连续大变形过程中随内变量演化的非对称屈服效应及有限元验证

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在密排六方金属及其合金中,随内变量强烈演化的非对称屈服效应在连续大变形过程中十分显著,这对成形性能有显著的影响,限制了密排六方金属及其合金的工程应用,并引出了宏观性能定量对应微结构和织构演化的重要科学问题。在本研究中,应用了一个能够准确描述静水压力敏感性、拉压不对称性、各向异性的应力不变量非对称屈服函数,发展了一种考虑内变量函数和应力状态Lode参数的解析插值方法,建立了相邻屈服面之间的连续演化,构建了一种充分考虑非对称屈服演化的率无关大变形次弹塑性本构关系,引入了非关联流动准则的塑性势消除了塑性膨胀,用能够捕捉演化效应的连续插值屈服函数对内变量的偏导数修正了塑性模量,并解析且简单地表达了塑性模量,采用显式积分算法对厚度压缩和面内压缩Zr进行了连续大变形条件下的有限元模拟,对演化的非对称屈服效应及本构描述进行了数值验证,计算结果误差小且计算效率高。结果表明:(1)在不同预应变水平下,连续插值非对称屈服函数和所提出的本构关系,在不考虑演化效应的情况下和传统的屈服函数[1,2]一样,可以准确描述密排六方金属Zr的无演化非对称屈服。(2)对于连续大变形加载,考虑了演化效应的应力不变量非对称屈服函数联同本文提出的连续插值及大变形本构显著地修正了各个加载路径上的应变硬化率,修正的仿真结果比未修正的仿真结果更接近理论应力应变数据,尤其在屈服面演化剧烈的路径上。(3)在连续大变形过程中,面内压缩Zr比厚度压缩Zr表现出更强烈的随累积塑性应变演化的非对称屈服效应,考虑演化效应的连续插值屈服函数和大变形本构关系仍然可以精确地描述应变硬化率和应力—应变关系,并且在面内压缩Zr的双轴拉伸路径上,可以准确地捕捉软化效应。而传统的屈服函数没有考虑静水压力相关性、拉压不对称、各向异性及它们的演化,所以无法捕捉软化效应,并且传统屈服函数也不适合描述大变形非对称屈服过程。本文所提出的非对称屈服演化及其大变形本构描述具有较高的精度和广泛的适用性,适用于各种单个或多个内变量的非对称屈服及复杂加载路径的非线性塑性行为,能够被用于密排六方金属及其合金的剧烈塑性变形仿真和对应微观机理的科学研究。
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