多晶体材料微结构弹性性质的数值统计分析

以计算微观力学的分析观战力图在清晰的物理，几何图像下，应用多域边界元数值算法，对工程机械中承力构件常见的合金材料微结构的弹性性质进行为数值仿真由仿真所获得的弹性应力应变数据，采用ＥＤＦ统计量进行拟合优度检验，获得了材料微结构表观弹性参数的数值统计规律。     

颗粒增强复合材料微结构的数值模拟与虚拟失效

利用材料微观组织结构仿真软件ProDesign生成的颗粒增强复合材料微结构样本,包含大量的Voronoi晶粒与椭球颗粒,被用于模拟真实的复合材料微结构,以研究各向异性与局域性对复合材料微结构力学性能的影响。通过对商业有限元软件ABAQUS的二次开发实现对颗粒增强复合材料微结构细观应力的数值计算。计算机模拟试验证实,增强相颗粒与基体材料的刚度不匹配以及材料微结构组成物取向的局部各向异性,对复合材料结构弱点的分布具有决定性的作用。同时,该计算试验结果对于评估微裂纹的启裂、扩展,预测复合材料微结构材料损伤后的材料性能,推演微结构"虚拟失效行为"亦具有十分重要的意义。     

面向微结构阵列的超精密切削加工与测量关键技术研究

正微结构阵列是指具有规则阵列分布的微观几何拓扑形状及特定功能的一类微结构表面。微结构阵列的微观和宏观几何形貌决定了器件的功能,如光学功能、摩擦功能、润滑功能、信息存储功能等。微结构阵列以其无法比拟的优越性能,已经成为光电子、信息通讯以及精密工程等领域的关键零部件。如用于平板显示的微透镜阵列光学薄膜、用于空间光学回射的微金字塔阵列、用于太阳能电池的微槽阵列结构光栅、用于先进动态随机存储器的具有高深-宽比特征的深沟槽微结构阵列等。随着科技产品向高性能化、高精度化、高集成化方向发展,微结构阵列在航空航天、电子制造、生物医疗等高端产业得到了     

激光选区烧结马氏体时效钢多孔框架的微结构缺陷及力学性能影响分析

针对SLS快速成型产生的结构内部缺陷问题,利用检测与统计手段建立基于试验数据的仿真预测。对同一多孔结构的CAD模型,提出了设置两种打印方向进行多次成型制备,通过CT分层扫描技术,对3D打印结构进行微结构检测,可以发现微结构中存在缺口、翘曲、孔洞为主的缺陷,其几何方向与打印方向具有一致性。利用三维图像重建模型技术,统计微结构缺陷的几何参数概率分布,研究SLS打印工艺参数对缺陷几何参数统计规律的影响,发现样品放置方向设置为45°时容易引起结构发生翘曲,设置为0°时孔洞容易形成。基于统计建立具有随机缺陷的数值仿真模型,分析随机缺陷引起力学宏观刚度和渗透率、微观应力的性能误差,结果表明随机缺陷使结构刚度变小,使得最大微观应力变动非常大。通过压缩试验验证了宏观刚度数值模拟结果。本研究中关于SLS几何缺陷的统计数据也适用于其他多孔结构的分析和数值计算,对研究SLS打印工艺引起微结构缺陷,及评估对力学性能影响具有重要价值。     

Inconel-718微构件晶粒尺度伪随机建模与仿真

现有的晶体材料微构件晶粒尺度力学行为仿真模型未充分考虑材料的晶粒尺度微结构信息，且忽略了零件外形和微结构之间的关联关系，导致仿真精度低、难以推广。面向航空航天领域微小型化发展趋势，针对热端关重件常用的多晶材料Inconel-718，开展了其微构件的晶粒尺度伪随机建模与仿真研究。获取了Inconel-718的真实三维晶粒尺度微结构统计信息，介绍了所开发的考虑几何要素的多晶材料微构件三维伪随机晶粒尺度建模方法。以Inconel-718微柱压缩、微折弯以及微齿轮旋转作为多晶材料微测试、微制造以及微小零件服役仿真案例，强调了在晶粒尺度仿真中考虑构件几何要素的必要性，并展示了所开发建模方法的应用前景。所开发多晶材料微构件晶粒尺度伪随机建模方法可直接实现任意外形Inconel-718微构件的高效准确晶粒尺度建模和力学行为模拟，且便于推广至其他晶体材料的应用中。     

