泡沫金属的初始屈服面和破坏面在主应力空间和主应变空间中的表征

论文摘要

作为一种应用广泛并且吸能效果优异的多功能结构材料,泡沫金属在实际工程应用中通常处于复杂的应力状态,因此研究其在主应力和主应变空间中的初始屈服面和破坏面是很有必要的。然而,多轴拉伸加载的困难导致多轴下的屈服点和破坏点的数据量严重不足,难以刻画在主应力和主应变空间中的初始屈服面和破坏面。用数量稀少的数据点去表征泡沫金属的初始屈服面和破坏面存在以偏概全的可能,这也是泡沫金属初始屈服面和破坏面的表征一直存在争议的主要原因。因此,只有在主应力空间或主应变空间中用足够数量的数据点去直接展示泡沫金属屈服面和破坏面的全貌,才有可能得到合理的表征结果。本文建立包含细观结构的3D Voronoi闭孔泡沫铝模型并开展其的多轴加载有限元数值模拟实验。在单轴压缩、单轴拉伸和双轴拉伸的实验结果的基础上检验了基体铝的材料参数和计算参数的合理性。通过预设初始力加载的三轴比,可以得到覆盖整个主应力空间和主应变空间许可区域的动静态数据点,进而全面表征准静态屈服面、准静态破坏面和动态破坏面。本文的主要研究内容如下:(1)提出了适用于泡沫金属的多轴加载初始屈服准则和破坏准则。初始屈服准则和破坏准则是确定初始屈服面和破坏面上数据点的判据。然而目前很多研究都只是把单个方向的应力应变特征作为多轴加载下材料进入初始屈服或破坏的标志,忽略了多轴效应的影响。在初始屈服面的研究中,本文从基体材料的塑性耗散能的角度出发,提出了适用于泡沫金属多轴加载的初始屈服判据,该屈服判据能全面地考虑每个方向的荷载对屈服的作用。然而由于破坏面的研究涉及到较大的变形,此时基体的塑性耗散能远小于整个泡沫金属的塑性能量,以塑性耗散能作为初始破坏的标志不再合理。因此,本文还提出了以泡沫金属破坏单元的比例为指标的破坏准则,解决了泡沫金属多轴加载合理确定初始破坏状态的关键问题。(2)探究多轴准静态加载下泡沫金属在主应力空间和主应变空间中的初始屈服面特征。屈服数据点在主应力空间和主应变空间中均沿着不同的Lode角有序排列,但由于塑性流动的影响,应力屈服点存在着较大的离散,因此用应变表征屈服面比用应力表征更优。屈服点在主应力空间和主应变空间中的分布构成了椭球型的屈服面,利用几何关系可以在(σ_m,σ_e)应力平面或(ε_m,ε_e)应变平面中表征屈服面。平面中屈服点的分布与Lode角无关,构成了椭圆型的屈服面,屈服面的形状随着泡沫金属的相对密度增大而增大。用双参数对屈服面进行归一化可以消除相对密度的影响,从而可以用一个统一的椭圆方程拟合泡沫金属多轴准静态加载的应变初始屈服面。(3)探究多轴准静态加载下泡沫金属在主应力空间和主应变空间中的破坏面特征。数据点在主应力空间和主应变空间中均沿着不同的Lode角有序排列并在许可区域内构成了椭球型破坏面。受泊松效应的影响,相同工况下的应力破坏点和应变破坏点所对应的Lode角存在一定的偏差。材料的破坏发生在屈服状态之后,因此应力破坏数据点在主应力空间和主应变空间中的分布依旧比应变数据点更离散,用应变表征破坏面优于用应力表征。与屈服面相类似,破坏数据点在(ε_m,ε_e)应变平面中表征为椭圆型的破坏面,破坏面的形状随着泡沫金属相对密度的增加而增大。用单轴拉伸破坏应变对破坏面进行归一化消除了相对密度的影响并提出一个统一的多轴准静态加载应变破坏面方程。此外,还确定了准静态加载下的全局破坏面缺失区域的边界。因为在某些三轴加载工况下泡沫金属会被压缩至密实而不发生破坏,所以在主应力空间和主应变空间中的破坏面会出现一个缺失区域。通过理论分析确定出破坏面缺失区域的边界,与数值仿真结果吻合很好。(4)探究多轴动态加载下泡沫金属的破坏面特征。在中应变率多轴拉伸加载情况中,泡沫金属内部胞壁呈现出局部破坏特征,在胞孔间的连接部分由于应力集中而最先发生破坏,此时应力波不能在泡沫金属内部充分传播而导致固定端的应力随应变率的增加而减小。在微结构破坏机制下,泡沫金属多轴动态拉伸破坏面的形状随着应变率的增大而扩张。可以用椭球面表征各应变率下泡沫金属的全局破坏面并在(σ_m,σ_e)应力平面上建立带有应变率参数的椭圆破坏面方程。该破坏面方程同时适用于准静态多轴加载的情况,且与泡沫金属的相对密度无关。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景、目的和意义
•   1.2 泡沫材料的多轴实验测试技术
