考虑孔洞分布随机特性的铸铝破坏多尺度研究

发布时间：2020-10-25 23:14

　　 铸造缺陷是铸造行业无法避免和难以解决的问题。由于微缺陷空间分布的随机性,致使材料局部力学行为不均匀;并且材料的力学行为与其应力状态密切相关,因此铸件的变形及破坏分析非常复杂。本文以AlSi9Mn的铸造铝合金构件为研究对象,在试验和数值模拟上使用宏细观结合的方法对铸铝构件开展了多尺度研究,探讨了孔洞形态及分布的随机性对铸造构件在复杂加载条件下破坏过程的影响。主要开展了以下研究:(1)通过对铸铝构件与构件上切割而来的试件进行复杂加载破坏试验及金相分析,揭示了应力状态及孔洞分布的随机性对铸件破坏性能的影响规律。研究考虑了铸造工艺造成的铸件细观随机特性,试件与构件变形行为及破坏形式随加载或试件类型变化、并具有明显的离散性。试验分析表明铸件内部存在不可忽略的微孔洞,且在试件和构件中大小及分布具有随机性,这种随机性是试验结果离散性很大的主要原因。(2)为从材料的微细观结构分析来研究材料宏观力学性能,深入研究了含细观孔洞的正六面体代表性体积单元(RVE),给出了应用方便的RVE宏观Cauchy应力张量和对数应变张量的计算方法,将其嵌入有限元软件成功实现了 RVE任意应力状态下沿不同应力路径的加载,为复杂应力状态和不同应力加载路径下材料的变形和破坏模拟分析奠定了基础。(3)对中心含球形孔洞的RVE进行了大量数值计算,探讨了初始孔洞率、应力三轴度及Lode参数对材料力学行为的影响。基于初始孔洞率、应力三轴度及Lode参数对代表性体积单元宏观力学响应的影响关系,发展了考虑初始孔洞率和应力状态的韧性损伤本构模型,提出了考虑孔洞率和应力状态的材料破坏准则,并编制了包含破坏准则的用户自定义材料子程序。(4)基于铸铝构件和试件的孔洞CT分析结果,使用马尔可夫随机场(Markov Random Field)来描述孔洞形态及分布,编制了孔洞产生过程的模拟程序,发展了一种模拟铸件孔隙度分布生成的随机模型,模型所得结果与铸件在真实铸造过程中所产生的孔洞形态在统计意义上具有共性,可用来描述铸铝构件中的孔洞结构及分布。(5)本文提出的损伤本构模型以孔洞率代替细观模型中的真实孔洞,实现了试件和构件的宏细观模拟。采用随机孔洞模型,将试件和构件不同位置的孔洞率作为材料参数,结合本文提出的破坏准则,建立了考虑孔洞分布随机特性的铸铝宏细观损伤和破坏模拟方法。模拟得到的载荷位移曲线、破坏形式及孔洞分布对模拟结果的影响均与试验结果相一致。
【学位单位】：广西大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG292
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 宏细观模型
    1.3 材料韧性断裂
    1.4 孔洞形态分析及多孔微观机制本构模型
    1.5 本文主要研究内容及意义
第二章 复杂加载下铸铝试件与构件的破坏试验及分析
    2.1 材料与样本
    2.2 试件的破坏试验
        2.2.1 位置的影响
        2.2.2 微结构及应力状态的影响
        2.2.3 平板试件的拉伸与压缩
    2.3 构件的破坏试验
        2.3.1 “Y-Box”试验模型与CAD模型尺寸检查
        2.3.2 “Y-Box”压缩破坏试验
        2.3.3 “Y-Box”弯曲破坏试验
    2.4 试件断口分析
        2.4.1 平板拉伸试件的断口及显微照片
        2.4.2 剪切和缺口拉伸试件的断口及显微照片
    2.5 试件和构件CT扫描及孔洞分析
        2.5.1 试件CT扫描
        2.5.2 构件CT扫描
        2.5.3 孔洞分析
    2.6 本章小结
第三章 复杂应力状态下宏细观模型研究
    3.1 代表性体积单元的概念
    3.2 代表性体积单元的边界条件
        3.2.1 刚性边界条件
        3.2.2 均匀性边界条件
        3.2.3 周期性边界条件
        3.2.4 有限元RVE模型不同边界条件的结果差异——以含单孔RVE为例
    3.3 正六面体模型
        3.3.1 模型的建立方法
        3.3.2 RVE的宏观应力
        3.3.3 RVE的宏观应变
        3.3.4 RVE有限元模型的检验
    3.4 有限元RVE模型沿指定路径加载的研究
        3.4.1 模型的建立方法
        3.4.2 宏观应力的控制
        3.4.3 RVE指定应力路径单调加载的算例
    3.5 循环加载下纯铜圆棒缺口试样颈部的力学响应与微孔演化分析
        3.5.1 试验过程说明
        3.5.2 试样在循环加载下的有限元分析
        3.5.3 用RVE研究缺口颈部中心及边缘区域材料的力学响应及微孔的演化
    3.6 薄壁圆管模型
        3.6.1 模型的建立方法
        3.6.2 结果处理方法及检验
    3.7 本章小结
第四章 韧性断裂损伤破坏本构模型研究
    4.1 基体材料力学参数
        4.1.1 物理参数
        4.1.2 流动和硬化拟合函数的参数
        4.1.3 断裂和损伤参数
    4.2 初始孔洞率对韧性材料的影响
        4.2.1 初始孔洞率对材料弹性常数的影响
        4.2.2 初始孔洞率对流动及硬化的影响
        4.2.3 初始孔洞率对孔洞变化率和断裂准则的影响
    4.3 应力三轴度对韧性材料的影响
        4.3.1 应力三轴度对流动及硬化的影响
        4.3.2 应力三轴度对孔洞变化率和断裂准则的影响
    4.4 Lode参数对韧性材料的影响
        4.4.1 Lode参数对流动及硬化的影响
        4.4.2 Lode参数对孔洞变化率和断裂准则的影响
    4.5 相同应力三轴度和Lode参数在不同主应力方向的RVE分析
    4.6 韧性断裂损伤破坏本构模型及材料子程序
        4.6.1 本构模型
        4.6.2 材料子程序
        4.6.3 本构模型的验证
    4.7 本章小结
第五章 分析孔洞形态及分布的随机方法研究
    5.1 用随机模型来描述孔洞形态
        5.1.1 Markov Random Fields原理
        5.1.2 孔洞形态和Markov Random Field （Ising model）
        5.1.3 从CT图中确定孔洞率及等效孔洞直径
        5.1.4 Monte Carlo方法及程序
    5.2 随机孔洞模型在RVE中的应用
    5.3 铸造模拟孔洞分布与破坏模拟耦合方法
        5.3.1 铸造模拟孔洞分布
        5.3.2 均匀化方法耦合孔洞形态与FEM
    5.4 本章小结
第六章 考虑孔洞分布随机特性的试件与构件数值研究
    6.1 试件的有限元模拟
        6.1.1 试件非均匀性有限元分析
        6.1.2 Markov随机场在拉伸试件有限元模拟中的应用
        6.1.3 Markov随机场在试件有限元模拟中的应用
    6.2 构件的有限元模拟
        6.2.1 构件均匀性有限元分析
        6.2.2 构件非均匀性有限元分析
        6.2.3 Markov随机场在构件有限元模拟中的应用
    6.3 单元尺寸对模拟结果的影响
    6.4 单元类型对模拟结果的影响
    6.5 本章小结
第七章 总结与展望
    7.1 全文总结
    7.2 创新点
    7.3 展望
参考文献
致谢
攻读学位期间参与的科研工作及获奖
攻读学位期间发表论文情况

