DAC加载技术中的准静水压状态方程测量

介绍了应力场理论及其在非静水压下状态方程研究中的应用。利用应力场理论不仅可以有效减小DAC加载实验中非静水压对实验结果的影响,同时可以得到超高压下应力偏量、剪切强度、弹性柔度等物理量。对比了两种测量高压下应力偏量的实验方法的优点和缺点。     

动态试验技术和材料性能述评

本文对材料非弹性变形性能描述的最新进展作了评述。在对描述应变率影响所依据的理论和实验基础的发展作了一般的讨论之后,介绍了一些具体例子,以说明动态加载下的材料性能。选用这些例子,是为了论证应变率对屈服、非弹性流动,以及在脆性材料和韧性材料中对断裂的影响。      

一种非局部弹塑性连续体模型与裂纹尖端附近的应力分布

本文提出一种非局部弹塑性连续体模型。在这个模型中,应力与弹性应变之间为非局部线性关系,而塑性应变与总应变历史相联系。对于形变理论,假定塑性应变张量与总应变偏量张量成比例,其比例因子是总有效应变的标量函数。将这一模型用于分析幂硬化弹塑性材料拉伸型裂纹尖端附近的应力场,利用经典断裂力学中所得的拉伸型裂纹尖端HRR奇性解的结果,在一维简化计算下导出了裂纹正前方的拉应力分布和最大拉应力的表达式,证明临界J积分准则可由非局部最大拉应力准则得到。用已有的实验数据计算了几种钢材在裂纹起始扩展时裂纹尖端附近的最大拉应力,发现其量级与晶格内聚强度相近。所得结果对于理解材料断裂过程的物理机理是有益的。     

混凝土单轴受拉的非局部本构模型

混凝土受拉本构行为存在很强的局部软化现象,使得单轴受拉试验无法给出应力-应变关系,而只能给出应力-位移关系。本文根据内变量理论和等效应变假设建立了基于真实应变的混凝土单轴受力本构方程,并根据Weibull分布可以描述混凝土等脆性材料断裂过程的试验现象,建立了关于弹性应变的损伤演化规律。然后,通过假设平均应变与真实弹性应变的函数关系,在应力-平均应变的本构关系中采用平均弹性应变以描述其非局部行为,而在材料的损伤演化规律中采用真实弹性应变以描述其局部行为,由此建立了单轴受拉荷载条件下的非局部本构模型。最后,对一个单调受拉试验和一个反复受拉试验的仿真结果表明所提出的非局部本构模型可以准确地模拟试验结果。     

63Sn-37Pb钎料合金在非比例循环加载下的非弹性流动特性研究

基于63Sn-37Pb钎料舍金在多种非比例应变循环加载下的实验结果,通过考察材料的非弹性应变率与偏应力之间的夹角随累积非弹性应变的变化规律,对63Sn-37Pb钎料合金的非弹性流动特性进行了定量分析。分析结果显示：在相同的非比例加载路径下,当加载等效应变幅值相同时,等效应变率越高,非弹性应变率与偏应力之间夹角平均水平越低,当等效应变率相同时,等效应变幅值越大,相应的夹角平均水平越低;在保持时间范围内,非弹性应变率方向与偏应力方向趋于一致;当非比例路径形状不同时,其非弹性应变率与偏应力之间的夹角随累积非弹性应变的变化趋势明显不同。研究表明,材料的非弹性流动特性强烈依赖于等效应变幅值、等效应变率、保持时间、非比例路径形状。     

考虑应变率的广义压电热弹理论及其应用

工程中大量材料的形变介于弹性与黏性之间, 既具有弹性固体特性, 又具有黏性流体特点, 即为黏弹性. 黏弹性使得材料出现很多力学松弛现象, 如应变松弛、滞后损耗等行为. 在研究受热载荷作用的多场耦合问题的瞬态响应时, 考虑此类问题中的热松弛和应变松弛现象, 对准确描述其瞬态响应尤为重要. 针对广义压电热弹问题的瞬态响应, 尽管已有学者建立了考虑热松弛的广义压电热弹模型, 但迄今, 尚未计入应变松弛. 本文中, 考虑到材料变形时的应变松弛, 通过引入应变率, 在Chandrasekharaiah广义压电热弹理论的基础之上, 经拓展, 建立了考虑应变率的广义压电热弹理论. 借助热力学定律, 给出了理论的建立过程并得到了相应的状态方程及控制方程. 在本构方程中, 引入了应变松弛时间与应变率的乘积项, 同时, 分别在本构方程和能量方程中引入了热松弛时间因子. 其后, 该理论被用于研究受移动热源作用的压电热弹一维问题的动态响应问题. 采用拉普拉斯变换及其数值反变换, 对问题进行了求解, 得到了不同应变松弛时间和热源移动速度下的瞬态响应, 即无量纲温度、位移、应力和电势的分布规律, 并重点考察了应变率对各物理量的影响效应, 将结果以图形形式进行了表示. 结果表明: 应变率对温度、位移、应力和电势的分布规律有显著影响.      