•     1.2.1 双轴拉伸/压缩测试技术
•     1.2.2 剪切/扭转组合测试技术
•     1.2.3 三轴测试技术
•   1.3 基于细观结构的泡沫金属有限元数值模拟
•     1.3.1 泡沫金属的细观结构模型
•     1.3.2 细观结构对力学性能的影响
•   1.4 多轴加载下泡沫金属的初始屈服面和破坏特征
•     1.4.1 多轴加载的初始屈服判据和破坏判据
•     1.4.2 泡沫金属的初始屈服面表征
•     1.4.3 多轴准静态加载下泡沫金属的破坏特征
•     1.4.4 泡沫金属的动态力学性能
•   1.5 现有的研究中存在的问题
•   1.6 本文主要研究内容
• 第二章 泡沫金属有限元模型的验证及多轴加载方案
•   2.1 引言
•   2.2 泡沫铝的双轴拉伸试验
•   2.3 泡沫金属有限元模型的建立和验证
•     2.3.1 泡沫金属有限元模型的建立
•     2.3.2 三维Voronoi有限元模型的验证
•   2.4 多轴准静态加载方案设置
•   2.5 本章小结
• 第三章 多轴准静态加载下泡沫金属的初始屈服面特征
•   3.1 引言
•   3.2 多轴准静态加载下泡沫金属的初始屈服判据
•   3.3 多轴准静态加载下泡沫金属的全局初始屈服面
•     3.3.1 多轴准静态加载下应力初始屈服面的表征
•     3.3.2 应力屈服点分布离散的机理
•     3.3.3 应变初始屈服面的表征
•     3.3.4 不同相对密度的应变初始屈服面
•   3.4 本章小结
• 第四章 多轴准静态加载下泡沫金属的破坏面特征
•   4.1 引言
•   4.2 多轴准静态加载下泡沫金属的破坏判据
•   4.3 多轴准静态加载下泡沫金属的全局破坏面特征
•     4.3.1 多轴加载下应力破坏面的表征
•     4.3.2 多轴加载下应变破坏面的表征
•     4.3.3 不同相对密度的应变破坏服面
•   4.4 全局破坏面上缺失区域边界的确定
•     4.4.1 全局应力破坏面上缺失区域的边界
•     4.4.2 全局应变破坏面上缺失区域的边界
•   4.5 本章小结
• 第五章 多轴动态加载下泡沫金属的破坏面特征
•   5.1 引言
•   5.2 单轴冲击下基于形状不规则度梯度泡沫金属的变形特征
•     5.2.1 基于形状不规则度梯度泡沫金属模型的构建
•     5.2.2 梯度泡沫金属的单轴冲击变形特征
•     5.2.3 梯度泡沫金属单轴冲击下的应力应变曲线
•   5.3 多轴动态加载下泡沫金属的破坏特征
•     5.3.1 泡沫金属多轴动态加载方案设置
•     5.3.2 多轴动态等比例拉伸下泡沫金属的破坏特征
•   5.4 多轴动态加载下泡沫金属的破坏面
•     5.4.1 多轴动态加载下泡沫金属的破坏判据
•     5.4.2 多轴动态加载下泡沫金属的全局破坏面特征
•     5.4.3 含有应变率的泡沫金属破坏面方程
•   5.5 本章小结
• 结论与展望
•   全文工作总结
•   展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件

文章来源

类型: 博士论文

作者: 吴奕东

导师: 汤立群

关键词: 泡沫金属,主应力空间,主应变空间,初始屈服面,破坏面

来源: 华南理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 力学,材料科学,金属学及金属工艺,机械工业

单位: 华南理工大学

基金: 国家自然科学基金项目(11772134,11772131,11772132,11472109),广东省自然科学基金(2015A030311046,2015B010131009),华南理工大学优秀博士学位论文创新基金

分类号: O344.1;TG14;TB383.4

DOI: 10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.000122

总页数: 120

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