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韧性断裂理论研究及其工程应用

景峥  
【摘要】:韧性断裂的预防对于许多工程构件的工程安全有着重要的意义,其韧性断裂准则的研究也因其有着重要的学术价值而成为国内外学者近年来的热门研究课题之一。本文主要围绕韧性断裂理论展开研究,包括韧性断裂的断裂准则,断裂过程中孔洞的增长以及断裂理论的应用。在前人研究成果的基础上,本文将韧性断裂视为三个阶段的结果:孔洞的初始,增长和联合;论文回顾了这三个阶段的已有相关实验所观察到的力学现象和主要结果,分析并总结了相应的理论研究,概括性地提出了每个阶段对于韧性断裂的影响因素。从微观角度出发,通过单胞模型的方法对非轴对称载荷下孔洞的增长进行了数值模拟,其结果与Gologanu模型在相同条件下得到的数值结果进行了比较。从宏观角度,围绕韧性断裂的断裂准则对于应力三轴性状态和初始孔洞率的敏感性问题,通过单胞模型对其进行了研究。关于高温和高应变率对于韧性断裂的断裂准则的影响也从实验和数值模拟两方面开展了研究。在最后对于在目标试件上Lode参数和应力三轴性的分布和演化规律进行了数值性的探索,以此作为研究断裂应变εf、Lode参数θ和应力三轴性T的空间内的3D断裂准则的基础。 论文的主要工作和创新性成果主要包括以下几个方面。 通过引入带有周期性边界条件的单胞模型,研究了韧性孔洞材料中孔洞的生长。不同于以往的轴对称载荷下的轴对称模型,采用了非轴对称的3D模型和非轴对称的载荷(简单单轴拉伸,平面应变的单轴拉伸以及双轴拉伸)。初始孔洞率为0.5%到9%;单胞模型的基质采用了Von Mises塑性理论。通过结果的评估,得到了单胞模型的孔洞率的演化规律。对同样的问题,用Gologanu模型也计算了其孔洞率的演化。对两种模型得到的孔洞生长的预测进行了比较,发现对于简单拉伸载荷下其结果相似,但对于其它两种载荷结果区别很大。对于单胞模型得到的结果提出了一种关于孔洞率增长规律的拟合方程并对拟合方程中的参数与应力三轴性的关系进行了详细的讨论。 对立方体基质包含圆球形孔洞的单胞模型的基质采用了恒值断裂准则;在七种应力三轴性状态下计算分析了其单胞模型的断裂行为。这七种应力三轴性状态(T=σ m/σe,σm和σe分别是静水压力和等效应力)分别是双轴压缩T=0.667,平面应变下的单轴压缩T=-0.577,简单单轴压缩T=-0.333,简单剪切T=0,简单单轴拉伸T=0.333,平面应变下的单轴拉伸T=0.577,以及双轴拉伸T=0.667。同时初始孔洞率采用从0.5%到25%以观察初始孔洞率对断裂的影响。结果表明,应力三轴性对断裂准则的影响与Wierzbicki在2010年通过实验得出的改进的Mohr-Coulomb断裂准则相符合;同时,根据计算结果提出了初始孔洞率、应力三轴性对材料断裂应变影响的新模型。 对涡轮室的材料灰口铸铁(GGG400SiMo)的断裂行为,进行了若干组不同条件下的实验研究:准静态和室温条件,高应变率冲击载荷和高温(高达600℃)。这些实验涵盖了较广泛的应力三轴性。在数值模拟方面,采用了改进的Cast Iron模型来模拟材料的弹塑性行为;采用了Vohringen模型模拟计算中应变率的影响;以实验数据为基础,提出了一个改进的较合理的断裂准则(包括上限和下限准则),并将之应用于所有实验的断裂数值模拟。结果表明,大部分的断裂数值模拟结果与实验数据符合得很好。 考虑到凹纹平板和缺口平板两种试件对三轴性T和Lode参数θ两个影响延性材料断裂的重要参数较好的控制能力,对不同尺寸的这两种试件中的T和θ的演化和分布规律进行了系列数值模拟。结合等效塑性应变ε和三轴性T的分布和演化,参考Yingbin Bao和Tomasz Wierzbicki等人提出的双曲线断裂准则,判断可能发生初始断裂的区域并标示具有代表性的节点。对这些节点的T和θ随ε的变化曲线进行分析比较,得出一些新的规律性结论:T和θ在缺口平板试件中比在凹纹平板试件中展现出更平稳的演化特点;凹纹平板中心由于其为平面应变状态,θ值为0;随着缺口平板的圆槽半径FNP-R增大,其应力三轴性T将减小,Lode参数θ将越小。这对工程应用是有指导意义的。


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