基于循环拉-压试验的混合硬化模型参数确定及模型应用

材料弹塑性本构模型是影响有限元模拟精度的最重要因素,混合硬化本构模型能较准确表现材料塑性变形过程真实硬化特征,而本构模型中材料特性相关参数是否准确直接影响到有限元模拟的精度。基于Hill48各向异性屈服准则,结合Voce各向同性硬化模型和Armstrong-Frederic非线性随动硬化模型,建立一个考虑材料各向异性和Bauschinger效应的混合硬化弹塑性本构模型。通过循环拉伸-压缩试验,获得DC54D+ZF镀锌板的循环变形应力-应变曲线,并利用通用全局优化算法,根据单向应力状态混合硬化本构方程,准确地确定了混合硬化模型中的材料特性参数。最后,使用ABAQUS有限元软件对板材循环拉伸-压缩问题和板材过拉深筋问题进行该本构模型的适用性分析,验证了所建立的各向异性混合硬化材料本构模型的可靠性和精确性。循环拉伸-压缩试验是直接准确地获得本构模型材料参数的有效方法。     

基于虚场法的铝合金各向异性屈服及硬化属性参数同步表征

变形铝合金板材因轻质、高比强和比模量等优点广泛应用于航空航天工业中,其轧制生产过程引起的塑性各向异性可显著影响板材的变形行为,加大零部件成形精度控制和服役行为数值模拟预测的难度。针对目前常规测试方法表征材料各向异性屈服及各向异性塑性硬化属性所需试验数量多、种类复杂、限制条件多的现状,结合全场变形测量和虚场法,通过一种桥型试件的循环拉伸-压缩试验,首次实现2024铝合金板材各向异性屈服与塑性硬化本构参数的同步表征,大幅减少试验数量,简化试验过程。研究表明,采用当前的加载构型,在参数优化目标函数中结合材料0°和90°两个拉伸加载方向的试验数据,并配合多虚场约束,可以在不同参数表征初始猜测值下产生稳定的Hill1948各向异性屈服参数表征结果,保证解的准确性;对于非线性运动硬化模型,采用单材料方向加载和单虚场的目标函数即可获得对应材料方向稳定可靠的非线性运动硬化参数表征结果。研究成果可为铝合金板材成形工艺分析提供理论依据、数据参考和便捷的测试技术支持。     

比例加载路径下板料本构模型的建立及实验验证

根据单位体积塑性功相等原理，基于Druker公设以及等向强化模型，利用比例加载的特点，推导出板料在无卸载比例加载路径下的双向拉伸本构模型，并给出几种不同屈服准则下的本构模型。采用两种薄钢板BH220、SPEN进行了十字形双向拉伸实验研究，给出了这两种薄钢板在加载比例1：1和2：1情况下应力应变关系的理论曲线和实验曲线对比分析结果。结果表明，在小变形范围内，采用Hosford、Barlat89、Mises屈服准则得到的双向拉伸应力应变曲线与实验结果符合得较好。结合已有文献的研究结果说明：在小变形范围内以及无卸载比例加载路径下双向拉伸本构模型是正确性的；在小变形比例加载情况下，各向异性板料的强化规律为等向强化。     

双相不锈钢各组相循环变形行为的纳米压痕试验和有限元表征方法研究

对双相不锈钢的奥氏体相和铁素体相,分别开展了不同加载模式（接触载荷和压入位移）和不同加载波形下的单向、循环纳米压痕试验,对比分析了两相的基本力学性能和压痕循环变形行为的演化规律。基于压痕试验结果和修正ABDEL-KARIM-OHNO非线性随动硬化准则的弹塑性本构模型,提出一套双相不锈钢奥氏体相和铁素体相的塑性和循环塑性行为的本构模型参数表征方法。通过对微结构代表性体积单元整体拉伸和循环变形行为进行模拟,并与宏观试验结果对比,验证了参数表征方法的合理性。研究结果表明,铁素体相的强度、硬度和抗棘轮变形的能力均高于奥氏体相,两相之间通过晶界产生一定的交互作用;在接触载荷控制的循环加载条件下,奥氏体相与铁素体相均产生明显的压痕棘轮现象,且载荷水平越高压痕棘轮变形程度越大;所发展的本构模型参数表征方法可为研究多相材料各组相、小体积材料的循环变形行为提供借鉴和参考。     

