论文总字数：23008字

摘 要

铸钢构件主要破坏形式为韧性破坏，从细观角度解释韧性金属材料的韧性破坏，更加合理和科学地解释铸钢的宏观裂纹的萌生和断裂的发展过程。本文将应用最为广泛认可的细观损伤模型是GTN模型，引入塑性极限载荷模型，研究材料的损伤演化和断裂失效的过程。

取材自GS20Mn5V铸钢加工成标准和缺口的试件，进行单向拉伸破坏试验。由标准试件的真实应力-真实应变曲线，确定材料的基本力学参数；塑性屈服后的硬化部分，采用Ramberg-Osgood硬化准则，确定硬化系数和硬化指数。

基于GTN细观损伤模型理论，由向后Euler完全隐式积分算法、塑性极限载荷模型、一致切线刚度矩阵、应力应变更新关系，实现数值算法程序。通过有限元软件ABAQUS/STANDARD中的用户自定义材料子程序UMAT，实现修正的GTN模型在实际中的应用。

由三维X射线断层扫描重构技术软件VG Studio确定初始孔洞体积分数f_o、极限孔洞基体分数f_F，结合前人研究经验和单向拉伸试验，通过对比分析，确定GTN细观损伤模型的损伤参数。

最后探讨GTN模型中f_n和q参数的两种取值方法对预测结果的影响，能较好的实现断裂预测，证明GTN损伤模型运用于工程实际的可行性。

关键词：GTN模型，有限元，GS20Mn5V

ABSTRACT

The main failure mode of cast steel members is ductile failure. The ductile failure of ductile metal materials is explained from the meso point of view, and the development process of the macroscopic crack initiation and fracture of cast steel is explained more reasonably and scientifically. In this paper, the most widely recognized mesoscopic damage model is the GTN model, and the plastic limit load model is introduced to study the damage evolution and fracture failure process of the material.

Samples from GS20Mn5V cast steel were processed into standard and notched specimens for unidirectional tensile failure tests. The basic mechanical parameters of the material are determined by the real stress - real strain curve of the standard specimen, and the hardening part after the plastic yield is used to determine the hardening coefficient and the hardening exponent by using the Ramberg-Osgood hardening criterion.

Based on the GTN mesoscopic damage model theory, the numerical algorithm program is realized by the backward Euler completely implicit integration algorithm, the plastic limit load model, the uniform tangent stiffness matrix, and the stress-strain updating relation. The user defined material subroutine UMAT in the finite element software ABAQUS/STANDARD is used to realize the application of the modified GTN model in practice.

The initial pore volume fraction f_o and the ultimate hole matrix fraction f_F are determined by the 3D X ray tomography reconstruction technique software VG Studio, and the damage parameters of the GTN meso damage model are determined by comparison and analysis by the previous research experience and the uniaxial tensile test.

Finally, the influence of the two methods of f_n and q parameters in the GTN model on the prediction results is discussed, which can better realize the fracture prediction and prove the feasibility of applying the GTN damage model to the engineering practice.

KEYWORDS: GTN model, Finite element method, GS20Mn5V

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外的研究现状 2

1.2.1 损伤力学研究现状 2

1.2.2 三维X射线断层扫描技术研究现状 4

1.3本文主要研究内容 5

第二章 铸钢材料力学性能试验 6

2.1试件尺寸 6

2.2光滑试件试验方法与结果 6

2.3缺口试件试验方法与结果 8

第三章 孔洞演化过程 10

3.1孔洞演变 10

3.1.1损伤观测 10

3.1.2孔洞形核与生长模拟 12

3.1.3裂缝预测 14

3.2 测量误差分析 15

第四章 GTN损伤模型参数识别 16

4.1GTN损伤模型理论 16

4.1.1GTN模型屈服函数 16

4.1.2孔洞演化模型 16

4.2GTN损伤本构模型参数确定方法 18

4.2.1 基体材料强化参数q 18

4.2.2形核粒子孔洞体积分数f_n 18

4.2.3聚合临界体积分数f_c 19

4.2.4初始孔洞体积分数f_o 19

4.2.4孔洞极限体积分数f_F 19

4.3GTN损伤本构模型数值算法 20

第五章 试验结果数据分析与建模 23

5.1有限元建模 23

5.2 GTN损伤模型参数对缺口试件结果的影响 23

5.2.1 q参数的影响 23

5.2.2形核孔洞体积分数f_n 的影响 24

5.3GTN模型损伤参数确定 25

第六章 结论 27

致 谢 28

参考文献 29

第一章 绪论

1.1研究背景

自改革开放以来，我国的经济建设和科学技术都有着快速的发展，人民群众的物质生活水平得到极大的提高，各地的高层建筑也如雨后春笋般屹立在神州大陆。随着结构日渐复杂的设计和结构的跨度和高度的增长，结构的损坏倒塌往往猝不及防。所以，工程构件和结构的安全性是关系到人民群众的生命和财产安全，而且也会给国家造成巨大的经济损失。因此，对于结构能否在设计荷载下完成它的预定功能是一个值得研究的课题。对工程材料和结构断裂失效机制的研究，渐渐地引起了人们的关注。

由于铸造工艺、合金成分的影响，铸钢件内部不可避免地分布着气孔、缩松、夹渣、裂纹等宏观和微细观初始缺陷，其中以微观孔洞最为常见。在外部荷载作用下，缺陷附近会因为应力集中而到达塑性、发生损伤并累积演化，进而影响钢结构的宏观力学性能。通过模拟和预测钢材的受力塑性发展以及断裂过程，同时考虑钢材的损伤以及细观破坏机制，研究孔洞的发展历程，能更好地认识钢材的力学性能，对实际的工程安全和结构设计安全具有指导性的意义。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：23008字