基于有限變形框架的熱-力耦合循環(huán)本構(gòu)模型研究.pdf

1、航空航天、壓力容器、核動力管道及高速鐵路等工程領(lǐng)域中，金屬材料和結(jié)構(gòu)件通常承受復(fù)雜循環(huán)載荷作用。變形的循環(huán)累積引起的疲勞失效是其最主要的一種失效模式。同時，金屬材料的循環(huán)塑性變形（尤其是大變形循環(huán)塑性變形）過程中塑性功產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致材料和結(jié)構(gòu)件的溫度持續(xù)升高。溫度的升高一方面會影響結(jié)構(gòu)件周圍熱敏元件的正常工作;另一方面會使材料軟化，進(jìn)而產(chǎn)生更多的塑性耗散，熱軟化和塑性耗散的交互作用會導(dǎo)致非常大的塑性變形，大大加速材料和結(jié)構(gòu)件的疲勞失效

2、。因此，金屬材料在循環(huán)變形過程中的大變形熱-力耦合效應(yīng)需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計和壽命預(yù)測時予以重點考慮。近幾十來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對金屬材料的循環(huán)變形行為開展了廣泛的實驗和理論研究，在材料的本構(gòu)模型方面取得了很大的進(jìn)展。然而，絕大部分的本構(gòu)模型都是都局限在小變形框架和等溫條件下，很少考慮復(fù)雜加載條件下的大應(yīng)變及變形過程中的熱效應(yīng)和熱-力耦合作用，限制了此類本構(gòu)模型的預(yù)測能力，仍需要大力發(fā)展。因此，很有必要開展金屬材料在單軸和非比例多軸循環(huán)載荷下的熱

3、-力耦合變形行為的實驗研究，進(jìn)而建立基于有限變形框架的熱-力耦合循環(huán)本構(gòu)模型，并將其移植到有限元軟件中。這不僅豐富了固體力學(xué)學(xué)科的理論研究成果，對工程結(jié)構(gòu)件的可靠性設(shè)計和壽命評估中也具有重要的應(yīng)用價值。
　　為了對金屬材料的循環(huán)變形特征和變形過程中的熱效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)的研究，并建立基于有限變形框架的熱-力耦合循環(huán)本構(gòu)模型，本論文開展了如下研究工作:
　　1.在實驗室環(huán)境下，對316L不銹鋼材料在單軸拉伸載荷、單軸和非比例

4、多軸應(yīng)變和應(yīng)力控制循環(huán)載荷下的熱-力耦合變形行為開展了系統(tǒng)的實驗研究?？疾炝瞬牧系穆氏嚓P(guān)行為、應(yīng)變幅值相關(guān)的循環(huán)硬化-軟化-硬化特性、Swift效應(yīng)、應(yīng)力水平和加載路徑對循環(huán)變形（包括棘輪變形）的影響以及變形過程中內(nèi)部熱效應(yīng)形成機(jī)制，同時為基于有限變形框架的熱-力耦合循環(huán)本構(gòu)模型的建立提供了實驗基礎(chǔ)。
　　2.基于對數(shù)客觀率，將小變形框架下的Abdel-Karim-Ohno隨動硬化律進(jìn)行拓展，同時引入各向同性硬化律反映材料的循環(huán)軟

5、/硬化行為，建立了有限變形框架下的循環(huán)塑性模型，并對所建模型進(jìn)行了有限元實現(xiàn)。所建的有限變形循環(huán)塑性模型對大變形剪切下的軸向應(yīng)力效應(yīng)、大應(yīng)變扭轉(zhuǎn)循環(huán)過程中的Swift效應(yīng)及單軸和雙軸棘輪行為均能給出合理的模擬和預(yù)測，同時為基于有限變形框架的熱-力耦合循環(huán)本構(gòu)模型奠定了基礎(chǔ)。
　　3.基于熱力學(xué)定律及對數(shù)應(yīng)力率，首先在有限變形框架下建立了嚴(yán)格自洽的熱-力耦合循環(huán)本構(gòu)框架（彈-塑性和彈-粘塑性均適用）;然后在建立的框架下，結(jié)合316L

6、不銹鋼的實驗研究成果建立了熱-力耦合彈-粘塑性本構(gòu)模型。模型中拓展了已建立的有限變形隨動硬化律;并采用疊加的各向同性演化方程來反映材料循環(huán)硬化-軟化-硬化特征;同時在各向同性演化方程中引入了Chaboche提出的塑性應(yīng)變記憶面以及Tanaka提出的非比例度因子來反映材料循環(huán)硬化行為的應(yīng)變幅值依賴性及非比例附加硬化效應(yīng)。最后，通過對所建立的熱-力耦合循環(huán)本構(gòu)模型的有限元實現(xiàn)，利用有限元方法對316L不銹鋼的單調(diào)拉伸行為、單軸和和非比例多軸