循環(huán)硬化材料高溫非比例循環(huán)棘輪行為的本構(gòu)描述及其有限元實現(xiàn).pdf

1、棘輪效應(yīng)是在非對稱應(yīng)力控制循環(huán)加載下塑性變形的循環(huán)累積。棘輪效應(yīng)可能導(dǎo)致疲勞壽命的減少或使結(jié)構(gòu)的變形超過限制而不能正常工作，是實際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要考慮的一個重要問題。近20年來，國內(nèi)外學(xué)者已對金屬材料的棘輪行為進行了大量的實驗和理論研究，在材料的循環(huán)本構(gòu)模型、棘輪效應(yīng)的預(yù)測等方面取得了較大的進展。但是，對金屬材料的棘輪效應(yīng)，尤其是材料的高溫非比例多軸棘輪效應(yīng)進行準(zhǔn)確的預(yù)測仍是一個很大的挑戰(zhàn)。因此，對金屬材料的非比例多軸棘輪行為及與其相

2、關(guān)的應(yīng)變循環(huán)變形行為進行系統(tǒng)深入的實驗研究，繼而發(fā)展能較為精確的對其進行描述的本構(gòu)模型，對固體力學(xué)及其相關(guān)學(xué)科具有非常重要的理論意義，對工程構(gòu)件更可靠的設(shè)計和使用也具有重要的應(yīng)用價值。此外，隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)可以采用有限元軟件對各種工程構(gòu)件的變形行為進行模擬和預(yù)測。然而，現(xiàn)有的一些大型有限元程序中使用的循環(huán)本構(gòu)模型對棘輪效應(yīng)等循環(huán)變形行為的預(yù)測不夠精確，因此有必要將新發(fā)展的本構(gòu)模型進行數(shù)值實現(xiàn)，并將其移植到現(xiàn)有的有限元軟

3、件中，進而對一些工程結(jié)構(gòu)的循環(huán)變形行為進行準(zhǔn)確的數(shù)值模擬。這可以促進先進模型在結(jié)構(gòu)分析和壽命評估中的應(yīng)用，具有較高的工程應(yīng)用價值。 為了對循環(huán)硬化材料在高溫下的非比例多軸棘輪行為和應(yīng)變循環(huán)特性進行深入系統(tǒng)的研究并對其進行較為精確的本構(gòu)描述，本論文開展了如下工作： 1.在350℃和700℃下，對材料在單軸和多種加載路徑下的非比例多軸棘輪行為和應(yīng)變循環(huán)特性進行了系統(tǒng)的實驗研究。通過對實驗數(shù)據(jù)的研究分析，得到了材料在高溫下的非

4、比例棘輪行為和應(yīng)變控制循環(huán)變形行為的基本特性，為相關(guān)本構(gòu)模型的建立奠定了基礎(chǔ)。 2.在統(tǒng)一粘塑性循環(huán)本構(gòu)的框架下，改進和發(fā)展了一個新的本構(gòu)模型，對材料的高溫非比例多軸棘輪行為和應(yīng)變循環(huán)變形行為進行了統(tǒng)一描述。該模型給出了一個新的背應(yīng)力演化方程，引入了非比例度參量，并且還考慮了最大塑性應(yīng)變幅值記憶效應(yīng)和溫度效應(yīng)的影響。與模型相配套，采用了一套合理的方法確定材料參數(shù)。模型的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的比較表明，新發(fā)展的本構(gòu)模型對SS304不

5、銹鋼高溫非比例多軸循環(huán)變形行為的描述比較合理。 3.利用隱式積分方法，推導(dǎo)出簡化本構(gòu)模型的應(yīng)力積分公式和整體迭代所需的一致性切線剛度矩陣，借助大型有限元軟件ABAQUS的用戶子程序，將模型移植到有限元分析軟件中。采用移植后的ABAQUS軟件對材料在不同加載路徑下的循環(huán)變形行為進行了有限元分析，對簡單工程構(gòu)件的高溫棘輪行為進行了有限元模擬并與實驗結(jié)果進行了比較。結(jié)果表明，本構(gòu)模型的有限元實現(xiàn)是成功的，該模型具有較高的工程應(yīng)用價值。