基于试验与模拟的修正GTN模型参数确定及韧性断裂研究

摘要

在工业加工生产过程中，由于材料发生韧性断裂而导致零件的直接报废的现象十分常见，因此采用数值模拟方法预测材料的起裂位置、起裂时刻以及裂纹扩展方式至关重要。数值模拟获得的结果的准确性依赖于所选取的材料本构模型和韧性断裂准则。通过总结现有文献，韧性断裂准则大致可以分为非耦合和耦合两大类。前者一般不考虑实际成形过程的断裂机理，且忽略损伤对材料本构模型的影响，预测的结果准确性不高，而且适应范围有限。GTN模型虽然引入了空穴体积分数来表征材料的损伤程度，但模型中引入了众多参数，尚缺乏行之有效的将模型参数转换为宏观应力状态的评估方法，同时GTN模型只能应用于高应力三轴度范围。上述问题的存在，使得目前常用的商业化有限元软件在用于塑性成型工艺数值模拟时，所得到的结果与实际结果并非完全一致。因此，选用合适的韧性断裂准则和准确的损伤参数对于研究材料的韧性断裂过程有重要意义。
　　本文针对上述问题，设计十四种具有不同初始应力三轴度的退火态AA2024试样，通过试验得到不同工况下的载荷位移曲线，并研究了不同流动应力模型对模拟结果的影响，结果表明 Voce+Voce模型不仅能够拟合缩颈前的试验数据，也能预测试样缩颈以后的的力学性能。
　　运用反求法分析不同半径的棒料缺口拉伸试验，获取GTN模型在高应力三轴度损伤参数。基于不同缺口拉伸实验模拟结果的准确性与初始应力三轴度有关，本文提出了孔洞形核应变模型，从而使修正GTN模型在高应力三轴度范围普遍使用。通过数值模拟和剪切试验的对比确定低应力三轴度参数Kw，并验证损伤参数的准确性。研究结果表明，确定的修正GTN模型参数可以应用到低应力三轴度范围包括纯剪状态，但在负应力三轴度条件下并不能准确预测材料的断裂现象。
　　本文比较和评估了五种非耦合韧性断裂准则的准确性与应用范围。结果表明，Lou准则同时考虑了应力三轴度和Lode参数的影响，因而具有较广的适用范围。基于应力三轴度和Lode参数在塑性变过程中不断发生改变，因此本文提出了平均应力三轴度和平均Lode参数的概念。利用无损伤有限元结合试验结果确定了各组试样的断裂应变，并确定了材料AA2024断裂应变与应力三轴度度关系的损伤曲线以及断裂应变、应力三轴度和Lode参数三者关系的损伤曲面。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2细观损伤模型研究现状

1.3材料力学性能参数确定

1.4确定损伤参数的研究现状

1.5课题主要研究内容

第二章 宽应力三轴度范围试验设计与理论背景

2.1引言

2.2复杂应力状态的描述

2.3试验设计

2.4材料本构模型

2.5 有限元分析设置

2.6本章小结

第三章 修正GTN损伤模型及其数值计算方法

3.1引言

3.2 损伤模型

3.3 修正GTN模型数值实现算法

3.4修正GTN模型子程序验证

3.5 GTN模型参数的研究

3.6本章小结

第四章 损伤模型参数反求分析

4.1引言

4.2反求法

4.3 参数反求分析

4.4 基于修正GTN模型的孔洞演化分析

4.5 本章小结

第五章 韧性断裂准则的评估及损伤曲面的获取

5.1引言

5.2韧性断裂准则的评估

5.3损伤曲面

5.4本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文