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。     

延性金属层裂自由面速度曲线物理涵义解读

对延性金属层裂自由面速度曲线上典型特征所蕴含的物理涵义进行了新的解读. 揭示了自由面速度曲线上宏观响应特征和微孔洞成核、长大和聚集的微损伤演化动力学之间的关联: Pullback信号的临界点对应于微孔洞的成核,Pullback幅值表征了损伤成核或起始的条件——成核强度; Pullback信号之后的回跳斜率代表了损伤演化速率, Pullback 信号后速度回跳幅值从一定程度上反映了损伤程度; Pullback信号之后的振荡周期模式反映了损伤的局域化状态.     

孔洞增长与汇合的数值模拟

在研究延性材料的层裂过程中，微孔洞的成核、增长与汇合是主要问题。在二维平面条件下，应用二维拉氏有限元弹塑性流体力学程序(LTZ-2D)，在动态拉伸作用下，对多种形状的孔洞增长、相互作用和汇合进行了数值模拟。结果表明，初始非圆形孔洞在动态拉伸作用下，经过了一定时间后，孔洞的增长均趋近于圆形。如果在孔洞周围允许材料损伤断裂的话，当孔洞继续长大到一定程度时，将产生破裂并且汇合。以铜材料为例，     

基于单孔洞近似的高纯铝部分层裂实验的数值模拟研究

基于单孔洞近似,对不同撞击速度下高纯铝的部分层裂实验进行了数值模拟研究,讨论了微孔洞长大对波传播的影响及其在自由面速度波剖面上的表现. 通过分析微孔洞周围的应力场变化,认识到实测自由面速度波剖面出现"回跳"特征并不能说明材料发生完全层裂,其直接原因是样品内部微孔洞长大所引起的局部卸载效应. 将计算得到的自由面速度波剖面和微孔洞相对体积与实验结果进行了对比分析,发现两者均符合很好,表明采用单孔洞增长来近似描述部分层裂样品中随机损伤发展及其对波传播的影响是可行的. 关键词： 层裂 孔洞增长 自由面速度波剖面 微孔洞相对体积     

爆轰驱动铝飞层扰动增长的数值模拟（英文）

建立了研究炸药爆轰驱动条件下金属材料Rayleigh-Taylor不稳定性问题的实验技术和数值模拟方法。利用该实验技术和数值模拟方法研究了炸药爆轰驱动条件下,铝飞层界面Rayleigh-Taylor不稳定性增长规律,数值模拟显示界面扰动振幅以指数规律增长。数值模拟结果和实验定性相符,但是定量相比有较大差别,原因是高压高应变率加载条件下铝的强度增强,而数值模拟时所采用的SG本构模型在这样的加载条件下低估了铝的强度而导致对扰动增长致稳作用不足。然后在数值模拟中,通过改变材料的初始剪切模量和初始屈服强度,发现在一定范围内,初始剪切模量对材料动态屈服强度没有影响,而初始屈服强度增大可以明显提高材料的动态屈服强度,达到抑制扰动增长的目的,表明材料屈服强度主导界面扰动增长。     

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     

延性金属材料损伤断裂微观机制

材料的层裂是武器设计中需要考虑的重要问题之一。对延性材料而言,层裂过程包括微孔洞的成核、增长和贯通3个阶段,因此认识孔洞在冲击加载下的演化过程,对研究延性断裂具有重要意义。我们以典型延性金属材料——单晶铜作为研究对象,利用分子动力学方法对孔洞演化相关问题进行了研究。     

〈111〉晶向冲击加载下单晶铜中纳米孔洞增长的早期动力学行为

利用分子动力学方法模拟计算了单晶铜中纳米孔洞在沿〈111〉晶向冲击加载下增长的早期过程.测量发现不同加载强度下等效孔洞半径随时间近似成线性变化.观测到单孔洞增长的两种位错生长机理：加载强度较低时，只在沿着冲击加载方向的孔洞顶点附近区域有位错的成核和运动；而随着加载强度超过一定阈值，在沿冲击加载和其垂直方向的孔洞顶点区域都观察到位错的成核和运动.在前一种机理作用下，孔洞只沿加载方向增长；在后一种机理作用下，孔洞同时沿加载和垂直于加载方向增长.分析孔洞表面原子的位移历史，发现沿加载及与其垂直方向的孔洞顶点沿径向的速度基本恒定，由此提出了一个孔洞生长模型，可以解释孔洞增长的线性生长规律. 关键词： 纳米孔洞 分子动力学 冲击加载 位错     

