基于塑性应变记忆恢复的循环棘轮本构模型研究及有限元实现
发布时间：2020-04-17 03:32
【摘要】：棘轮行为指材料在非对称应力循环加载下产生的塑性应变的循环累积现象。工程构件在工作中多会承受非对称应力循环载荷,如压力容器、核反应堆结构、电子封装器件等,棘轮行为将会对这些构件的寿命、结构的可靠性产生影响,因此针对材料棘轮行为建立循环本构模型有重要的工程应用价值,同时也推动了固体力学学科的发展。自上世纪以来,作为固体力学研究的重要方向,国内外学者在棘轮行为实验的基础上建立了诸多本构模型,然而目前提出的循环本构模型均存在各自的优缺点以及局限性,更为合理精确的本构模型仍然有待研究。另外,有限元软件大量应用于工程构件强度校核及变形的模拟,然而有限元软件在材料棘轮应变的预测有明显的缺陷,无法满足工程实际需求,因此有必要将更为成熟合理的本构模型移植到有限元程序中,提高有限元软件预测精度的同时促进棘轮本构模型的发展。本文针对上述问题主要进行了以下工作:在统一粘塑性循环本构理论框架下,以Ohno-Abdel-Karim非线性随动硬化模型为基础,建立了一个循环本构模型。模型通过引入塑性应变幅值记忆效应,并在塑性应变记忆项中加入恢复系数,提高了对循环硬化材料单轴行为的预言能力。多轴模型中通过引入Tanaka提出的非比例度效应,描述多轴加载中因路径不同产生非比例附加硬化,提高模型对多轴棘轮行为预测能力。通过和实验结果的对比,可以发现:本文模型可以合理的描述316L不锈钢的单、多轴棘轮变形,模拟数据均与实验数据吻合较好。针对工程实际应用,本文提出优化棘轮参数的Ohno-Abdel-Karim模型,虽然预测精度低于含塑性应变记忆效应模型,但其具有更为简化的结构,移植有限元软件中利于程序收敛符合工程实际。将模型使用Fortran编写ABAQUS的用户子程序UMAT,有限元模拟结果与实验结果对比表明:本文提出的优化模型提高了有限元软件对材料单轴棘轮行为的模拟精度,同时证实了本构模型有限元移植的成功。
【图文】：
３１６Ｌ不锈钢棒材，分别进行了轴向拉伸，第一组采用恒定应变率２邋Ｘ１０－３，第二组采逡逑用分段变化应变率：４邋Ｘ邋１０—邋３％邋—邋２邋Ｘ邋１0－３邋６0／0邋—邋１邋ｘ邋１（Ｔ２邋９％邋—邋２邋Ｘ邋１０－３邋１２％。两逡逑组单拉曲线如图２．４所示：逡逑逦逦逦逦邋５００邋逦逦逦逦逦逡逑５00邋－逦一逡逑４００邋－逡逑４００邋－逦＾逦＾’逡逑§．逦｜逦３００逦－逡逑％逦３００逦－逦之逦／Ｔ逡逑ｂ逦＼逦％逦２００逦Ｉ逡逑２００逦＾逦＂Ｓ逡逑１００邋．邋１００邋■逡逑Ｑ逦．逦｜逦．逦Ｉ逦■逦Ｉ逦■逦＿逦■逦0邋■逦，邋■逦Ｉ逦１逦＿逦１逡逑０２４６８逦１０逦0逦５逦１０逡逑应变Ｅ，邋％逦应变Ｓ，邋％逡逑（ａ）恒定应变率单轴拉伸逦（ｂ）变速率单轴拉伸逡逑图２．４单轴拉伸的应力－应变曲线逡逑由图２．４可知３１６Ｌ不锈钢呈现出明显的率相关性，因此考虑率相关模型是十分必要的。逡逑２．３．１材料参数的确定逡逑材料参数尤和》通过拟合不同应变率下的单轴拉伸曲线得到［２４］。单轴拉伸试验中逡逑通过拉伸速率的改变得到应力不同而应变相同的两点的数据（？＜，九），（心九），关系逡逑式如下：逡逑Ａａ＝Ｋ（ｐ｛＂邋－邋ｐ｛＂）逦（２．５０）逡逑Ａｅｒ邋＝邋ａＡ—邋ａＢ逦（２．５１）逡逑按此方法提取多个数据点，通过最小二乘法拟合确定参数尤和”逡逑￥和单拉曲线分别由式（２．５１）和式（２．５２）确定
