基于有限变形框架的热—力耦合循环本构模型研究

发布时间：2017-05-20 13:14

  本文关键词：基于有限变形框架的热—力耦合循环本构模型研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：航空航天、压力容器、核动力管道及高速铁路等工程领域中,金属材料和结构件通常承受复杂循环载荷作用。变形的循环累积引起的疲劳失效是其最主要的一种失效模式。同时,金属材料的循环塑性变形(尤其是大变形循环塑性变形)过程中塑性功产生的热量会导致材料和结构件的温度持续升高。温度的升高一方面会影响结构件周围热敏元件的正常工作；另一方面会使材料软化,进而产生更多的塑性耗散,热软化和塑性耗散的交互作用会导致非常大的塑性变形,大大加速材料和结构件的疲劳失效。因此,金属材料在循环变形过程中的大变形热-力耦合效应需要在结构设计和寿命预测时予以重点考虑。近几十来,国内外众多学者对金属材料的循环变形行为开展了广泛的实验和理论研究,在材料的本构模型方面取得了很大的进展。然而,绝大部分的本构模型都是都局限在小变形框架和等温条件下,很少考虑复杂加载条件下的大应变及变形过程中的热效应和热-力耦合作用,限制了此类本构模型的预测能力,仍需要大力发展。因此,很有必要开展金属材料在单轴和非比例多轴循环载荷下的热-力耦合变形行为的实验研究,进而建立基于有限变形框架的热-力耦合循环本构模型,并将其移植到有限元软件中。这不仅丰富了固体力学学科的理论研究成果,对工程结构件的可靠性设计和寿命评估中也具有重要的应用价值。为了对金属材料的循环变形特征和变形过程中的热效应产生机制进行系统的研究,并建立基于有限变形框架的热-力耦合循环本构模型,本论文开展了如下研究工作：1.在实验室环境下,对316L不锈钢材料在单轴拉伸载荷、单轴和非比例多轴应变和应力控制循环载荷下的热—力耦合变形行为开展了系统的实验研究。考察了材料的率相关行为、应变幅值相关的循环硬化-软化—硬化特性、Swift效应、应力水平和加载路径对循环变形(包括棘轮变形)的影响以及变形过程中内部热效应形成机制,同时为基于有限变形框架的热-力耦合循环本构模型的建立提供了实验基础。2.基于对数客观率,将小变形框架下的Abdel-Karim-Ohno随动硬化律[1]进行拓展,同时引入各向同性硬化律反映材料的循环软／硬化行为,建立了有限变形框架下的循环塑性模型,并对所建模型进行了有限元实现。所建的有限变形循环塑性模型对大变形剪切下的轴向应力效应、大应变扭转循环过程中的Swift效应及单轴和双轴棘轮行为均能给出合理的模拟和预测,同时为基于有限变形框架的热-力耦合循环本构模型奠定了基础。3.基于热力学定律及对数应力率,首先在有限变形框架下建立了严格自洽的热-力耦合循环本构框架(弹-塑性和弹-粘塑性均适用)；然后在建立的框架下,结合316L不锈钢的实验研究成果建立了热-力耦合弹-粘塑性本构模型。模型中拓展了已建立的有限变形随动硬化律；并采用叠加的各向同性演化方程来反映材料循环硬化-软化-硬化特征；同时在各向同性演化方程中引入了Chaboche提出的塑性应变记忆面[2]以及Tanaka提出的非比例度因子[3]来反映材料循环硬化行为的应变幅值依赖性及非比例附加硬化效应。最后,通过对所建立的热-力耦合循环本构模型的有限元实现,利用有限元方法对316L不锈钢的单调拉伸行为、单轴和和非比例多轴循环变形行为及变形过程中的热效应进行了合理的模拟和预测。
【关键词】：热-力耦合变形 对数应力率 本构模型 循环加载 有限元实现 316L不锈钢
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O347
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第1章 绪论13-23
• 1.1 研究意义13
• 1.2 研究现状13-20
• 1.2.1 小变形循环塑性变形行为的研究13-17
• 1.2.2 有限变形塑性行为的研究17-19
• 1.2.3 热-力耦合变形问题的研究19-20
• 1.3 现有研究工作的不足20-21
• 1.4 本论文的主要研究内容21-22
• 1.5 本论文的主要创新点22-23
• 第2章 316L不锈钢热-力耦合变形行为的实验研究23-43
• 2.1 实验方法23-25
• 2.2 单轴拉伸实验研究25-27
• 2.3 应变控制循环实验研究27-33
• 2.3.1 拉-压对称应变控制循环实验27-32
• 2.3.2 扭转对称应变控制循环实验32-33
• 2.4 应力控制循环实验研究33-38
• 2.4.1 单轴应力控制循环实验33-37
• 2.4.2 多轴应力控制循环实验37-38
• 2.5 本章小结38-43
• 第3章 有限变形循环塑性本构模型研究及其有限元实现43-63
• 3.1 有限变形循环塑性本构模型43-49
• 3.1.1 运动学关系43-44
• 3.1.2 对数应力率44-45
• 3.1.3 主控方程45-46
• 3.1.4 演化方程46-47
• 3.1.5 参数确定方法47-49
• 3.2 本构模型的有限元实现49-56
• 3.2.1 本构方程的离散49-51
• 3.2.2 隐式应力积分51-52
• 3.2.3 非线性标量方程52-54
• 3.2.4 一致切线刚度矩阵54-56
• 3.3 模拟及讨论56-62
• 3.3.1 304不锈钢大变形简单剪切行为的模拟56-57
• 3.3.2 OFHC铜扭转及拉-扭循环变形行为模拟57-60
• 3.3.3 304不锈钢单轴大变形棘轮行为模拟60-62
• 3.4 本章小结62-63
• 第4章 有限变形热-力耦合循环本构模型研究及有限元实现63-85
• 4.1 热-力耦合本构框架63-69
• 4.1.1 热力学关系63-64
• 4.1.2 本构关系64-67
• 4.1.3 热容和应力函数对本构方程的限制67-69
• 4.2 具体的本构方程69-75
• 4.2.1 随动硬化70-72
• 4.2.2 各向同性硬化72-75
• 4.3 有限元实现75-84
• 4.3.1 本构方程的离散75-77
• 4.3.2 隐式应力积分77-78
• 4.3.3 非线性标量方程78-81
• 4.3.4 一致切线刚度矩阵81-84
• 4.4 本章小结84-85
• 第5章 316L不锈钢热-力耦合变形行为的模拟和预测85-108
• 5.1 简化后的随动硬化和各向同性硬化演化方程85-86
• 5.2 材料参数确定86-87
• 5.3 316L不锈钢热-力耦合循环变形行为的模拟和讨论87-103
• 5.3.1 单轴拉伸行为的模拟和预测88-90
• 5.3.2 应变控制循环行为的模拟和预测90-95
• 5.3.3 应力控制循环行为的模拟和预测95-103
• 5.4. 本构模型预言能力的进一步讨论103-106
• 5.4.1 热-力耦合棘轮变形行为的预测104-105
• 5.4.2 缺口圆棒结构热-力耦合变形行为的预测105-106
• 5.5. 本章小结106-108
• 结论108-111
• 致谢111-112
• 参考文献112-122
• 攻读博士学位期间发表的论文122-123

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1 朱一林;基于有限变形框架的热—力耦合循环本构模型研究[D];西南交通大学;2015年

  本文关键词：基于有限变形框架的热—力耦合循环本构模型研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：381717