惯性对多孔金属材料动态力学行为的影响

 对泡沫金属材料的力学性能已经进行了十分广泛的研究,但在对泡沫金属的应变率效应和惯性效应的研究中,尚存在一些矛盾的结论。为进一步认清惯性在多孔金属动态响应中的作用,用有限元计算方法模拟了二维Voronoi蜂窝的动态压缩行为,得到了不同速度下Voronoi蜂窝的3种变形模式。通过改变基体材料的密度和冲击速度进行“数值实验”,得到了相应“试件”的由冲击面和支撑面得到的宏观平均应力应变曲线和平台应力。根据数值模拟的结果,着重分析了惯性效应的影响。研究发现,惯性并不影响蜂窝的应力应变曲线,但它导致试件中宏观变形不均匀,是平台应力提高的主要原因。     

惯性及弹塑性效应对延性金属材料层裂损伤的影响

本文以空心球壳模型为基础,在飞片加载条件下,讨论了惯性、弹塑性效应以及初始孔洞大小对材料层裂损伤的影响.分析结果表明,在研究材料层裂损伤问题时,惯性、弹塑性效应以及初始孔洞大小的影响是不能忽略的,特别是初始孔洞大小的影响.同时,鉴于初始孔洞大小的重要影响,本文尝试给出了一个分析初始孔洞尺寸的方法. 关键词： 层裂损伤 惯性 弹塑性效应 初始孔洞     

基于温度与应变率相互耦合的泡沫铝本构关系

根据分离式Hopkinson压杆实验以及准静态实验得到的泡沫铝材料在不同温度以及不同应变率下的应力-应变曲线,分析了泡沫铝本构方程中温度效应与应变率效应之间的耦合关系,即温度越高,泡沫铝的应变率效应越显著。基于Sherwood和Frost提出的泡沫材料本构关系框架,对常温下的应变率敏感系数进行了温度项修正,修正后的本构方程在高温高应变率下与实验结果具有较好的一致性。最终得到泡沫铝在一定密度范围内包含温度项、应变率项较为完备的本构方程。     

基于微孔洞长大惯性机制的动态拉伸断裂模型构建

 采用圆柱体胞模型分析方法,对球形微孔洞在不同加载应变率条件下的动力学响应行为进行了有限元分析,计算结果表明：在微孔洞稳定增长阶段,惯性对微孔洞的快速增长起着关键性作用,其它因素的影响基本可以忽略,微孔洞半径增长率与平均应力的平方根成正比。提出了一个微孔洞增长惯性机制的损伤度演化方程,结合逾渗软化函数描述微孔洞聚集行为,从而构建了一个新的动态拉伸断裂模型,并通过自定义材料模型子程序,把断裂模型嵌入LS-DYNA程序中,对无氧铜平板撞击层裂实验进行了数值模拟研究,计算结果与实验结果的比较令人满意,初步检验了新模型的实用性。     

率温联合条件下混凝土材料压缩强度的变化规律

混凝土材料的动态压缩强度不仅具有明显的应变率强化(硬化)效应,同时还具有明显的温度弱化(软化)效应。在应变率和温度联合条件下,压缩强度随应变率和温度变化过程中不仅存在清晰的应变率拐折点,拐折点前后压缩强度随应变率变化速率明显不同,而且在不同温度下发生拐折时,其拐折点对应的应变率也存在明显差异。参考近年来相关文献中混凝土材料在率温联合条件下的压缩实验数据,结合理论分析,探讨了在不同温度、不同应变率条件下混凝土材料压缩强度联合效应因子K的变化规律;并对实验数据进行拟合,得到了不同应变率、不同温度下K(T)-■的预测表达式,确定了应变率强化和温度弱化对压缩强度的耦合影响;通过分析应变率拐折点与温度的关系,确定了应变率和温度联合条件下应变率敏感区和不敏感区的率温联合条件界限;建立了率温效应相当(K=1)时的率温等效方程,并确定了混凝土材料的率温等效参数。     

高应变率拉伸下纯铝中氦泡长大的动力学研究

 分析了高应变率加载下纯铝中氦泡长大的动力学过程，给出了含内压氦泡长大的动力学方程，并且分别研究了氦泡内压、基体材料惯性、粘性、表面张力以及基体环境温度对初始半径为1 nm氦泡长大的影响。研究结果表明：（1）初始内压可以促使氦泡快速长大，当氦泡直径超过1 μm时，内压对氦泡长大的影响可以忽略不计。（2）表面张力在氦泡整个长大过程中的影响都很小。（3）材料惯性对氦泡长大起抑制作用，并且随着氦泡半径的增长，抑制效应越来越明显。（4）在所有因素中，温度对氦泡长大的影响最为明显，温度升高，材料的粘性降低，氦泡的内压增加，促使氦泡加速长大。     

