基于细观损伤机理的韧性断裂研究

发布时间：2020-02-10 21:39

【摘要】：现代工业迅速发展,促使人们对材料破坏规律不断研究。韧性断裂一般会经历明显的塑性变形,是金属最常见的破坏形式。随着新设计方法的出现,需要深入理解韧性断裂机理并准确预测韧性断裂行为。细观损伤力学研究应力、应变场与材料细观结构之间的相互作用,从材料内部细观缺陷的演化过程揭示裂纹起裂、扩展直至断裂的原因,建立基于断裂机理的损伤模型,是准确预测韧性断裂最有潜力的方法之一。细观损伤模型中,应用最为广泛的Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)多孔质塑性损伤模型存在两个显著的缺陷——不适合剪切主导的破坏模式以及缺少依赖于应力状态和细观结构特征的失效准则。本文结合试验和体胞(代表性体积元)模型计算结果对GTN模型进行修正,并发展相应的数值算法以及损伤参数确定方法,从而使新模型能够准确预测广泛应力状态下的韧性裂纹扩展过程。论文首先进行了微孔洞韧性断裂机理研究。大量文献显示:金属材料的韧性断裂过程中存在着两种依赖于应力状态的细观损伤机理——内部韧带颈缩机理(internalnecking mechanism)和微孔洞剪切机理(void shearing mechanism)。于是,本文采用二维和三维体胞模型进行了细观力学分析,对此加以验证。细观力学分析结果还给出了一系列有关韧性断裂机理影响因素(如初始孔洞体积分数、应力三轴度以及Lode角)的重要结论,并明确显示:(1)上述两种断裂机理分别联系到不同的细观结构参数——孔洞体积分数和孔洞拉长比;(2)建立损伤本构时两种机理需要由不同的损伤参数来表征;(3)有必要建立依赖于应力状态的损伤演化规律和失效准则。其次,进行了微孔洞细观损伤模型研究。(1)在分析了GTN模型及其两种剪切修正(Nahshon-Hutchinson模型和Xue模型)的局限性之后,提出了一种适合广泛应力状态的双损伤变量GTN模型。在屈服函数中采用两个相互独立的损伤变量共同描述材料点的刚度下降及失效过程,并给出了两个损伤变量各自的演化规则。第一个损伤参数仍然是孔洞体积分数,反映拉伸载荷主导情况下由于微孔洞萌生、扩张及随后的内部韧带颈缩引起的体积损伤。新增的剪切损伤参数,反映孔洞拉长、扭曲、旋转及“次级孔洞”在内部剪切带上形核等剪切机理引起的损伤。由于采用了新的应力状态函数,剪切损伤可以在低、负应力三轴度下累积。该模型适用于拉伸、剪切、压缩等多种载荷模式下广泛应力状态中的韧性断裂过程。(2)针对最常见的拉伸型裂纹,基于体胞计算结果建立了宏观等效应变失效准则,并确定出适合2524-T3铝合金的参数。采用建立的准则以及Thomason的塑性极限载荷准则(plastic limit-load criterion)对GTN模型进行扩充,提出了新的多孔质塑性损伤模型——GTN-E模型(以宏观等效应变作为孔洞贯通准则的GTN模型)和GTN-L模型(以塑性极限载荷准则作为孔洞贯通准则的GTN模型)。在这两个模型中,孔洞贯通的起点(失效起点)不再被看作材料常数,而分别由考虑了应力状态和细观结构特征影响的宏观等效应变准则和塑性极限载荷准则自动确定。在材料的弹塑性力学行为研究中,除了建立合理的材料本构之外,另一项非常重要的工作是研究和发展适合材料本构的数值算法。本文以双损伤变量GTN模型为例,详细推导了压力相关型塑性损伤模型(屈服函数中含有静水应力分量的塑性损伤模型)的全隐式数值积分过程;并给出了一种基于图形返回算法的一致性切线模量的显式表达,避免了繁杂的矩阵求逆工作,提高了计算效率。在ABAQUS/Standard及ABAQUS/Explicit中均编写了用户材料子程序实现双损伤变量GTN模型以及GTN-E和GTN-L模型。采用仅含一个单元的有限元模型分别施加拉伸、剪切及压缩边界条件对子程序进行测试,验证了算法的有效性。最后,对上述提出的两类模型分别进行了应用研究。(1)2024-T3铝合金完好试样在多种应力状态中的韧性断裂行为研究。进行了多种应力状态下的静力破坏试验,包含轴对称拉伸、横向平面应变拉伸、轴对称压缩以及薄壁圆筒扭转。采用提出的双损伤变量GTN模型模拟了各试验件的韧性断裂过程,通过与试验得到的位移—载荷曲线、裂纹起始位置、断口形貌的对比研究,验证了该模型的合理性和准确性。(2)2524-T3铝合金薄板中的韧性多裂纹扩展研究。对一系列多裂纹试样在拉伸载荷下进行了扩展、连通试验。采用GTN-E模型和GTN-L模型对多裂纹扩展过程中的载荷—位移曲线及裂纹扩展阻力曲线进行了预测,与试验结果的对比表明,这两种模型能够准确地预测薄板中的拉伸多裂纹扩展行为,有效地评估多裂纹薄板的剩余强度。采用提出的两类模型对2024-T3以及2524-T3铝合金进行数值分析时,均详细地讨论了损伤参数的确定方法,给出了完整的参数确定步骤。
【图文】：