GS-20Mn5钢非对称循环应力-应变本构模型及其应用

在实际工程中,机械结构件承受反复载荷时,内部往往是非对称的应力应变状态。在非对称循环加载条件下,材料不仅会表现出循环软/硬化特性,还会表现出平均应力松弛行为。这会影响其在循环稳定状态下的力学性能,进而影响结构在相应工况下承载服役的强度安全性。针对大型压机本体结构常用GS-20Mn5钢进行了单向拉伸及应变比R为0.5,应变幅0.20%、0.25%、0.27%、0.30%和0.40%的非对称应变循环加载试验研究,分别构建了基于单向拉伸试验结果的A-F随动硬化模型,以及基于非对称循环加载的Landgraf模型来描述其平均应力松弛特性,将其应用到Ramberg-Osgood公式中,结合A-F非线性随动硬化模型,建立了非对称循环加载条件下对应于循环应力-应变曲线的本构模型,并确定了相应模型参数。针对承受非对称循环载荷的某大型锻造液压机上横梁,应用所建立的本构模型分别进行了安定性数值分析,评估了其在循环载荷下的弹塑性强度安全性。结果显示,与采用单向拉伸条件下的A-F模型时的计算结果相比,采用非对称循环应力-应变本构模型时上横梁的安定极限载荷提高了约7%。     

基于非线性弹性卸载的L形弯曲成形回弹研究

为提高板料成形数值模拟回弹预测的精度,将弹性模量随塑性变形的改变引入到数值模拟回弹分析中。通过静力拉伸实验,研究了AA2024-T3铝合金板料的塑性变形对弹性模量的影响,给出了弹性模量与等效塑性应变之间的数学关系。建立了基于Holloman型等向强化和von.Mises屈服的非线性弹塑性本构模型,并利用ABAQUS/Standard的用户自定义接口UMAT实现了该弹塑性本构模型。设计了L形弯曲实验装置,利用基于非线性弹性的本构模型,对实验过程进行了数值模拟,实验与模拟结果的对比表明,在数值模拟中考虑了弹性模量的非线性能够提高回弹预测精度。     

基于ANSYS/LS-DYNA的板料拉深数值模拟研究

基于连续介质力学及有限元理论,运用动力显式算法建立有限元模型,采用ANSYS/LS-DYNA软件模拟圆形板料的拉深过程,在三种不同加载路径下,研究圆形板料在拉深方向的最大应力和板料厚度的变化规律,以及不同加载方式对板料成形质量的影响,所得结果可为生产实际提供指导.     

一种用于热端部件高温蠕变分析的统一型粘塑性本构模型：模型分析之二

提出一种具有“过应力”特征的“统一型”粘塑性本构模型［５］。为了考察该模型在复杂应力状态下对材料变形行为的描述能力，文中将该模型应用于拉扭组合变形，重点在以下三个方面对该模型的描述能力进行分析研究，①材料在变形过程中屈服面（后继屈服面）的变化情况。②在非比例加载情形下某些材料呈现的循环附加强化／软化现象。③高温情形下热恢复效应对承受非比例循环加载的材料变形行为的影响。     

稳压器喷淋管线三通的热棘轮效应分析和评定

热棘轮分析是核电管道设计中重要的分析内容,压水堆(PWR)核电站一般基于Bree图对管道热棘轮效应进行规定,但当管道受到很大的热瞬态载荷时往往不能够满足此要求,需要进一步对管道棘轮安定性进一步分析。采用Chaboche非线性随动强化模型对PWR核电站中不能够满足RCC-M规范B3653.7章节的稳压器喷淋管线上的三通进行弹塑性分析,通过对RCC-M规范要求、模型简化方法、本构模型假定、压力和瞬态热载荷循环加载等方面的研究,利用ANSYS11.0软件对三通的热棘轮变形进行评定。分析结果表明,在345℃→20℃和10℃→240℃两个瞬态温度变化后膜应力出现峰值;在压力和瞬态热载荷共同作用下,膜应力最大位置在模型主管和支管的过渡位置。通过进一步对模型在10次循环载荷后的累积渐进性变形进行分析,结果表明,分析对象的塑性变形速度随着循环加载不断降低,具有循环硬化特征。模型的尺寸变形均远远小于3.5%,10次循环后的热棘轮变形对结构的塑性安定性影响很小,满足RCC-M规范对渐进性变形的要求。     

