繁雜的矩陣求逆工作,提高了計算效率。在ABAQUS/Standard及ABAQUS/Explicit中均編寫了用戶材料子程序?qū)崿F(xiàn)雙損傷變量GTN模型以及GTN-E和GTN-L模型。采用僅含一個單元的有限元模型分別施加拉伸、剪切及壓縮邊界條件對子程序進行測試,驗證了算法的有效性。最后,對上述提出的兩類模型分別進行了應(yīng)用研究。(1)2024-T3鋁合金完好試樣在多種應(yīng)力狀態(tài)中的韌性斷裂行為研究。進行了多種應(yīng)力狀態(tài)下的靜力破壞試驗,包含軸對稱拉伸、橫向平面應(yīng)變拉伸、軸對稱壓縮以及薄壁圓筒扭轉(zhuǎn)。采用提出的雙損傷變量GTN模型模擬了各試驗件的韌性斷裂過程,通過與試驗得到的位移—載荷曲線、裂紋起始位置、斷口形貌的對比研究,驗證了該模型的合理性和準確性。(2)2524-T3鋁合金薄板中的韌性多裂紋擴展研究。對一系列多裂紋試樣在拉伸載荷下進行了擴展、連通試驗。采用GTN-E模型和GTN-L模型對多裂紋擴展過程中的載荷—位移曲線及裂紋擴展阻力曲線進行了預(yù)測,與試驗結(jié)果的對比表明,這兩種模型能夠準確地預(yù)測薄板中的拉伸多裂紋擴展行為,有效地評估多裂紋薄板的剩余強度。采用提出的兩類模型對2024-T3以及2524-T3鋁合金進行數(shù)值分析時,均詳細地討論了損傷參數(shù)的確定方法,給出了完整的參數(shù)確定步驟。
【圖文】：

屬材料廣泛用于航空、航天、船舶、汽車、橋梁、建筑等領(lǐng)域，金屬結(jié)構(gòu)的作用下，可能發(fā)生各種形式的失效破壞，如變形、斷裂、腐蝕、磨損等危害性和破壞性最大。飛機機身、船體、金屬橋梁的開裂（如圖 1-1 (b),和輸油管道中裂紋擴展，壓力容器破裂等事故屢見不鮮。斷裂可能由多種體分為兩類[1]：(1) 載荷及環(huán)境的不確定性；(2) 材料內(nèi)部缺陷、設(shè)計不足過程引入損傷等。金屬的斷裂一般可根據(jù)是否經(jīng)歷了明顯的塑性變形分為ctile fracture) 和脆性斷裂 (brittle fracture)。實際的工程應(yīng)用中，在滿足強下延性較好的材料經(jīng)常受到人們的青睞。圖 1-1 (a) 為韌性金屬圓棒在單的典型應(yīng)力—應(yīng)變曲線及斷口形貌。經(jīng)過小量的線彈性變形后，材料進入eld stage)，由于應(yīng)變強化作用，應(yīng)力達到極限拉伸強度 (ultimate tensile 前，材料呈現(xiàn)出穩(wěn)定的塑性變形；達到應(yīng)力峰值后，變形變得不穩(wěn)定并迅這種斷裂稱為韌性斷裂或延性斷裂，是金屬最常見的破壞形式。隨著大型現(xiàn)，由于上述不可避免的因素，，災(zāi)難性斷裂事故的數(shù)量在急劇增加。實踐最大限度地發(fā)揮工程結(jié)構(gòu)的潛能，如減輕結(jié)構(gòu)重量，提高工作載荷，延長并同時保證安全。這要求能夠準確預(yù)測結(jié)構(gòu)的斷裂破壞，尤其是韌性斷裂

西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文 和 K 具有對應(yīng)關(guān)系：2IIKGE' (1-2IIIIKGE' (1-6 2IIIIII1KGE (1-中，IG ,IIG ,IIIG 分別為 I、II、III 型能量釋放率。IK ，IIK ，IIIK 分別為 I、II、應(yīng)力強度因子。平面應(yīng)力狀態(tài)時，E'= E ；平面應(yīng)變狀態(tài)時， 2E' = E / 1 ；E式模量； 為泊松比。在 LEFM 中利用CK 和CG 可以直接形成斷裂準則，適用于脆性材料。對于許程材料，裂紋尖端存在塑性區(qū)，如果塑性區(qū)尺寸遠遠小于裂紋尺寸和試樣尺寸，可用阻力曲線進行裂紋擴展分析[34]。將任意裂紋長度下的斷裂韌度和臨界能量釋放率記作RK 和RG ，圖 1-2 給出了兩類 （或 ）隨裂紋長度 a 的變化曲線。
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O346.1


本文編號：2578260