工件表面微结构诱导断屑的可行性及机理研究

针对高强高韧材料车削加工的切屑控制问题，提出利用工件表面槽型微结构，诱导切屑发生周期性断裂的切屑控制新方法，采用激光烧蚀技术在316L不锈钢工件表面制备微结构，从切屑形态、切屑质量和切削力多角度验证新方法的切屑控制效果，揭示其改善已加工表面粗糙度的效果，运用有限元方法揭示微结构诱导断屑的宏观和微观耦合机制。本研究为解决难加工材料的切屑控制问题提供了新路径，也为关键轴类零件提质增效提供了新突破口。     

开孔弹性泡沫材料拉伸变形过程的数值模拟

为了研究低密度弹性开孔泡沫材料的拉伸力学性能,文中建立具有不同胞体几何特性的泡沫材料随机模型,并用有限元方法模拟该材料的拉伸变形过程.同时,从材料的微结构层次上分析弹性开孔泡沫材料拉伸变形的机制,以及相对密度和胞体几何性质对拉伸非线性力学行为的影响.并且,将拉伸应力-应变曲线与Warren和Kraynik的四面体微结构模型的预测结果进行对比,说明数值模拟较好地反映开孔泡沫材料的拉伸变形特征.     

基于滤波/映射边界描述的壳-填充结构多尺度拓扑优化方法

提出一种基于滤波/映射边界描述的壳-填充结构拓扑优化方法,用以实现壳-填充结构宏观拓扑构型和填充区域材料微观分布协同优化.该方法针对宏观单元密度引入两步Helmholtz滤波映射和空间梯度范数归一化,用以描述壳层区域和填充区域几何特征;基于惩罚的固体各向同性材料方法设计微观结构,基于均匀化理论分别获得壳层实体区域和填充孔隙区域等效弹性矩阵,在此基础上发展出融合壳-填充几何特征信息的材料插值模型;基于所提出的材料插值模型,建立以最小应变能为目标,双体积比约束下的多尺度拓扑优化模型并进行求解;以悬臂梁和MBB梁为算例,开展有壳/无壳设计、载荷工况、微结构体积分数和微结构的初始设计等不同因素对最终设计的影响,分析结果验证所发展算法的有效性.     

砂轮约束磨粒喷射精密光整加工表面微观形貌的研究

对砂轮约束磨粒喷射精密光整加工表面微观形貌进行分析，研究了工件表面尖峰去除机理和均化及改善波纹度机理。利用平面磨床M7120对精磨后的Q235A工件材料进行喷射加工实验，采用TALSURF5轮廓仪测量加工后表面的微观几何参数值，用扫描电镜观察表面微观形貌变化，用金相显微镜观察磨削烧伤。实验结果表明，随着加工循环次数的增加，表面微观形貌由方向一致的沟槽过渡到随机的、无方向性的微细凹坑，表面粗糙度值明显降低，喷射加工能减轻或消除磨削烧伤。     

低周循环应力-应变关系和损伤

引入硬化状态变量表征微结构变化对材料循环变形行为的影响，提出应变控制下材料的循环应力一应变关系，由此导出的疲劳损伤演变方程与材料的损伤和硬化状态有关，考虑加载历史的影响。其结果可以为分析多级疲劳加载时，损伤演变过程和剩余寿命估算提供新的思路。     

扭转预应变对45钢低周疲劳性能的影响

介绍４５钢在不同扭转预应力变下的低周疲劳性能,包括循环应力－应变特性,循环硬化软化特性及低周疲劳寿命的研究工作。结果表明,扭转预应变降低周疲劳寿命,循环应力随扭转预应变的增大而增大。     

汽轮机联轴器螺栓剪切疲劳试验研究

在常温空气介质下，利用薄壁圆筒试样进行剪切疲劳试验，得到具有95％置信度、5％误差限的联轴器螺栓材料40CrNiMoA钢的剪切循环应力－应变特性参数和应变疲劳寿命特性参数，给出该材料在常温下的单调和循环剪切应力应变特性曲线以及不同可靠度下的剪切疲劳寿命曲线。试验表明，该材料在循环扭转载荷下表现出循环软化特性，并且比用von Mises准则所预测的循环软化程度要大些。对不同应变下的循环稳定应力变化规律进行比较可得，无量纲化的不同应变水平下的峰谷值应力仅与无量纲化的循环周次有关。     

PROBABILISTIC METHODOLOGY OF LOW CYCLE FATIGUE ANALYSIS

The cyclic stress-strain responses (CSSR), Neuber's rule (NR) and cyclic strain-life relation(CSLR) are treated as probabilistic curves in local stress and strain method of low cycle fatigue analy-sis. The randomness of loading and the theory of fatigue damage accumulation (TOFDA) are consid-ered. The probabilistic analysis of local stress, local strain and fatigue life are constructed based on thefirst-order Taylor's series expansions. Through this method proposed fatigue reliability analysis can beaccomplished.     