预应力混凝土梁桥在偏载作用下结构响应分析

某预应力混凝土梁桥,根据混凝土弹塑性本构模型和钢筋的双线性理想弹塑性本构关系,以及混凝土弥散裂缝模式,建立了该桥梁结构的非线性壳单元模型,对偏载加载的预应力钢筋应力发展、荷载横向分布系数等进行了数值分析。通过典型加载分析可知,在各加载等级,偏载端主梁的挠度最大,其余各主梁挠度依次减小;偏载端主梁的预应力钢筋应力值较大,且梁体进入非线性阶段,偏载端主梁的预应力钢筋应力迅速增加直至该预应力筋屈服。与初始加载等级时的荷载横向分布系数相比,加载后期的主梁荷载横向分布系数趋于劣化,不利于整体协同受力。     

SiC_P/6061Al复合材料高温单轴拉伸时相关棘轮行为的细观本构模型

以已有试验研究和细观本构框架为基础,在新发展的非线性随动硬化律中引入反映热恢复效应的修正项,得到了一个新的细观粘塑性循环本构模型;采用该模型对SiCP/6061Al复合材料在高温(300℃)下的时相关单轴拉伸和棘轮行为进行了模拟。结果表明:修正项的引入有效提高了模型对SiCP/6061Al复合材料高温单轴棘轮行为及其时间相关特性的预测能力。     

基于板料后续性能的拉深筋结构参数试验研究

布置结构合理的拉深筋,可以有效地提高零件的成形质量.为制定合理的拉深筋结构设计原则,以拉深筋阻力和通过拉深筋后板料的后续成形性能为试验指标,就半圆形拉深筋结构参数对各试验指标的影响进行正交试验研究,讨论拉深筋结构对板料后续性能的影响,分析拉深筋阻力与板料后续性能的关系.研究结果表明,不同的拉深筋结构参数组合,对板料可能产生相近的阻力效果,但是后续性能却不一定相同;在拉深筋结构参数中,筋圆角半径R对拉深筋阻力及板料后续性能的影响最显著,凹槽圆角半径r1、r2的影响最弱,而且程度相当.在此基础上,根据试验数据及分析结果给出综合考虑拉深筋阻力和板料后续成形性能的拉深筋结构参数的设计原则,此原则依据拉深件的成形深度来设计拉深筋参数,对大型覆盖件拉深模具的设计具有积极的指导作用.     

基于有限元逆算法的拉深筋工艺设计和优化

汽车覆盖件拉深成形中，一般通过设置适当的拉深筋控制成形过程中的板料塑性流动规律来提高覆盖件成形质量。针对覆盖件工艺设计需求，提出一种基于有限元逆算法的拉深筋工艺优化算法。该算法以灵敏度优化方法为基础，考虑了板料的成形度、破裂和起皱等成形缺陷。在板料成形模拟FASTAMP系统中，开发了拉深筋优化模块，并以实际覆盖件为例，验证了该算法能快速准确地模拟等效拉深筋力的布置情况以及优化板料的成形性。     

高强钢变模量随动强化本构模型匹配与解耦标定策略研究

高强钢通过微观组织调控获得高强度,但不同牌号高强钢微观的不均匀变形和微观诱导塑性机理不同,使得高强钢卸载及反向加载行为更加复杂,并且牌号间差异增大,为此给出模型自适应匹配及参数解耦匹配的系统化策略,实现了高强钢回弹精确预测。首先建立幂函数和指数函数混合硬化模型,基于混合模型给出自由弯曲加载的弯矩平衡方程和曲率约束方程,基于变模量模型构建截面弹性弯矩的积分方程,基于加载和卸载解析模型建立逆向识别卸载参数的子优化模型。确定变模量线性随动强化、变模量非线性随动强化模型和含边界面的变模量随动强化模型的匹配策略。基于自由弯曲、单向拉伸和拉压试验数据,确定相应本构的子优化模型参数的优化次序,最终形成本构匹配及其参数解耦标定的系统化策略,并基于Fortran语言开发标定程序库。建立U形弯曲件和弧形弯曲件预测模型,分别对DP980和DH980两种高强钢不同应变水平下的识别结果及回弹预测结果进行对比分析,验证了解耦标定策略不仅提高了不同牌号数据的相关度,而且大幅度提升了同一牌号下的模型精度和稳定性,为基于数据的材料性能统一自辨识方法研究奠定了基础。     

