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高强铝合金细观区域裂纹扩展模拟

刘剑  
【摘要】:在国民经济发展和国防建设高强铝合金有着非常重要的战略地位,它是目前很多民用飞机、军用飞机以及交通运输工具中不可替代的重要结构材料,这主要是由于其具有强度高、加工性能良好、价格低廉等突出的性能优点。然而,材料和结构中的缺陷是不可避免的,在载荷作用下由于材料缺陷存在导致飞机、船舶、车辆、核能、化工及海洋工程等结构最主要的失效形式。材料裂纹端点附近细小区域内的力学行为对材料的断裂现象起到了主要的决定性作用。因此从细观模型出发,采用合理的材料本构关系,对含缺陷细观区域7055高强铝合金材料韧性裂纹扩展的研究就有着十分重要的意义。 本文对铝合金细观区域裂纹扩展进行了两个方面的研究。一方面,建立铝合金细观区域单边细裂纹模型,在一对均匀的拉应力作用下模拟裂纹扩展,并且对裂纹扩展过程中的裂纹前缘应力场的演化情况进行研究。结果表明:在加载的过程中,S11应力的最大值出现在离端点有一定距离的裂纹延长线上而不是裂纹端点处,这主要是由于裂纹端点附近材料发生了软化,导致裂纹前缘应力场重新分布的结果。然而裂纹前缘的等效塑性应变(PEEQ)随着载荷的增大而显著增大;但是裂纹线方向上的等效塑性应变(PEEQ)却明显减小,说明材料损伤发生于裂纹前缘较小的区域内,并没有对其它区域产生很大影响。 另一方面,在ABAQUS有限元平台上建立293K温度下对多个材料缺陷细观区域模型在复杂载荷作用下导致裂纹扩展进行了相关的数值模拟。分析了裂纹扩展过程。通过对比同一模型在一对均匀的拉应力作用下裂纹形成过程及结果可得复杂载荷作用下对含缺陷材料和结构产生的危害是非常大的,而且在复杂载荷作用下材料和结构在产生裂纹时,很难预判裂纹扩展路径和裂纹扩展起始点。然后模拟不同温度下裂纹扩展情况,比较及分析温度对裂纹扩展的影响。


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