３１６Ｌ不锈钢棒材，分别进行了轴向拉伸，第一组采用恒定应变率２邋Ｘ１０－３，第二组采逡逑用分段变化应变率：４邋Ｘ邋１０—邋３％邋—邋２邋Ｘ邋１0－３邋６0／0邋—邋１邋ｘ邋１（Ｔ２邋９％邋—邋２邋Ｘ邋１０－３邋１２％。两逡逑组单拉曲线如图２．４所示：逡逑逦逦逦逦邋５００邋逦逦逦逦逦逡逑５00邋－逦一逡逑４００邋－逡逑４００邋－逦＾逦＾’逡逑§．逦｜逦３００逦－逡逑％逦３００逦－逦之逦／Ｔ逡逑ｂ逦＼逦％逦２００逦Ｉ逡逑２００逦＾逦＂Ｓ逡逑１００邋．邋１００邋■逡逑Ｑ逦．逦｜逦．逦Ｉ逦■逦Ｉ逦■逦＿逦■逦0邋■逦，邋■逦Ｉ逦１逦＿逦１逡逑０２４６８逦１０逦0逦５逦１０逡逑应变Ｅ，邋％逦应变Ｓ，，邋％逡逑（ａ）恒定应变率单轴拉伸逦（ｂ）变速率单轴拉伸逡逑图２．４单轴拉伸的应力－应变曲线逡逑由图２．４可知３１６Ｌ不锈钢呈现出明显的率相关性，因此考虑率相关模型是十分必要的。逡逑２．３．１材料参数的确定逡逑材料参数尤和》通过拟合不同应变率下的单轴拉伸曲线得到［２４］。单轴拉伸试验中逡逑通过拉伸速率的改变得到应力不同而应变相同的两点的数据（？＜，九），（心九），关系逡逑式如下：逡逑Ａａ＝Ｋ（ｐ｛＂邋－邋ｐ｛＂）逦（２．５０）逡逑Ａｅｒ邋＝邋ａＡ—邋ａＢ逦（２．５１）逡逑按此方法提取多个数据点，通过最小二乘法拟合确定参数尤和”逡逑￥和单拉曲线分别由式（２．５１）和式（２．５２）确定
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG142.71
本文编号：2630401
【图文】：
３１６Ｌ不锈钢棒材，分别进行了轴向拉伸，第一组采用恒定应变率２邋Ｘ１０－３，第二组采逡逑用分段变化应变率：４邋Ｘ邋１０—邋３％邋—邋２邋Ｘ邋１0－３邋６0／0邋—邋１邋ｘ邋１（Ｔ２邋９％邋—邋２邋Ｘ邋１０－３邋１２％。两逡逑组单拉曲线如图２．４所示：逡逑逦逦逦逦邋５００邋逦逦逦逦逦逡逑５00邋－逦一逡逑４００邋－逡逑４００邋－逦＾逦＾’逡逑§．逦｜逦３００逦－逡逑％逦３００逦－逦之逦／Ｔ逡逑ｂ逦＼逦％逦２００逦Ｉ逡逑２００逦＾逦＂Ｓ逡逑１００邋．邋１００邋■逡逑Ｑ逦．逦｜逦．逦Ｉ逦■逦Ｉ逦■逦＿逦■逦0邋■逦，邋■逦Ｉ逦１逦＿逦１逡逑０２４６８逦１０逦0逦５逦１０逡逑应变Ｅ，邋％逦应变Ｓ，邋％逡逑（ａ）恒定应变率单轴拉伸逦（ｂ）变速率单轴拉伸逡逑图２．４单轴拉伸的应力－应变曲线逡逑由图２．４可知３１６Ｌ不锈钢呈现出明显的率相关性，因此考虑率相关模型是十分必要的。逡逑２．３．１材料参数的确定逡逑材料参数尤和》通过拟合不同应变率下的单轴拉伸曲线得到［２４］。单轴拉伸试验中逡逑通过拉伸速率的改变得到应力不同而应变相同的两点的数据（？＜，九），（心九），关系逡逑式如下：逡逑Ａａ＝Ｋ（ｐ｛＂邋－邋ｐ｛＂）逦（２．５０）逡逑Ａｅｒ邋＝邋ａＡ—邋ａＢ逦（２．５１）逡逑按此方法提取多个数据点，通过最小二乘法拟合确定参数尤和”逡逑￥和单拉曲线分别由式（２．５１）和式（２．５２）确定
