金属板材的热力损伤耦合晶体塑性模型及算法研究

发布时间：2023-02-14 08:22

　　提升先进材料的加工与服役性能对发展汽车工业与航空航天事业有着重要的作用。在汽车工业中,铝合金与高强钢因为其优质的比强度而被广泛使用。用于加工制造铝合金和高强钢的温成型技术与热冲压技术,可显著增加汽车结构件的强度并减少回弹效应。在航空工业中,钛合金因为其高比强度、低密度、优质的抗低温和抗高温以及防腐蚀性能,近年来被广泛用于制造超音速飞机的结构件。针对结构件的不同性能需求,探究材料微观结构对于结构性能的影响,是汽车工业与航天航空事业发展的重要组成部分。在材料制造成型和载荷服役的过程中,微观结构是增强材料性能的关键。然而当前的显微技术并不足以捕捉材料在高温时或不同载荷条件下的内部实时力学响应和微观结构的改变。近年来,许多学者采用晶体塑性有限元在晶体学尺度中预测材料的微观结构和热力学响应。本文提出了一个新型的基于物理学基础的晶体塑性模型,并将该模型与位错密度、温度场和损伤机制相耦合,模拟了铝合金与高强钢在不同载荷条件下的力学响应。为了得到钛合金结构件的响应,该晶体塑性模型又与多尺度算法相结合,模拟并预测了材料在微观尺度与宏观尺度下的裂纹萌生位置。本文的主要工作包括:1.采用热激活原理提出了在单...

【文章页数】：151 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
主要符号表
运算符号表
1 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 晶体塑性有限元方法介绍
        1.2.1 晶体塑性有限元的起源
        1.2.2 晶体塑性的发展现状
        1.2.3 多场耦合晶体塑性的发展
    1.3 多尺度方法介绍
        1.3.1 多尺度模拟的实际需求
        1.3.2 材料多尺度计算的发展
    1.4 本文主要研究内容
2 热/力/损伤耦合晶体塑性理论
    2.1 晶体学基础取向表示法
        2.1.1 欧拉角定义
        2.1.2 多晶极图定义
    2.2 晶体变形运动学模型
        2.2.1 小变形模型
        2.2.2 有限变形模型
        2.2.3 基于温度梯度的有限变形模型
        2.2.4 其它有限变形模型
    2.3 晶体塑性动力学模型
        2.3.1 唯象学模型
        2.3.2 基于热激活原理模型
        2.3.3 热耦合损伤模型
    2.4 强化模型
        2.4.1 唯象学强化模型
        2.4.2 基于热与位错密度的强化模型
    2.5 单晶的晶体塑性本构求解
        2.5.1 小变形框架应力更新
        2.5.2 有限变形下基于应变率的显式求解
        2.5.3 有限变形下基于应力的隐式求解
    2.6 本章小结
3 考虑晶体尺度的多尺度方法
    3.1 结合晶体塑性的均匀化方法
        3.1.1 早期均匀化方法
        3.1.2 自洽均匀化方法
        3.1.3 有限元多尺度方法
    3.2 基于特征变形的降阶均匀化方法
        3.2.1 小变形框架下的渐进展开方法
        3.2.2 影响函数与系数张量有限元求解
        3.2.3 降阶均匀化的离散划分
    3.3 本章小结
4 铝合金热变形拉伸模拟
    4.1 有限变形框架下的晶体塑性模型
    4.2 热力拉伸实验介绍
    4.3 塑性参数获取
        4.3.1 6061铝合金塑性参数获取
        4.3.2 单元类型验证
    4.4 模拟分析
        4.4.1 5052铝合金拉伸实验模拟
        4.4.2 7075铝合金参数识别
    4.5 结果讨论
        4.5.1 网格尺寸影响
        4.5.2 微观结构对损伤的影响
    4.6 本章小结
5 高强钢热力响应模拟
    5.1 热力拉伸与剪切实验
    5.2 模拟分析
    5.3 结果讨论
    5.4 本章小结
6 钛合金高温服役性能模拟
    6.1 小变形框架下的晶体塑性模型及多尺度算法
    6.2 钛合金初始微观结构
    6.3 实验探测疲劳裂纹萌生与微观结构的关联性
    6.4 模拟分析裂纹萌生变量
    6.5 模拟结果讨论
    6.6 结构尺度模拟
    6.7 本章小结
7 结论与展望
    7.1 结论
    7.2 创新点摘要
    7.3 展望
参考文献
攻读博士学位期间科研项目及科研成果
致谢
作者简介



本文编号：3742273