多轴随机应变加载下铝合金缺口件有限元分析及寿命预测

在应变控制下对7075-T7451铝合金实心棒带U型环状缺口试件进行拉—扭比例、非比例恒幅和随机加载疲劳试验。查明名义剪切应力最大值与轴向应力最大值的下降规律,并用两者最先开始下降时的循环数比值来评估裂纹萌生寿命。利用弹塑性有限元法分析不同加载条件下试件缺口根部的循环应力、应变响应。基于有限元计算得到的应力、应变结果,采用拉伸型多轴疲劳损伤模型预测随机加载条件下缺口试件的疲劳裂纹萌生寿命,计算结果与试验得到的寿命比较吻合。     

中碳钢多轴循环特性的试验研究

针对拉扭薄壁疲劳试样,在控制总应用拉扭循环加载下对中碳钢进行了试验研究。分别测试对称与存在平均拉扭应变情况下,比例加载与非比例加载时,拉与扭的应力响应值随循环数的变化情况。     

非对称循环载荷下镍基单晶合金低周疲劳损伤研究

通过分析影响单晶叶片低周疲劳寿命的主要因素,对循环塑性应变能的计算方法进行了研讨,认为构成塑性应变能的主要因素应包括循环等效应力范围、全应变范围、晶向参数和平均应力等影响参量,它们与塑性应变能之间呈幂函数关系。利用试验数据对循环塑性应变能与镍基单晶合金低周疲劳寿命之间的相关性进行定量分析,结果表明：循环塑性应变能与镍基单晶合金低周疲劳寿命之间存在着比较密切的相关关系。     

镍基单晶高温合金蠕变-疲劳寿命评估方法进展

论述镍基单晶合金的滑移变形机制和疲劳裂纹萌生机理，分别介绍镍基单晶合金蠕变寿命和低循环疲劳寿命分析评估模型；镍基单晶合金蠕变、疲劳寿命的研究方法可分为应用各向异性张量描述非弹性各向异性变形的宏观力学(唯象)模型和基于晶体学滑移变形理论的微观力学模型；晶体取向、平均应力、环境温度、循环频率、循环应力比是影响单晶合金蠕变-疲劳寿命的主要因素。复杂应力状态下的单晶合金多轴低循环疲劳损伤，单晶合金在疲劳-蠕变交互作用下的疲劳损伤和单晶合金的接触疲劳损伤等问题是需要研究的重要课题。     

镍基合金GH536材料高温低循环疲劳特性研究

对镍基合金 GH5 36材料在三种不同温度下的低循环疲劳特性进行了研究。给出了材料的应变 -寿命关系和应力应变关系。讨论了材料的疲劳特性随温度的变化。结果表明 ,在中等应变幅值之下 ,材料的疲劳寿命随温度的增加而降低     

基于灰色理论镍基单晶合金多轴非比例加载低周疲劳研究

基于灰色理论研究DD3镍基单晶合金高温多轴非比例加载低周疲劳特性,对等效应变范围、温度、应变路径角、拉/扭载荷相位角和轴向应变比等影响疲劳寿命的因素进行灰色关联度分析,并引入损伤参量Q表征非对称循环特性和拉/扭多轴效应,以参量Q、等效应变范围Δεe和Mises等效应力范围Δσe构造疲劳损伤参量,建立低周疲劳寿命GM(1, N)预测模型。结果表明,各影响因素与多轴低周疲劳寿命的关联度等级依次为等效应变范围、温度和应变路径角为一级,拉/扭载荷相位角为二级,轴向应变比为三级;680 ℃和850 ℃温度下的GM(1, N)疲劳寿命模型的预测寿命与试验寿命的绝对关联度分别为0.97、0.86,平均相对误差分别为4.9%、6.0%;两种温度的试验数据几乎分别落在1.93、2.13倍偏差分布带内。     

316L钢中温环境下应力控制的低周疲劳行为研究(二)

通过对316L钢在420℃环境下应力控制的低周疲劳实验，揭示和分析了316L钢在420℃环境下的弹性模量、全应变范围、塑性应变范围、塑性应变能及平均应变随加载历史和名义应力范围的变化特性，为以后的寿命评估模型提供依据。