３１６Ｌ不锈钢棒材，分别进行了轴向拉伸，第一组采用恒定应变率２邋Ｘ１０－３，第二组采逡逑用分段变化应变率：４邋Ｘ邋１０—邋３％邋—邋２邋Ｘ邋１0－３邋６0／0邋—邋１邋ｘ邋１（Ｔ２邋９％邋—邋２邋Ｘ邋１０－３邋１２％。两逡逑组单拉曲线如图２．４所示：逡逑逦逦逦逦邋５００邋逦逦逦逦逦逡逑５00邋－逦一逡逑４００邋－逡逑４００邋－逦＾逦＾’逡逑§．逦｜逦３００逦－逡逑％逦３００逦－逦之逦／Ｔ逡逑ｂ逦＼逦％逦２００逦Ｉ逡逑２００逦＾逦＂Ｓ逡逑１００邋．邋１００邋■逡逑Ｑ逦．逦｜逦．逦Ｉ逦■逦Ｉ逦■逦＿逦■逦0邋■逦，邋■逦Ｉ逦１逦＿逦１逡逑０２４６８逦１０逦0逦５逦１０逡逑应变Ｅ，邋％逦应变Ｓ，，邋％逡逑（ａ）恒定应变率单轴拉伸逦（ｂ）变速率单轴拉伸逡逑图２．４单轴拉伸的应力－应变曲线逡逑由图２．４可知３１６Ｌ不锈钢呈现出明显的率相关性，因此考虑率相关模型是十分必要的。逡逑２．３．１材料参数的确定逡逑材料参数尤和》通过拟合不同应变率下的单轴拉伸曲线得到［２４］。单轴拉伸试验中逡逑通过拉伸速率的改变得到应力不同而应变相同的两点的数据（？＜，九），（心九），关系逡逑式如下：逡逑Ａａ＝Ｋ（ｐ｛＂邋－邋ｐ｛＂）逦（２．５０）逡逑Ａｅｒ邋＝邋ａＡ—邋ａＢ逦（２．５１）逡逑按此方法提取多个数据点，通过最小二乘法拟合确定参数尤和”逡逑￥和单拉曲线分别由式（２．５１）和式（２．５２）确定
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG142.71
【参考文献】
相关期刊论文 前5条
1 康国政;高庆;;棘轮行为及其本构模型和工程应用的研究进展[J];应用力学学报;2008年03期
2 张娟;高庆;康国政;刘宇杰;;304不锈钢高温非比例多轴应变循环变形行为研究[J];核动力工程;2006年04期
3 田涛,陈旭,安柯;1Cr18Ni9Ti不锈钢多轴棘轮效应试验研究[J];机械工程材料;2002年01期
4 康国政,高庆,蔡力勋,杨显杰,孙亚芳;304不锈钢非比例循环棘轮行为的实验研究[J];金属学报;2000年05期
5 杨显杰,高庆,蔡力勋;紫铜的循环棘轮行为研究[J];西南交通大学学报;1997年06期
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1 董亚伟;多晶金属棘轮行为的微观机理及相关本构模型研究[D];西南交通大学;2014年
本文编号：2630401
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