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小冲孔试样高温蠕变损伤的有限元模拟

尤英俊  
【摘要】:小冲孔蠕变试验技术作为一种基于“无损取样”的新型试验方法,已越来越多 的被应用于金属材料、非金属材料、复合涂层的蠕变性能研究。目前小冲孔蠕变试 验研究大都仅仅是定性分析,定量的研究少而不深入,并且尚未建立起小冲孔蠕变 试验数据和传统单轴拉伸试验数据之间的关联性,小冲孔蠕变数据与蠕变损伤特性 的关联研究十分缺乏。为此,本文基于连续损伤力学理论,结合宏观试验、理论分 析、应用有限元数值模拟对高温下的小冲孔试样的蠕变损伤进行了分析和研究。主 要研究工作和结论如下: (1)进行了 SUS304 材料的高温单轴拉伸蠕变试验和小冲孔蠕变试验,获得了 SUS304 材料的蠕变损伤本构方程。对由两种试验技术分别获得的蠕变损伤本构方 程比较表明:基于小冲孔蠕变试验技术进行蠕变损伤性能评价是可行性的。 (2)基于大型商用有限元软件 ABAQUS,通过编制用户子程序 UMAT,在 ABAQUS 中耦合了改进的 K-R 蠕变损伤本构方程,从而完整模拟了试样蠕变损伤 及破坏的全过程,解决了常规蠕变数值分析不能获得蠕变第三阶段的问题;同时证 明了作者所建立的有限元模型的正确性。 (3)试样损伤曲线变化规律与蠕变应变的变化规律相类似,损伤曲线具有减 速、恒速和加速的三阶段。蠕变损伤局部化特征很明显,试样的失效首先发生在试 样下表面离中心 0.8mm 处,与试验观察到的颈缩部位比较一致。 (4)小冲孔试样的蠕变变形过程比较复杂,不同于单轴蠕变变形和构件的压 缩过程。试样在径向上的蠕变应变分散性很大,试样的中心和远离中心的单元所发 生的形变趋势也各不相同,有的甚至相反。 (5)压头与试样间接触面的摩擦系数对试样中心的挠度、蠕变应变、蠕变损 伤有较大的影响,选取摩擦系数为零得到的结果是最为保守的,证明了模型采用零 摩擦系数的合理性。 (6)利用有限元模拟技术分析了试样厚度、试样直径、压头球径对小冲孔蠕 变试验结果的影响。结果表明试样的厚度对于试验的结果影响最大,试验的试样厚 度最好控制在 0.45mm~0.5mm 之间。


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