混凝土类材料在SHPB实验中惯性效应的数值模拟研究（英文）

分离式霍普金森压杆(SHPB)被广泛应用于测试混凝土类材料在高应变率(10~103 s-1)下的动态增强效应。为更好地理解这类问题,进行了数值模拟研究,采用J2本构模型研究SHPB试验中的纵向惯性效应,线性Drucker-Prager模型研究SHPB试验中的径向惯性效应。研究结果表明:纵向惯性效应不影响动态增强因子;径向惯性效应对动态增强因子有影响,但不是混凝土类材料在高应变率下动态增强因子提高的最主要原因。     

高压、高应变率与低压、高应变率实验的本构关联性

 指出Johnson-Cook（J-C）、Zerilli-Armstrong（Z-A）、Bodner-Parton（B-P）本构方程在一定条件下的适用性,表明对于低压、高应变率实验,单一曲线假定似乎可以采用。通过等效应力、等效应变,可以将不同应力状态下的流动应力函数采用统一的方程描述。然而,这些本构方程的确立,并不包括平面冲击波实验。对适合于平面冲击波实验的Steinberg-Cochran-Guinan（SCG）本构方程,讨论了其方程中所包含的高压与高应变率耦合效应。指出,以剪切模量度量的流动应力具有应变率相关性。基于温度效应的新发现以及直接测量平面冲击波流动应力的新进展,分别用J-C本构及SCG本构方程估算了钨材料在高压、高应变率加载下的流动应力。结果表明,采用J-C本构估算的流动应力仅在压力为10 GPa以下才能与实验数据相近,当压力高于10 GPa时,流动应力只能采用SCG本构估算。也指出了高压、高应变率本构方程与低压、高应变率本构方程所对应的不同物理背景。     

强冲击载荷下含杂质的纯铝中微孔洞长大的动力学行为

采用LS-DYNA瞬态动力学有限元程序,对平板撞击加载下含初始杂质的纯铝样品中微孔洞的成核与长大进行了数值模拟。结果表明:微孔洞首先在杂质与基体的边界处成核,随后在局部严重塑性变形驱动下快速线性增长;微孔洞半径的增长速率与冲击加载强度两者之间近似成线性关系;材料屈服强度和初始杂质的大小对微孔洞相对的增长速率有明显的影响;当微孔洞长大阈值取屈服强度的3.5倍时,数值仿真结果与理论分析结果基本一致,这有助于进一步认识孔洞长大的动力学行为。     

退火铝合金中Portevin-Le Chatelier效应的数值模拟研究

通过综合考虑沉淀动力学和动态应变时效机理，建立了一套具有明确物理内涵的唯象本构模型.并在对不同加载应变率下的单轴拉伸实验的数值模拟中，得到了3种类型的Portevin-Le Chatelier效应应力曲线.计算结果与实验数据的较好吻合，验证了该模型的有效性. 关键词： Portevin-Le Chatelier效应 动态应变时效 数值模拟     

高纯铜初始层裂的微损伤特性研究

本文对平面冲击加载下高纯铜初始层裂的微损伤特性进行了研究. 利用准三维的表面轮廓测试技术, 对冲击加载“软回收”的样品截面进行测试. 通过对测试数据的重构、量化和统计分析, 结果表明: 拉伸应力持续时间和加载应力幅值的增加, 都会加剧样品内部损伤局域化程度. 样品内损伤区域宽度是亚微米尺度的损伤演化的结果, 并且亚微米尺度的演化速率随着拉伸应变率的增加而单调递增. 通过统计获得了样品内微损伤的尺寸分布特征, 并分析了其与损伤演化进程的关联.     

基于孔洞体胞模型铸造镁合金ML308的本构方程

铸造镁合金不可避免地包含许多微孔洞,这些微孔洞在材料的后续加工及服役过程中将发生演化,并对材料的力学行为产生重要影响.基于球形孔洞体胞模型,提出微孔洞长大及形核方程,它们构成微孔洞的演化方程.根据孔洞演化将造成材料性质弱化的物理机制,将微孔洞演化以弱化函数的形式引入到非经典弹塑性本构方程,得到考虑孔洞演化的铸造镁合金弹塑性本构方程.发展与本构方程相应的有限元数值分析程序,用其模拟了铸造镁合金ML308的微孔洞演化及力学行为,计算结果与实验结果符合较好. 关键词： 铸造镁合金 孔洞体胞模型 孔洞演化方程 本构方程     

