基于微孔洞细观损伤模型的金属剪切失效分析

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1、第４３卷第１期华中科技大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．４３Ｎｏ．１２０１５年１月Ｊ．ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖ．ｏｆＳｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｊａｎ．２０１５ＤＯＩ：１０．１３２４５／ｊ．ｈｕｓｔ．１５０１０６基于微孔洞细观损伤模型的金属剪切失效分析姜薇１１２３李亚智刘敬喜菊池正纪（１西北工业大学航空学院，陕西西安７１００７２；２华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北武汉４３００７４；３东京理科大学机械工程学部，千葉县野田市２７８－８５１０）摘要针对ＧＴＮ模型不能模拟剪切破坏这

2、一缺陷，基于Ｎａｈｓｈｏｎ和Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ的修正，在隐式有限元过程中开发了同时适用于拉伸和剪切断裂模式的细观损伤材料本构．首先，推导了适用于修正后损伤本构的全隐式数值积分公式和一致性切线模量，给出了ＵＭＡＴ子程序的计算流程；然后，采用一个单元分别施加拉伸和剪切边界条件，验证了细观损伤材料本构的有效性；最后，分析了薄壁结构在扭转载荷下的弹塑性响应．与试验结果的对比研究表明：修正的细观损伤模型能够较好地预测出延性材料的剪切损伤演化过程．关键词韧性断裂；剪切失效；细观损伤模型；微孔洞；修正的ＧＴＮ模型中图分类号

3、ＴＢ３１文献标志码Ａ文章编号１６７１－４５１２（２０１５）０１－００２４－０６Ｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｍｅｔａｌｌｉｃｓｈｅａｒｆａｉｌｕｒｅｂｙｖｏｉｄ－ｂａｓｅｄｍｅｓｏ－ｄａｍａｇｅｍｏｄｅｌ１１２３ＪｉａｎｇＷｅｉＬｉＹａｚｈｉＬｉｕＪｉｎｇｘｉＫｉｋｕｃｈｉＭａｓａｎｏｒｉ（１ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００７２，Ｃｈｉｎａ；２ＳｃｈｏｏｌｏｆＮａｖａｌＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＯｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒ

4、ｉｎｇ，ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ；３ＴｏｋｙｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，ＣｈｉｂａＮｏｄａ２７８－８５１０，Ｊａｐａｎ）ＡｂｓｔｒａｃｔＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＧｕｒｓｏｎ－Ｔｖｅｒｇａａｒｄ－Ｎｅｅｄｌｅｍａｎ（ＧＴＮ）ｍｏｄｅｌｆｏｒｓｈｅａｒｆａｉｌｕｒｅｂｙＮａｈｓｈｏｎａｎｄＨｕｔｃｈｉｎｓｏｎ，ａｖｏｉｄ－ｂａｓｅｄｍｅｓｏ－ｄａｍａｇｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌ

5、ｗａｓｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｉｎｔｏａｎｉｍｐｌｉｃｉｔｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｃｏｄｅｖｉａａｕｓｅｒｄｅｆｉｎｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓｕｂｒｏｕｔｉｎｅ（ＵＭＡＴ）ｉｎＡＢＡＱＵＳ．Ｔｗｏｃｒｉｔｉｃａｌｎｕｍｅｒｉｃａｌｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ，ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒａｔｅｆｏｒｍｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｅｑｕａｔｉｏｎｓａｓｗｅｌｌａｓｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｔａｎｇｅｎｔｍｏｄｕｌｕｓ，ｉｎｖｏｌｖｅｄｉｎｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｈｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｗ

6、ｅｒｅｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｅｘａｍｐｌｅｓｆｏｒｓｉｎｇｌｅ－ｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｓｕｎｄｅｒｂｏｔｈｕｎｉａｘｉａｌｔｅｎｓｉｏｎａｎｄｐｕｒｅｓｈｅａｒｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｄｅｍｏｎ－ｓｔｒａｔｅｔｈｅａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｉｓａｐｐｒｏａｃｈｔｏｃａｒｒｙｏｕｔｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｉｎａｎａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｗａｙ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｄａｍａｇｅｍｏｄｅｌｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆａｐｕｒｅｔｏｒｓｉｏｎｔｕｂ

7、ｕｌａｒｓｐｅｃｉｍｅｎ．ＴｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｉｎCAMEO楷模CAE案例库ｇｏｏｄａｇｒｅｅｍｅｎｔｗｉｔｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ，ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇａｂｅｔｔｅｒｄｕｃｔｉｌｅｆｒａｃｔｕｒｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌＧＴＮｍｏｄｅｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｄｕｃｔｉｌｅｆｒａｃｔｕｒｅ；ｓｈｅａｒｆａｉｌｕｒｅ；ｍｅｓｏ－ｄａｍａｇｅｍｏｄｅｌ；ｖｏｉｄ；ｍｏｄｉｆｉｅｄＧＴＮｍｏｄｅｌ［１］Ｇｕｒｓｏｎ模型在屈服函数中考虑了损伤参下材料自

8、孔洞萌生至最终断裂的整个损伤演化过［３－５］数（即孔洞体积分数ｆ）和静水应力的影响，被广程．ＧＴＮ模型不能模拟剪切主导的失效模［６－７］泛地用于分析金属材料的韧性断裂过程．Ｇｕｒｓｏｎ式，其损伤参数ｆ是平均的孔洞体积分数，只屈服函数中，损伤和静水应力紧密地联系在一起．在正平均应力的作用下才会增长．纯剪状态下平Ｔｖｅｒｇａａｒｄ和Ｎｅｅｄｌｅｍａｎ对Ｇｕｒｓｏｎ模型进行了均应力为零，孔洞