颗粒增强金属基复合材料循环变形行为的数值模拟

摘要

工程构件因存在非对称循环应力或循环热应力作用而导致材料产生不同程度循环塑性应变累积，这种塑性应变累积现象称为棘轮效应(Ratcheting)。棘轮效应给结构安全设计和寿命评估带来严峻挑战，因而已经引起了国内外学者的广泛重视。近几十年，对于金属材料，其单轴和非比例多轴循环变形行为已得到了深入而系统的实验研究和本构描述，已取得了丰硕的成果。然而，这些研究成果不能直接应用到宏观均匀微观不均匀的颗粒增强金属基复合材料循环变形行为的本构描述中。因此，在已有的实验研究基础上，开展对该类复合材料的循环变形行为的研究无疑具有十分重要的理论意义和工程应用价值。 为了对颗粒增强金属基复合材料循环变形行为进行深入的研究，本论文开展了如下研究工作： 1、在室温和高温(300℃)下，对T6热处理后的、两种体积分数的SiCp／6061A1合金复合材料进行了较为系统的单轴时相关循环加载实验，重点讨论复合材料的单轴循环棘轮行为与加载应力水平和加载历史以及加载速率和峰值保持时间之间的关系，揭示复合材料时相关循环棘轮行为的特征，为建立相应的循环本构模型提供实验基础。 2、基于颗粒增强金属基复合材料的单球形颗粒模型和轴对称二维6节点三角形单元，利用ABAQUS对T6热处理后的、两种体积分数的SiCp／6061A1合金复合材料的室温和高温300℃单拉行为和单轴循环变形行为进行数值模拟。通过与实验结果的比较来验证上述模型的合理性。 3、采用轴对称体胞和三维体胞方法，对于含有单个颗粒的体胞，研究分析了多种形状的增强相模型，得出了颗粒形状对复合材料的单拉行为和单轴循环变形行为的影响。 4、在轴对称体胞基础上，分析了颗粒相对位置和相对大小的影响；其次考虑到轴对称体胞方法在颗粒排布、几何形状等方面的局限性，建立了增强相的三维模型，由于三维体胞模型更接近真实材料的细观结构并能更好地反映颗粒间的交互作用，其单拉和棘轮演化的模拟曲线与实验曲线吻合地较好。通过对上述计算过程、结果的讨论分析，得出了对颗粒增强金属基复合材料的研究具有一定参考意义的结果。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外目前的研究进展

1.2.1材料棘轮行为的研究现状：实验，理论，数值实现

1.2.2复合材循环变形行为的研究现状：实验，理论，数值实现

1.3目前在复合材料循环变形行为研究方面的不足

1.4本论文的主要工作

第2章 时相关棘轮行为的实验研究

2.1实验条件

2.2室温实验研究

2.2.1单调拉伸和应变循环特性

2.2.2棘轮行为

2.3高温实验研究

2.3.1单调拉伸和应变循环特性

2.3.2棘轮行为

2.4本章小结

第3章 时相关棘轮行为的数值模拟

3.1有限元模型

3.2材料参数及其确定

3.2.1主控方程和随动硬化律

3.2.2参数K和n的确定

3.2.3参数ζ(k)和r(k)的确定

3.2.4棘轮参数μ的确定

3.3细观力学研究方法

3.3.1平均应力和应变的计算

3.3.2加载方式

3.4室温数值模拟

3.4.1单拉行为模拟

3.4.2应变行为模拟

3.4.3棘轮行为模拟

3.5高温数值模拟

3.5.1单拉行为模拟

3.5.2应变行为模拟

3.5.3棘轮行为模拟

3.6本章小结

第4章 颗粒形状对循环变形行为的影响

4.1轴对称柱状体胞模型

4.2三维体胞模型

4.3基于轴对称模型的研究

4.3.1对单拉行为影响

4.3.2对棘轮行为影响

4.4基于三维模型的研究

4.4.1对单拉行为影响

4.4.2对棘轮行为影响

4.5考虑耦合效应三维模型研究

4.6本章小结

第5章 颗粒交互作用对循环行为的影响

5.1增强相簇效应的轴对称体胞方法

5.1.1颗粒相对位置和相对大小对单拉的影响

5.2增强相簇效应的三维体胞方法

5.2.1各种三维体胞模型单拉和应力行为比较

5.2.2球形颗粒模型

5.3本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研科目