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颗粒增强金属基复合材料棘轮行为的细观循环本构模型研究

作　者: 郭素娟
导　师: 康国政
学　校: 西南交通大学
专　业: 固体力学
关键词: 颗粒增强金属基复合材料细观均匀化弹塑性粘塑性棘轮行为本构模型时相关
分类号: TB333
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

颗粒增强金属基复合材料(PRMMCs)由于其重量轻,强度高、热稳定性好以及较低的制造成本和宏观各向同性等优良性能,目前已广泛用于军工行业、航空航天、汽车工业和体育用品等领域,例如人造卫星连接部件、轻质装甲、汽车发动机活塞和气缸、高尔夫球杆头等。在这些领域中,构件通常承受复杂的循环载荷的作用,有时还处于高温、高压等工作环境。在非对称的应力循环加载下,结构构件将产生塑性变形的累积现象,即棘轮行为,棘轮行为可能导致结构疲劳寿命减少或者使其塑性变形超限而无法正常使用,是工程应用中必须考虑的重要问题之一。近二十年来,国内外的研究者对金属材料的棘轮行为进行了大量实验和理论研究,在单一材料的弹塑性和粘塑性循环本构模型和棘轮行为的描述等方面取得了诸多成果。然而,对复合材料这一类非均质材料,已有研究大多局限于应变控制的循环加载模式,对复合材料棘轮行为的循环本构研究和准确预测还没有得到很好的解决。因此,对复合材料的棘轮行为进行深入的实验研究和细观有限元分析,继而在细观层次上发展能够合理描述复合材料棘轮行为的循环本构模型,将是对循环本构关系理论研究的一个重要突破。研究成果会促进固体力学在非均匀材料方面的发展,对复合材料工程构件的寿命预测和可靠性设计也具有重要的应用价值。为了对颗粒增强金属基复合材料的棘轮行为开展深入系统的研究,本论文主要开展了以下工作：1.对体积分数为14%和21%的SiCP/6061Al合金复合材料室温下的应变循环和棘轮行为进行了系统的细观有限元模拟,揭示了颗粒体积分数、形状和分布特性等微结构因素对复合材料棘轮行为的影响,为细观本构模型的建立奠定了基础；观察和分析了复合材料基体内部塑性变形的发源和分布特性,为研究复合材料细观损伤和失效机制提供了依据。2.在Hill增量理论和Eshelby等效夹杂理论的基础上,对Mori-Tanaka均匀化模型进行推广,结合已有的实验和细观有限元分析,建立了能够合理描述颗粒增强金属基复合材料时无关棘轮行为的细观弹塑性循环本构模型,并将模拟结果与相关实验结果相比较,验证了模型的合理性和正确性。3.基于统一粘塑性框架和Eshelby等效夹杂理论,采用广义增量仿射线性化方法,对Mori-Tanaka均匀化理论进行粘塑性推广,建立了可以合理描述颗粒增强金属基复合材料时相关棘轮行为的细观粘塑性循环本构模型。分别在室温和高温下,对复合材料的时相关棘轮行为进行了数值模拟,通过与实验结果比较,验证了模型的预测能力。4.采用新发展的弹塑性和粘塑性细观循环本构模型,模拟了复合材料的多轴棘轮行为,并与相应的有限元模拟结果做比较,验证了模型对多轴棘轮行为的预测能力。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-13
第1章绪论  13-26
  1.1 研究意义  13-14
  1.2 金属基复合材料循环变形行为的研究现状  14-23
    1.2.1 实验研究  14-17
    1.2.2 金属材料循环本构模型的研究  17-19
    1.2.3 复合材料细观循环本构模型的研究  19-23
  1.3 现有研究工作的不足  23-24
  1.4 本论文的主要研究内容  24-25
  1.5 本论文的主要创新点  25-26
第2章复合材料棘轮行为的有限元模拟  26-49
  2.1 复合材料细观有限元方法简介  26-27
  2.2 有限元分析模型的建立  27-30
    2.2.1 有限元模型  27-28
    2.2.2 复合材料组元的材料特性  28-30
  2.3 颗粒体积分数对复合材料棘轮行为的影响  30-35
    2.3.1 有限元模型  30-31
    2.3.2 模拟结果和讨论  31-35
  2.4 颗粒形状对复合材料棘轮行为的影响  35-40
    2.4.1 有限元模型  35-36
    2.4.2 模拟结果和讨论  36-40
  2.5 颗粒分布状态对复合材料棘轮行为的影响  40-47
    2.5.1 有限元模型  40-42
    2.5.2 模拟结果和讨论  42-47
  2.6 细观有限元方法的优势和局限性  47
  2.7 本章小结  47-49
第3章复合材料细观弹塑性循环本构模型的研究  49-72
  3.1 基体的循环弹塑性本构模型和棘轮参数演化率  49-50
  3.2 Mori-Tanaka均匀化模型的推广  50-53
    3.2.1 适用于应变加载情况的Mori-Tanaka均匀化模型  50-51
    3.2.2 适用于应力加载情况的Mori-Tanaka均匀化模型  51-53
  3.3 本构方程离散化和数值实现流程  53-57
    3.3.1 时间离散化  53
    3.3.2 数值积分算法  53-57
  3.4 两种切线模量的介绍和推导  57-60
    3.4.1 连续弹塑性切线模量的推导  57-58
    3.4.2 一致弹塑性切线模量的推导  58-60
  3.5 模拟和讨论  60-70
    3.5.1 复合材料组元的材料特性  60-61
    3.5.2 Mori-Tanaka均匀化方法的有效性验证  61
    3.5.3 复合材料单轴时无关棘轮行为的数值模拟  61-68
    3.5.4 复合材料多轴时无关棘轮行为的数值模拟  68-70
  3.6 本章小结  70-72
第4章复合材料细观粘塑性循环本构模型的研究  72-96
  4.1 Mori-Tanaka均匀化模型的推广  72-79
    4.1.1 广义增量仿射线性化方法  72-75
    4.1.2 适合应变控制加载条件的Mori-Tanaka均匀化模型  75-76
    4.1.3 适合应力控制加载条件的Mori-Tanaka均匀化模型  76-79
  4.2 基体材料的粘塑性循环本构模和棘轮参数演化率  79-80
    4.2.1 主控方程  80
    4.2.2 随动硬化演化律  80
  4.3 一致性切线模量的推导及规则化  80-84
    4.3.1 一致性切线模量的推导  81-82
    4.3.2 一致性切线模量的规则化  82-84
  4.4 细观粘塑性循环本构模型的数值实现流程  84-87
    4.4.1 应变控制加载的情形  84-85
    4.4.2 应力控制加载的情形  85-87
  4.5 复合材料室温下时相关棘轮行为的模拟和预测  87-93
    4.5.1 复合材料组元的材料特性  87
    4.5.2 加载路径介绍  87
    4.5.3 复合材料单轴时相关棘轮行为的模拟和预测  87-91
    4.5.4 复合材料多轴时相关棘轮行为的模拟和预测  91-93
  4.6 复合材料高温下单轴时相关棘轮行为的模拟和讨论  93-95
  4.7 本章小结  95-96
结论  96-99
致谢  99-100
参考文献  100-108
攻读博士学位期间发表的论文  108-110

颗粒增强金属基复合材料棘轮行为的细观循环本构模型研究

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