面心立方铜晶体中空洞生长与贯通的尺寸效应

利用分子动力学方法模拟沿拉伸方向排布的两个空洞在单轴拉伸作用下的动力学行为.着重研究不同尺寸空洞对其拉伸贯通过程的影响.结果表明,不同尺度的空洞都是通过空洞表面发射位错环长大与贯通的.空洞在弹性阶段沿加载方向缓慢长大,在塑性阶段沿垂直方向生长后形成类八面体形状.随空洞尺寸的减小,临界屈服应力逐渐增大.当半径较大时,位错对称成核、迁移,空洞沿加载方向被拉长,演化过程相似;当半径较小时,位错不对称成核,空洞沿垂直方向被拉长.空洞生长分为弹性变形、独立长大、融合贯通和平稳生长四个阶段.独立生长阶段随尺寸的减小逐渐缩短甚至消失.     

Effect of irradiation at low doses and incubation of voids within the rate theory approach

The evolution of defects in a material under irradiation is studied at low doses (∼5 dpa or less) using rate equations. It is shown that as a function of temperature at a critical valueT _c a transition occurs in the behaviour of the solutions of the rate equations. BelowT _c the voids show incubation effects. An expression is derived for the critical dislocation density at which the void growth starts. This is related to the trapped vacancy fraction ε in vacancy dislocation loops. AboveT _c the incubation effects are shown to be related to the gas production rate which becomes the rate controlling parameter in determining the evolution of the defects. A gas-bubble to void transition occurs at a critical void radius and expressions are derived for the critical void size and dose at which the transition appears. It is shown that closely related to this is the incubation dose for interstitial loops. Finally, these features are corroborated by actual numerical integration of the rate equations.     

Three-dimensional phase field microelasticity theory of a multivoid multicrack system in an elastically anisotropic body: Model and computer simulations

The phase field microelasticity theory of a three-dimensional, elastically anisotropic system of voids and cracks is proposed. The theory is based on the equation for the strain energy of the continuous elastically homogeneous body presented as a functional of the phase field, which is the effective stress-free strain. It is proved that the stress-free strain minimizing the strain energy of this homogeneous modulus body fully determines the elastic strain and displacement of the body with voids and/or cracks. The proposed phase field integral equation describing the elasticity of an arbitrary system of voids and cracks is exact. The geometry and evolution of multiple voids and/or cracks are described by the phase field, which is the solution of the time-dependent Ginzburg-Landau equation. Other defects, such as dislocations and precipitates, are trivially integrated into this theory. The proposed model does not impose a priori constraints on possible void and crack configurations or their evolution paths. Examples of computations of elastic equilibrium of systems with voids and/or cracks and the evolution of cracks under applied stress are considered.     

Stochastic void coarsening

The random nature of diffusing jumps and cascade occurrence produce stochastic fluctuations of the point-defect fluxes. The effect of such fluctuations on the kinetics of void growth is investigated in the present paper. It is found that the non-linear coupling between the stochastic fluctuations and the void sizes may lead to the instability of void evolution within the mean-field theory, when the sizes of voids and their growth rates are both relatively small. The growth rate of voids becomes dominated by the stochastic component, causing the smaller voids to shrink away. This effect is investigated in terms of a non-equilibrium phase transition induced by a purely random stochastic noise. The derived conditions for this non-equilibrium transition are compared favourably with experimental observations. Received: 5 June 2000 / Accepted: 9 October 2000 / Published online: 21 March 2001     

Microscopic mechanisms of short pulse laser spallation of molecular solids

The mechanisms of photomechanical spallation are investigated in a large-scale MD simulation of laser interaction with a molecular target performed in an irradiation regime of inertial stress confinement. The relaxation of laser-induced thermoelastic stresses is found to be responsible for the nucleation, growth, and coalescence of voids in a broad sub-surface region of the irradiated target. The depth of the region subjected to void evolution is defined by the competition between the evolving tensile stresses and thermal softening of the material due to the laser heating. The initial void volume distribution obtained in the simulation of laser spallation can be well described by a power law. A similar volume distribution is obtained in a series of simulations of uniaxial expansion of the same molecular system performed at a strain rate and temperature realized in the irradiated target. Spatial and time evolution of the laser-induced pressure predicted in the MD simulation of laser spallation is related to the results of an integration of a thermoelastic wave equation. The scope of applicability of the continuum calculations is discussed. PACS 79.20.Ds; 61.80.Az; 02.70.Ns; 83.60.Uv