小冲杆试验中材料力学性能的有限元分析

论文摘要

小冲杆试验法是近几年发展起来的一种新型的测试方法,它利用尺寸极其微小的试样对服役材料进行失效分析和寿命评估,在测试材料基本性能（屈服极限,强度极限等）、韧脆性转变温度、断裂韧性和蠕变性能等方面得到了较广泛的认可、应用和发展。目前,小冲杆试验的一个研究热点在于找到小冲杆试验结果与传统常规试验结果之间的联系,以达到在某些领域,利用小冲杆试验最终代替传统试验的目的。在小冲杆试验研究过程中,研究者普遍采用试验与模拟相结合的方式对小冲杆试验进行全面的研究。有限单元法在模拟小冲杆试验过程中起到了非常重要的作用。为了模拟小冲杆试验中材料所表现出的力学性能、研究不同试验条件对试验结果的影响并找到小冲杆试验结果与材料断裂性能之间的关系,本文建立了一个有限元模型,用来研究小冲杆试验过程,并以Ti-6Al-4V合金和原位生成体积分数为10%的TiB与TiC颗粒混合增强Ti-6Al-4V复合材料为例,做了以下的研究:1.根据实际小冲杆试验,搭建了一个有限元模型。该模型能够成功地模拟小冲杆试验过程,并输出与实际情况相符的结果曲线,从而验证了此有限元模型的正确性和有效性。2.利用上述模型,研究了试样厚度和冲头与试样之间的摩擦系数这两个试验条件对试验结果的影响。对不同厚度试样的模拟结果表明,模拟所得到的载荷-位移曲线的走向基本一致,但是试样所承受的最大载荷对于厚度十分敏感。因此在实际试样制备过程中要特别注意试样厚度的精度。同时说明不同厚度试样的试验结果之间没有可比性。对于摩擦系数的研究表明载荷-位移曲线对于摩擦系数的变化不敏感。3.通过有限元模型中的参数,计算了Ti-6Al-4V合金、原位生成体积分数为5%及10%的TiB与TiC颗粒混合增强Ti-6Al-4V复合材料三种钛材料的断裂韧性JΙC和小冲杆试验总能量E sp,建立了等效断裂应变、断裂韧性和总能量之间的关联公式。结果表明:对于钛材料来说,断裂韧性JΙC、小冲杆试验总能量E sp与小冲杆试验中所测得的等效断裂应变εqf之间存在着线性关系,从而找到了小冲杆试验与传统常规试验之间的联系。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 小冲杆试验简介
• 1.2 复合材料及其性能
• 1.3 非连续增强复合材料力学性能的研究
• 1.4 钛合金及钛基复合材料背景综述
• 1.5 有限元模拟
• 1.5.1 有限元方法简介
• 1.5.2 有限元方法的应用
• 1.5.3 有限元软件介绍
• 1.6 本文的研究内容和方法
• 2 小冲杆试验技术在评定材料性能的应用进展
• 2.1 小冲杆试验用于材料强度的研究
• 2.2 小冲杆试验用于材料冲击韧性测试技术研究
• 2.3 小冲杆试验用于材料蠕变性能的研究
• 2.4 小冲杆试验用于材料断裂性能的研究
• 2.5 本章小结
• 3 有限单元法基本原理
• 3.1 有限元分析的力学基础
• 3.1.1 弹性力学基本方程
• 3.2 有限元分析的数学求解原理
• 3.2.1 虚功原理
• 3.2.2 线弹性力学的变分原理
• 3.3 有限元分析的基本步骤
• 3.4 连续体的有限元分析原理
• 3.5 本章小结
• 4 模型的建立、计算和分析
• 4.1 有限元模型的建立
• 4.1.1 网格的划分
• 4.1.2 求解方法的选择
• 4.1.3 分析步和失效判据
• 4.1.4 网格数目的确定
• 4.2 计算结果的评估
• 4.3 计算结果与分析
• 4.3.1 验证所建立模型的正确性
• 4.3.2 试样厚度对结果的影响
• 4.3.3 摩擦系数对试验结果的影响
• 4.3.4 建立小冲杆试验评定材料断裂韧性的公式
• 4.4 本章小结
• 5 结论
• References
• 致谢
• 作者攻读硕士期间发表的论文
• 上海交通大学硕士学位论文答辩决议书