GTN模型的算法研究、程序开发及试验验证

发布时间：2017-05-26 22:00

  本文关键词：GTN模型的算法研究、程序开发及试验验证，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：金属材料的韧性断裂过程一般要经历三个阶段,即在一定条件下,微孔洞的逐渐长大、慢慢形核以及最终聚合,这一转变过程导致了材料宏观裂纹的萌生和断裂。1975年,Gurson提出细观模型,后经Tvergaard和Needleman进一步修正,形成GTN细观损伤模型。但原Gurson细观损伤模型没有考虑不连续微孔洞的影响,不能预测孔洞之间的颈缩现象。因此,本文从数值积分算法着手,在原GTN细观损伤模型的基础上引入塑性极限载荷模型,研究材料的损伤演化及断裂失效过程。为了研究高导无氧铜(OFHC)材料在单轴拉伸条件下的断裂破坏过程,本论文进行了如下研究工作:1.基于Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)细观损伤模型的本构理论,根据向后Euler完全隐式积分算法,以及弹性预测-塑性校正方法,离散数值积分公式,更新应力应变关系,详细推导相应的一致切线刚度矩阵,提出数值算法的实现思路。以孔洞聚合时的临界孔隙率cf为桥梁,将塑性极限载荷模型和GTN细观损伤模型相结合。编写大型有限元软件ABAQUS/STANDARD的用户自定义材料子程序UMAT,实现修正的GTN细观损伤模型在有限元环境中的应用。2.利用高导无氧铜(OFHC)材料加工成的光滑和缺口圆棒试样,进行单轴拉伸试验,获取载荷-位移曲线。由光滑圆棒试样得到的真实应力-真实应变曲线,确定杨氏模量、初始屈服应变、屈服极限及强度极限;对于塑性屈服后的硬化部分,采用Ramberg-Osgood硬化准则进行拟合,确定硬化系数以及硬化指数。3.建立缺口圆棒试样的轴对称有限元计算模型,选用八节点轴对称缩减积分单元(CAX8R),采用嵌入了UMAT的ABAQUS软件进行计算。根据前人的研究经验及方法,并结合单轴拉伸试样的试验和数值预测结果,通过综合对比分析,最终确定修正的GTN细观损伤模型损伤参数。4.根据已确定的损伤参数,采用用户自定义材料子程序UMAT,实现修正的GTN细观损伤本构模型在有限元软件ABAQUS环境中的应用。对缺口圆棒试样,进行数值模拟断裂失效预测,预测结果与试验曲线基本吻合,验证了该模型的有效性,该方法的合理性和可行性。5.分析了裂纹萌生点的位置和扩展路线、应力三轴度沿着最小横截面的变化、以及断裂区损伤演化规律。研究结果发现,裂纹萌生点最早产生于缺口试样的中间位置,不久之后,载荷急剧下降;缺口圆棒试样的中间位置应力三轴度最高,而在自由边附近最低。这主要是因为,由于塑性变形的增大,孔洞体积分数也随之增加,当达到塑性极限载荷时,微孔洞开始聚合,孔洞体积分数由f变成f*,并急剧增大,当f*增加到一定程度时,缺口试样中间位置的裂纹开始萌生。裂纹萌生的加快和长大,造成微孔洞的急剧增大,促使载荷快速下降,材料的承载能力降低,当损伤程度积累到材料的极限值时,断裂失效现象产生。
【关键词】：GTN模型 数值算法 损伤断裂 有限元法 OFHC
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG113
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 符号说明11-14
• 第1章 绪论14-21
• 1.1 研究背景及意义14-15
• 1.2 国内外研究现状15-20
• 1.3 本文主要工作20-21
• 第2章 GTN细观损伤模型的基本理论与数值算法实现21-43
• 2.1 引言21
• 2.2 Gurson细观损伤模型21-23
• 2.3 Gurson-Tvergaard-Needleman（GTN）细观损伤模型23-24
• 2.4 塑性各向同性强化模型24-25
• 2.5 塑性极限载荷模型（Plastic Limit-Load Model）25-26
• 2.6 GTN细观损伤本构模型数值算法实现26-42
• 2.6.1 GTN细观损伤模型本构方程离散26-29
• 2.6.2 一致切线刚度矩阵29-38
• 2.6.3 数值算法的实现步骤38-42
• 2.7 小结42-43
• 第3章 缺口试样单轴拉伸试验研究43-53
• 3.1 试验取材及试样设计43-46
• 3.2 试验方法46-47
• 3.3 试验现象47-49
• 3.4 光滑圆棒试验结果49-50
• 3.5 缺口圆棒试验结果50-52
• 3.6 小结52-53
• 第4章 试验结果数值模拟分析53-67
• 4.1 有限元建模53-54
• 4.2 修正的GTN细观损伤模型参数确定54-56
• 4.3 修正的GTN细观损伤模型数值模拟预测56-65
• 4.3.1 缺口试样裂纹萌生预测56-61
• 4.3.2 应力三轴度的变化过程61-63
• 4.3.3 孔洞体积分数f的演化规律63-65
• 4.4 小结65-67
• 第5章 结论与展望67-69
• 5.1 结论67-68
• 5.2 展望68-69
• 附录A69-73
• 参考文献73-76
• 致谢76-78
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果78

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 陈志英;刘林强;董湘怀;;基于不同强化模型的GTN损伤模型及其在板料回弹有限元分析中的应用[J];工程力学;2012年07期

2 ;STOCHASTIC ELASTO-PLASTIC FRACTURE ANALYSIS OF ALUMINUM FOAMS[J];Acta Mechanica Solida Sinica;2009年03期

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 陈志英;冲压成形中破裂和回弹的细观损伤力学分析[D];上海交通大学;2009年

2 周俊;微电子封装中无铅焊料的损伤模型和失效机理研究[D];浙江工业大学;2007年

3 刘德福;光纤连接器端面研磨抛光机理与规律研究[D];中南大学;2008年

中国硕士学位论文全文数据库 前5条

1 王伟;冲击载荷作用下混凝土弹塑性损伤行为数值模拟[D];大连理工大学;2011年

2 史一剑;考虑微观GTN损伤模型的建筑钢材力学性能研究[D];北京交通大学;2013年

3 靳丽莉;基于修正的GTN模型分析韧性材料的细观循环损伤[D];广西大学;2012年

4 刘文涛;考虑混合强化准则的GTN损伤模型[D];北京交通大学;2014年

5 苏超;钢结构厚板力学性能及损伤机理研究[D];北京交通大学;2015年

  本文关键词：GTN模型的算法研究、程序开发及试验验证，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：398180