参数求解方法对屈服准则的各向异性行为描述能力的影响

详细分析基于应力各向异性和变形各向异性两种求解Hill48屈服准则参数的方法。在给出两种各向异性参数求解表达式的基础上,具体分析Hill48屈服准则本身的局限性。以5754O铝合金板为研究对象,进行不同方向的单向拉伸试验。采用两种各向异性参数求解方法,基于Hill48屈服准则推导不同方向拉伸过程中的理论应力-应变曲线和拉伸过程中的变形规律。通过对比理论与试验结果具体分析参数求解方法对屈服准则精度的影响。基于两种参数求解方法,进行5754O铝合金板拉深试验的有限元模拟,讨论不同求解方法对凸耳现象的描述精度。得出结论：当对应力各向异性为主的问题进行分析时,应采用应力各向异性法求解;当对变形各向异性为主的问题进行分析时,则应采用变形各向异性法求解。研究结果对屈服准则在板料成形方面的合理应用具有重要的参考价值。     

ABAQUS橡胶材料在汽车护罩仿真中的应用

利用大型非线性有限元分析软件ABAQUS,建立了汽车上橡胶防滑套的非线性有限元模型。根据橡胶材料单轴拉伸实验数据,利用ABAQUS软件拟合出基于Mooney_Rivlin本构模型的橡胶材料参数;在此基础上分析了橡胶防护套在不同工况下的变形和应力分布规律,为进一步可靠设计、优化橡胶防护套提供了理论依据。     

一种描述铝合金发动机活塞安定状态的非线性材料模型算法解析及其仿真验证

本文基于金属材料非线性本构理论,分析其连续函数构成方法,对一种适用于发动机活塞铸铝材料的非线性本构模型的算法进行数值化解析。利用ABAQUS接口开发相应的户材料子程序,并对铝合金活塞在高温环境下循环热载荷工况下安定性响应进行仿真计算。研究结果表明:这种本构模型对热荷载安定状态响应的描述合理可信,可以应用于发动机活塞低周热疲劳分析的仿真计算。     

材料参数对汽车覆盖件冲压成形性能影响的数值模拟

使用基于动力显示算法的板料成形非线性有限元分析软件eta/DYANFORM对一个典型的汽车覆盖件零件冲压成形过程进行了数值模拟,从大量的计算结果中,研究三个重要的材料力学性能参数即屈服强度σs、应变强化指数n和厚向异性系数r对最终零件冲压成形性能的影响。在分析软件的后处理器中观察板料的厚度变化、总拉深力、板料的最大变形位移和沿冲压方向的最大应力,并作出了相应的曲线,最后根据所作曲线的变化得到了材料性能参数影响板料冲压成形性能的有关结论。     

晶体塑性模型在单晶铜低周疲劳行为中的应用

关注循环载荷作用下晶体滑移变形中的非线性硬化现象,用改进的晶体塑性模型刻画单晶金属在循环载荷作用下的变形机理.通过试验和数值模拟,研究单晶铜在循环载荷作用下的Bauschinger效应、滞回特性和循环硬化等循环塑性现象.所得结果表明,文中提出的模型可以有效地描述单晶金属在循环载荷下的非线性变形过程,可以与有限元方法结合,用数值模拟再现试样在循环加载中的Bauschinger效应、滞回特性和循环硬化等塑性变形行为.     

板料成形反向模拟精度修正法

传统的板料成形反向模拟法(Traditional inverse analysis method, TIAM)没有考虑变形历史对成形过程的影响,使得反向模拟法计算的应力值与实际情况有较大偏差。金属在流经凹模圆角时受到强烈的弯曲—反弯曲作用,并且凹模圆角处往往是应力集中的区域,能否较为准确地描述该区域变形历史,关系到反向模拟法应力/应变计算精度。针对反向模拟法无法准确预测成形零件应力分布的缺点,提出一种快速搜索流经凹模圆角区域单元的方法,对该部分单元进行应力修正。采用一种高效的多步加载应力应变本构关系模型,避免了增量有限元法应力应变更新算法的复杂性,同时充分考虑了凹模圆角对金属变形历史的影响。NUMISHEET’93 U形件弯曲的标准考题中,通过与增量有限元分析软件ABAQUS/Standard计算结果的比较,验证了采用所提出的多步加载本构关系模型可以有效地反映变形历史的影响,获得更为接近真实情况的应力分布。