非一维应变冲击加载下高纯铜初始层裂行为

提出了一种锥形靶层裂实验新方法,开展非一维应变冲击条件下高纯铜初始层裂行为实验研究,讨论了锥形靶内部损伤分布特征及其与自由面速度典型特征之间的内禀关系.结果显示:1)初始层裂的锥形靶内部出现了连续损伤区,损伤区扩展方向与锥面平行,从锥底到锥顶呈现了不同的损伤状态,从微孔洞独立长大到局部聚集,最后形成宏观裂纹,这种损伤状态分布特征归因于锥形靶内部拉伸应力幅值和持续时间的空间演化;2)通过锥形靶横截面损伤度定量统计分析,揭示损伤演化早期的微孔洞成核与早期长大过程是随机的,而损伤演化后期的微孔洞聚集过程具有显著的局域化特征;3)不同位置处实测的自由面法向粒子速度剖面呈现出典型的层裂Pull-back信号,但是通过与内部损伤分布特征对比,揭示基于Pull-back速度获得高纯铜层裂强度本质是微孔洞成核阈值应力,Pull-back回跳速度斜率反映了损伤演化速率,Pull-back回跳幅值与损伤度引起的应力松弛密切相关.     

沿〈111〉晶向冲击加载下铜中纳米孔洞增长的塑性机制研究

 用分子动力学方法计算模拟了沿〈111〉晶向冲击加载过程中，单晶铜中纳米孔洞（直径约1.3 nm）的演化及其周围区域发生塑性变形的过程。模拟结果表明，在沿〈111〉晶向冲击加载后，在面心立方（fcc）结构中的4族{111}晶面中有3族发生了滑移。伴随孔洞的增长，在所激活的3族{111}晶面上，观察到位错在孔洞表面附近区域成核，然后向外滑移，其中在剪切应力最大的〈112〉方向上，其位错速度超过横波声速，其它〈112〉方向的位错速度低于横波声速。模拟得到的位错阻尼系数范围与实验值基本符合。由于孔洞周围产生的滑移在空间比较对称，孔洞增长形貌接近球形。在恒定的冲击强度下，孔洞半径增长速率近似保持恒定，其速率随着冲击强度的增加而增大。     

Effects of void shape and orientation on the elastoplastic properties of spheroidally voided single-crystal and nanotwinned copper

ABSTRACT

Void nucleation, growth and coalescence have been identified as the leading cause of ductile damage in metallic materials. To understand the underlying deformation and damage mechanisms, extensive theoretical, experimental and simulation efforts have been attempted on spherically voided metals. In this work, molecular dynamics simulations are performed to analyze the uniaxial straining deformation behaviours of both single-crystal and nanotwinned copper materials embedded with a preexisting spheroidal void. The coupling effects among twin boundary, spheroidal void aspect ratio and orientation on unidirectional elastoplastic behaviours are systematically examined. The dislocation-induced plastic deformation mechanism is also examined and compared with the one due to a perfectly spherical cavity. Simulation results show that elastic modulus increases with both spheroidal void aspect ratio and orientation. So do the yield stress, the first peak stress and the plasticity index. Another peak stress exists for most cases, except for a prolate void embedded in nanotwinned specimens. The slope between peak stresses decreases with both the spheroidal aspect ratio and orientation. The incorporation of a twin boundary results in lower elastic modulus, higher yield strength and smaller plasticity index. For an oblate void, the twin boundary gives rise to more severe strain softening behaviour. The dislocation extraction algorithm illustrates that the continuous nucleation, propagation and reaction of dislocations emanated from both the void front and twin boundary are responsible for the ductile damage of spheroidally voided crystals. The lower dislocation densities found in nanotwinned specimens indicate the desired suppression effects of twin boundary on dislocation activities.     