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 胡桂娟;刘贵龙;苏莹;马迎松;张克实;;金属的后继屈服面研究—单试样与多试样测试[J];固体力学学报;2014年03期

2 吴彦骏;庄新村;赵震;;不同应力状态下45钢断口形貌分析[J];塑性工程学报;2013年03期

3 李星;关志东;刘璐;黎增山;;复合材料跨尺度失效准则及其损伤演化[J];复合材料学报;2013年02期

4 张静;张克实;许凌波;;考虑尺寸效应的多晶金属循环塑性分析[J];固体力学学报;2012年03期

5 朱浩;齐芳娟;张洋;;剪应力状态下6061铝合金的力学性能及断裂行为[J];中国有色金属学报;2012年06期

6 吕丹;朱亮;朱浩;陈剑虹;;不同应力状态下6061铝合金力学性能及断裂行为的研究[J];轻合金加工技术;2010年04期

7 吕毅;吕国志;孙龙生;;基于有限元计算细观力学的RVE库的建立与应用[J];机械强度;2009年05期

8 张丽敏;张克实;石艳柯;;纯铝试样厚度与缺口深度对拉伸破坏的影响[J];广西大学学报(自然科学版);2009年04期

9 贺鹏飞;朱晓玲;潘琼瑶;郑百林;;具有随机分布孔洞材料塑性变形的数值模拟[J];同济大学学报(自然科学版);2008年06期

10 朱浩;朱亮;陈剑虹;;铝合金在三种应力状态下的力学性能研究及断口分析[J];兰州理工大学学报;2006年06期

相关硕士学位论文 前4条

1 李柳;韧性材料缺口试样拉剪破坏研究[D];广西大学;2015年

2 苏莹;铜圆棒缺口试件拉压循环下的疲劳问题研究—模拟与实验分析[D];广西大学;2014年

3 聂义珠;应力状态对材料破坏影响的试验和数值模拟研究[D];广西大学;2008年

4 王达诠;应用RVE均质化方法的砌体非线性分析[D];重庆大学;2002年

本文编号：2856105