GTN模型的算法研究、程序開發(fā)及試驗(yàn)驗(yàn)證.pdf

1、金屬材料的韌性斷裂過程一般要經(jīng)歷三個階段，即在一定條件下，微孔洞的逐漸長大、慢慢形核以及最終聚合，這一轉(zhuǎn)變過程導(dǎo)致了材料宏觀裂紋的萌生和斷裂。1975年，Gurson提出細(xì)觀模型，后經(jīng)Tvergaard和Needleman進(jìn)一步修正，形成GTN細(xì)觀損傷模型。但原Gurson細(xì)觀損傷模型沒有考慮不連續(xù)微孔洞的影響，不能預(yù)測孔洞之間的頸縮現(xiàn)象。因此，本文從數(shù)值積分算法著手，在原GTN細(xì)觀損傷模型的基礎(chǔ)上引入塑性極限載荷模型，研究材料的損傷演

2、化及斷裂失效過程。為了研究高導(dǎo)無氧銅(OFHC)材料在單軸拉伸條件下的斷裂破壞過程，本論文進(jìn)行了如下研究工作:
　　1.基于Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)細(xì)觀損傷模型的本構(gòu)理論，根據(jù)向后Euler完全隱式積分算法，以及彈性預(yù)測-塑性校正方法，離散數(shù)值積分公式，更新應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，詳細(xì)推導(dǎo)相應(yīng)的一致切線剛度矩陣，提出數(shù)值算法的實(shí)現(xiàn)思路。以孔洞聚合時的臨界孔隙率fc為橋梁，將塑性極限載荷模型和GTN細(xì)觀損

3、傷模型相結(jié)合。編寫大型有限元軟件ABAQUS/STANDARD的用戶自定義材料子程序UMAT，實(shí)現(xiàn)修正的GTN細(xì)觀損傷模型在有限元環(huán)境中的應(yīng)用。
　　2.利用高導(dǎo)無氧銅(OFHC)材料加工成的光滑和缺口圓棒試樣，進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，獲取載荷-位移曲線。由光滑圓棒試樣得到的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線，確定楊氏模量、初始屈服應(yīng)變、屈服極限及強(qiáng)度極限;對于塑性屈服后的硬化部分，采用Ramberg-Osgood硬化準(zhǔn)則進(jìn)行擬合，確定硬化系數(shù)以及

4、硬化指數(shù)。
　　3.建立缺口圓棒試樣的軸對稱有限元計算模型，選用八節(jié)點(diǎn)軸對稱縮減積分單元(CAX8R)，采用嵌入了UMAT的ABAQUS軟件進(jìn)行計算。根據(jù)前人的研究經(jīng)驗(yàn)及方法，并結(jié)合單軸拉伸試樣的試驗(yàn)和數(shù)值預(yù)測結(jié)果，通過綜合對比分析，最終確定修正的GTN細(xì)觀損傷模型損傷參數(shù)。
　　4.根據(jù)已確定的損傷參數(shù)，采用用戶自定義材料子程序UMAT，實(shí)現(xiàn)修正的GTN細(xì)觀損傷本構(gòu)模型在有限元軟件ABAQUS環(huán)境中的應(yīng)用。對缺口圓棒試樣，

5、進(jìn)行數(shù)值模擬斷裂失效預(yù)測，預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)曲線基本吻合，驗(yàn)證了該模型的有效性，該方法的合理性和可行性。
　　5.分析了裂紋萌生點(diǎn)的位置和擴(kuò)展路線、應(yīng)力三軸度沿著最小橫截面的變化、以及斷裂區(qū)損傷演化規(guī)律。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，裂紋萌生點(diǎn)最早產(chǎn)生于缺口試樣的中間位置，不久之后，載荷急劇下降;缺口圓棒試樣的中間位置應(yīng)力三軸度最高，而在自由邊附近最低。這主要是因?yàn)?，由于塑性變形的增大，孔洞體積分?jǐn)?shù)也隨之增加，當(dāng)達(dá)到塑性極限載荷時，微孔洞開始聚合，孔