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金属材料的时相关棘轮行为及其本构模型研究

阚前华  
【摘要】:棘轮效应(Ratcheting)给结构安全设计和寿命评估带来了严峻挑战,因而已经引起了国内外学者的广泛重视。近二十年来,国内外学者已对会属材料的棘轮行为进行了大量的实验研究和理论研究。然而已有的研究大都是在单一加载速率和加载波形下进行的。考虑加载速率、加载波形和保持时间的变化对材料变形行为的影响将更符合工程实际。因此有必要对材料的时相关棘轮行为进行系统的实验研究,进而发展时相关循环本构模型,并嵌入大型有限元软件包,对一些工程构件的时相关棘轮行为进行数值模拟。研究可促进先进本构模型在结构分析和寿命评估中的应用,具有重要的理论意义和工程应用价值。 本论文开展了如下研究工作: 1.在室温和973K下,对SS304不锈钢进行了较为系统的单轴和多轴非比例时相关循环加载实验,讨论了不同应力率、不同保持时间、不同加载波形和不同加载路径对材料棘轮行为的影响,为建立时相关本构模型提供了实验基础。 2.基于SS304不锈钢在室温和973K下的单轴时相关棘轮实验结果和Abdel-Karim-Ohno非线性随动硬化律,采纳统一粘塑性、塑性一蠕变叠加、粘塑性-蠕变叠加三类本构模型来描述单轴时相关棘轮行为。通过与实验结果的比较表明提出的粘塑性-蠕变叠加模型对时相关棘轮行为能给出令人满意的结果。 3.为了便于模型的有限元实现和向多轴棘轮行为的拓展,基于统一粘塑性框架,提出了一个新的能够描述时相关棘轮行为的本构模型。该模型中,在Abdel-Karim-Ohno非线性随动硬化律中引入了静力恢复项,并提出了一套准确、合理的模型参数确定方法。该模型预测结果与实验结果吻合得很好。 4.利用全隐式应力积分方法,针对考虑静力恢复项的统一粘塑性本构模型推导出新的一致性切线刚度矩阵,利用ABAQUS的用户子程序UMAT进行有限元移植,并通过结构实验检验有限元移植的正确性和合理性。


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