基于有限变形框架的热-力耦合循环本构模型研究

摘要

航空航天、压力容器、核动力管道及高速铁路等工程领域中，金属材料和结构件通常承受复杂循环载荷作用。变形的循环累积引起的疲劳失效是其最主要的一种失效模式。同时，金属材料的循环塑性变形（尤其是大变形循环塑性变形）过程中塑性功产生的热量会导致材料和结构件的温度持续升高。温度的升高一方面会影响结构件周围热敏元件的正常工作;另一方面会使材料软化，进而产生更多的塑性耗散，热软化和塑性耗散的交互作用会导致非常大的塑性变形，大大加速材料和结构件的疲劳失效。因此，金属材料在循环变形过程中的大变形热-力耦合效应需要在结构设计和寿命预测时予以重点考虑。近几十来，国内外众多学者对金属材料的循环变形行为开展了广泛的实验和理论研究，在材料的本构模型方面取得了很大的进展。然而，绝大部分的本构模型都是都局限在小变形框架和等温条件下，很少考虑复杂加载条件下的大应变及变形过程中的热效应和热-力耦合作用，限制了此类本构模型的预测能力，仍需要大力发展。因此，很有必要开展金属材料在单轴和非比例多轴循环载荷下的热-力耦合变形行为的实验研究，进而建立基于有限变形框架的热-力耦合循环本构模型，并将其移植到有限元软件中。这不仅丰富了固体力学学科的理论研究成果，对工程结构件的可靠性设计和寿命评估中也具有重要的应用价值。
　　为了对金属材料的循环变形特征和变形过程中的热效应产生机制进行系统的研究，并建立基于有限变形框架的热-力耦合循环本构模型，本论文开展了如下研究工作:
　　1.在实验室环境下，对316L不锈钢材料在单轴拉伸载荷、单轴和非比例多轴应变和应力控制循环载荷下的热-力耦合变形行为开展了系统的实验研究。考察了材料的率相关行为、应变幅值相关的循环硬化-软化-硬化特性、Swift效应、应力水平和加载路径对循环变形（包括棘轮变形）的影响以及变形过程中内部热效应形成机制，同时为基于有限变形框架的热-力耦合循环本构模型的建立提供了实验基础。
　　2.基于对数客观率，将小变形框架下的Abdel-Karim-Ohno随动硬化律进行拓展，同时引入各向同性硬化律反映材料的循环软/硬化行为，建立了有限变形框架下的循环塑性模型，并对所建模型进行了有限元实现。所建的有限变形循环塑性模型对大变形剪切下的轴向应力效应、大应变扭转循环过程中的Swift效应及单轴和双轴棘轮行为均能给出合理的模拟和预测，同时为基于有限变形框架的热-力耦合循环本构模型奠定了基础。
　　3.基于热力学定律及对数应力率，首先在有限变形框架下建立了严格自洽的热-力耦合循环本构框架（弹-塑性和弹-粘塑性均适用）;然后在建立的框架下，结合316L不锈钢的实验研究成果建立了热-力耦合弹-粘塑性本构模型。模型中拓展了已建立的有限变形随动硬化律;并采用叠加的各向同性演化方程来反映材料循环硬化-软化-硬化特征;同时在各向同性演化方程中引入了Chaboche提出的塑性应变记忆面以及Tanaka提出的非比例度因子来反映材料循环硬化行为的应变幅值依赖性及非比例附加硬化效应。最后，通过对所建立的热-力耦合循环本构模型的有限元实现，利用有限元方法对316L不锈钢的单调拉伸行为、单轴和和非比例多轴循环变形行为及变形过程中的热效应进行了合理的模拟和预测。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究意义

1．2 研究现状

1．2．1 小变形循环塑性变形行为的研究

1．2．2 有限变形塑性行为的研究

1．2．3 热-力耦合变形问题的研究

1．3 现有研究工作的不足

1．4 本论文的主要研究内容

1．5 本论文的主要创新点

第2章 316L不锈钢热-力耦合变形行为的实验研究

2．1 实验方法

2．2 单轴拉伸实验研究

2．3 应变控制循环实验研究

2．3．1 拉-压对称应变控制循环实验

2．3．2 扭转对称应变控制循环实验

2．4 应力控制循环实验研究

2．4．1 单轴应力控制循环实验

2．4．2 多轴应力控制循环实验

2．5 本章小结

第3章 有限变形循环塑性本构模型研究及其有限元实现

3．1 有限变形循环塑性本构模型

3．1．1 运动学关系

3．1．2 对数应力率

3．1．3 主控方程

3．1．4 演化方程

3．1．5 参数确定方法

3．2 本构模型的有限元实现

3．2．1 本构方程的离散

3．2．2 隐式应力积分

3．2．3 非线性标量方程

3．2．4 一致切线刚度矩阵

3．3 模拟及讨论

3．3．1 304不锈钢大变形简单剪切行为的模拟

3．3．2 OFHC铜扭转及拉-扭循环变形行为模拟

3．3．3 304不锈钢单轴大变形棘轮行为模拟

3．4 本章小结

第4章 有限变形热-力耦合循环本构模型研究及有限元实现

4．1 热-力耦合本构框架

4．1．1 热力学关系

4．1．2 本构关系

4．1．3 热容和应力函数对本构方程的限制

4．2 具体的本构方程

4．2．1 随动硬化

4．2．2 各向同性硬化

4．3 有限元实现

4．3．1 本构方程的离散

4．3．2 隐式应力积分

4．3．3 非线性标量方程

4．3．4 一致切线刚度矩阵

4．4 本章小结

第5章 316L不锈钢热-力耦合变形行为的模拟和预测

5．1 简化后的随动硬化和各向同性硬化演化方程

5．2 材料参数确定

5．3 316L不锈钢热-力耦合循环变形行为的模拟和讨论

5．3．1 单轴拉伸行为的模拟和预测

5．3．2 应变控制循环行为的模拟和预测

5．3．3 应力控制循环行为的模拟和预测

5．4．本构模型预言能力的进一步讨论

5．4．1 热-力耦合棘轮变形行为的预测

5．4．2 缺口圆棒结构热-力耦合变形行为的预测

5．5．本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文