复杂荷载下金属材料的修正GTN模型及其应用研究

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精确的材料本构模型无论对于航空航天领域还是土木建筑领域的结构断裂、疲劳等分析都是至关重要的课题。国内外学者研究发现延性断裂与材料内部夹杂所造成的微孔洞的萌生、发育和聚合的损伤演化过程密不可分。本文基于连续损伤力学和细观损伤力学,将材料内部微观缺陷等效为球形孔洞,通过球形孔洞在不同受力状态下的演化表示材料损伤状态。本文主要从材料拉伸、剪切以及蠕变三个方面对GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman Model)模型进行修正。1.对于单向拉伸状态下,通过等效孔洞增长过程,建立由等效塑性应变控制的孔洞增长方程,考虑孔洞的不均匀增长,并通过转化变量引入到连续损伤模型中,开发用于分析钢材等金属材料延性断裂损伤模型。2.对于剪切状态下,在GTN模型中,孔洞体积的增长由静水压力控制,在纯剪切状态下,静水压力为零,GTN模型不能准确模拟此过程的损伤演化。本文通过使用孔洞跨度与孔洞间隔的比值表示材料剪切损伤状态,提出修正剪切损伤变量,建立适用于分析剪切状态下材料失效破坏的修正GTN模型,并且通过有限元分析案例分析验证本章提出的剪切变量的可行性。3.为了描述多孔材料的蠕变变形,本文通过使用GTN模型中的塑性势函数修正UCP(Unified Creep and Plasticity Model)模型的过应力计算公式,将GTN模型与UCP模型相结合,同时结合本文提出的剪切损伤变量,形成用于分析多孔材料的蠕变的本构方程。最后,通过结合本文提出的修正模型的数值结果与文献数据进行对比,验证本文提出的修正本构模型的实用性和精度。
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