属材料广泛用于航空、航天、船舶、汽车、桥梁、建筑等领域，金属结构的作用下，可能发生各种形式的失效破坏，如变形、断裂、腐蚀、磨损等危害性和破坏性最大。飞机机身、船体、金属桥梁的开裂（如图 1-1 (b),和输油管道中裂纹扩展，压力容器破裂等事故屡见不鲜。断裂可能由多种体分为两类[1]：(1) 载荷及环境的不确定性；(2) 材料内部缺陷、设计不足过程引入损伤等。金属的断裂一般可根据是否经历了明显的塑性变形分为ctile fracture) 和脆性断裂 (brittle fracture)。实际的工程应用中，在满足强下延性较好的材料经常受到人们的青睐。图 1-1 (a) 为韧性金属圆棒在单的典型应力—应变曲线及断口形貌。经过小量的线弹性变形后，材料进入eld stage)，由于应变强化作用，应力达到极限拉伸强度 (ultimate tensile 前，材料呈现出稳定的塑性变形；达到应力峰值后，变形变得不稳定并迅这种断裂称为韧性断裂或延性断裂，是金属最常见的破坏形式。随着大型现，由于上述不可避免的因素，，灾难性断裂事故的数量在急剧增加。实践最大限度地发挥工程结构的潜能，如减轻结构重量，提高工作载荷，延长并同时保证安全。这要求能够准确预测结构的断裂破坏，尤其是韧性断裂

西北工业大学博士学位论文 和 K 具有对应关系：2IIKGE' (1-2IIIIKGE' (1-6 2IIIIII1KGE (1-中，IG ,IIG ,IIIG 分别为 I、II、III 型能量释放率。IK ，IIK ，IIIK 分别为 I、II、应力强度因子。平面应力状态时，E'= E ；平面应变状态时， 2E' = E / 1 ；E式模量； 为泊松比。在 LEFM 中利用CK 和CG 可以直接形成断裂准则，适用于脆性材料。对于许程材料，裂纹尖端存在塑性区，如果塑性区尺寸远远小于裂纹尺寸和试样尺寸，可用阻力曲线进行裂纹扩展分析[34]。将任意裂纹长度下的断裂韧度和临界能量释放率记作RK 和RG ，图 1-2 给出了两类 （或 ）随裂纹长度 a 的变化曲线。
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O346.1


本文编号：2578260