单晶铜在动态加载下空洞增长的分子动力学研究

冲击载荷下延性材料的损伤是材料中微空洞的产生和长大演化的结果.利用分子动力学模拟 方法对延性金属单晶铜中单个空洞在动态加载下的演化发展进行了研究，得到了空洞增长过 程中的应力分布及空洞增长演化随冲击强度变化的规律.模拟结果表明，动态加载下的前期 压缩过程对后期拉伸应力场作用下的空洞增长演化特征有不可忽视的影响，微空洞增长的阈 值则与单晶实验中层裂强度随拉伸应力作用时间减少而增加的趋势相一致. 关键词： 层裂 分子动力学 动态加载 空洞     

粘塑性介质中球形孔洞的动态增长

 提出了一个新的粘塑性介质中球形孔洞在高加载率作用下的演化方程。方程中考虑了应变率、局部惯性和介质的硬化效应，并对这些影响进行了数值分析和讨论。数值分析结果表明：孔洞的增长对外加载率和应变率十分敏感，在高加载率条件下局部惯性效应对孔洞增长有着重要影响，随着加载率的增加，这种影响增大。另外，得到了使孔洞增长的临界应力值的表达式。     

Modelling of spall damage in ductile materials and its application to the simulation of plate impact on copper

A statistical model of dynamic spall damage due to void nucleation and growth is proposed for ductile materials under intense loading, which takes into account inertia, elastic-plastic effect, and initial void size. To some extent, void interaction could be accounted for in this approach. Based on this model, the simulation of spall experiments for copper is performed with the Lagrangian finite element method. The simulation results are in good agreement with experimental data for the free surface velocity profile, stress record behind copper target, final porosity, and void concentrations across the target. The influence of elastic-plastic effect upon the damage evolution is explored. The correlation between the damage evolution and the history of the stress near the spall plane is also analyzed.     

晶粒尺度对延性金属材料层裂损伤的影响

微细观结构对材料动态损伤、破坏的影响是目前国内外力学领域的研究热点之一. 基于相关文献的实验结果, 通过理论分析, 给出了一个新的反映晶粒尺度效应的孔洞成核模型, 并将其耦合到延性金属材料层裂损伤模型中. 采用数值方法分析了晶粒尺度对高纯铜材料层裂损伤演化过程的影响. 计算结果显示: 随着材料平均晶粒尺度的增加, 自由面速度回跳点降低, 回跳后速度曲线的斜率增加; 损伤材料内部的孔洞数减少、平均孔洞尺寸增大.计算结果与相关文献所报道的实验 分析结果定性上符合较好. 该结果对于层裂损伤的深入研究具有一定的启发性. 关键词： 层裂 晶粒尺度 延性金属材料 冲击     

Modelling of spall damage in ductile materials and its application to the simulation of the plate impact on copper

A statistical model of dynamic spall damage due to void nucleation and growth is proposed for ductile materials under intense loading, which takes into account inertia, the elastic-plastic effect, and initial void size. To some extent, void interaction could be accounted for in this approach. Based on this model, the simulation of spall experiments for copper is performed by using the Lagrangian finite element method. The simulation results are in good agreement with experimental data for the free surface velocity profile, stress record behind copper target, final porosity, and void concentrations across the target. The influence of elastic-plastic effect upon the damage evolution is explored. The correlation between the damage evolution and the history of the stress near the spall plane is also analyzed.     

Molecular dynamics simulation on elastoplastic properties of the void expansion in nanocrystalline copper

Influences of different factors on the elastic-plastic properties of nanocrystalline copper containing a void are studied by the molecular dynamics method. The radius of the circular plate is 30a, while the radius of the void is 5a (a is 0.3615 nm for the lattice constant of bulk copper). The effects of crystal orientation, the void ellipticity, loading rate, and temperature of nanocrystalline copper are discussed. The elastic-plastic deformation of nanocrystalline under inner pressure is investigated in this research. The plastic zone is determined according to the dislocation nucleation from the edge of the void. The simulation results show that there are different deformation mechanisms under different crystal orientations, and the nanocrystalline copper can be strengthened by changing the void shape, decreasing the loading rate, and lowering the temperature. And the plastic zone initiation and growth are further explained. The change of different conditions has a great influence on plastic zone.