INVESTIGATIONS ON THE MECHANICAL CHARACTERISTICS OF NANOBEAMS BASED ON THE NONLOCAL STRAIN GRADIENT THEORY1)

基于非局部应变梯度理论,建立了一种具有尺度效应的高阶剪切变形纳米梁的力学模型. 其中,考虑了应变场和一阶应变梯度场下的非局部效应. 采用哈密顿原理推导了纳米梁的控制方程和边界条件,并给出了简支边界条件下静弯曲、自由振动和线性屈曲问题的纳维级数解. 数值结果表明,非局部效应对梁的刚度产生软化作用,应变梯度效应对纳米梁的刚度产生硬化作用,梁的刚度整体呈现软化还是硬化效应依赖于非局部参数与材料特征尺度的比值. 梁的厚度与材料特征尺度越接近,非局部应变梯度理论与经典弹性理论所预测结果之间的差异越显著.     

非局部应变梯度理论下纳米梁的力学特性研究

基于非局部应变梯度理论,建立了一种具有尺度效应的高阶剪切变形纳米梁的力学模型.其中,考虑了应变场和一阶应变梯度场下的非局部效应.采用哈密顿原理推导了纳米梁的控制方程和边界条件,并给出了简支边界条件下静弯曲、自由振动和线性屈曲问题的纳维级数解.数值结果表明,非局部效应对梁的刚度产生软化作用,应变梯度效应对纳米梁的刚度产生硬化作用,梁的刚度整体呈现软化还是硬化效应依赖于非局部参数与材料特征尺度的比值.梁的厚度与材料特征尺度越接近,非局部应变梯度理论与经典弹性理论所预测结果之间的差异越显著.     

A GENERALIZED PIEZOELECTRIC-THERMOELASTIC THEORY WITH STRAIN RATE AND ITS APPLICATION 1)

工程中大量材料的形变介于弹性与黏性之间, 既具有弹性固体特性, 又具有黏性流体特点, 即为黏弹性. 黏弹性使得材料出现很多力学松弛现象, 如应变松弛、滞后损耗等行为. 在研究受热载荷作用的多场耦合问题的瞬态响应时, 考虑此类问题中的热松弛和应变松弛现象, 对准确描述其瞬态响应尤为重要. 针对广义压电热弹问题的瞬态响应, 尽管已有学者建立了考虑热松弛的广义压电热弹模型, 但迄今, 尚未计入应变松弛. 本文中, 考虑到材料变形时的应变松弛, 通过引入应变率, 在Chandrasekharaiah广义压电热弹理论的基础之上, 经拓展, 建立了考虑应变率的广义压电热弹理论. 借助热力学定律, 给出了理论的建立过程并得到了相应的状态方程及控制方程. 在本构方程中, 引入了应变松弛时间与应变率的乘积项, 同时, 分别在本构方程和能量方程中引入了热松弛时间因子. 其后, 该理论被用于研究受移动热源作用的压电热弹一维问题的动态响应问题. 采用拉普拉斯变换及其数值反变换, 对问题进行了求解, 得到了不同应变松弛时间和热源移动速度下的瞬态响应, 即无量纲温度、位移、应力和电势的分布规律, 并重点考察了应变率对各物理量的影响效应, 将结果以图形形式进行了表示. 结果表明: 应变率对温度、位移、应力和电势的分布规律有显著影响.     

混凝土的弹塑性损伤双面本构模型

针对混凝土材料拉压应变空间下损伤机制的不同,结合连续损伤力学和塑性理论建立了一个全新的本构模型。该模型中损伤和塑性变形的演变由应变空间的同一个非弹性曲面来控制,但对拉压应变空间中非弹性曲面的演变分别采用了随动强化法则和各向同性演化规律。计算结果表明,该模型能较好地描述混凝土材料在单轴及多轴单调加载和低周反复荷载下的典型非线性特征。     

硬质聚氨酯泡沫力学特性的静水压力加载实验方法研究

泡沫材料在多轴载荷下的力学性能是工程中非常关心的问题。利用土壤的三轴压缩试验装置,通过试验方法的改进,提出了一种体应变测定和修正的方法,对硬质聚氨酯泡沫材料的静水压力特性进行了研究,得到了一些有价值的数据和结论。研究表明:在准静态静水压加载条件下,该材料的应力-应变曲线明显地分为弹性段、塑性段和压实段,且屈服强度比单向压缩时略大、压实应变略小。最后通过不同高度的试样对比试验,对聚氨酯泡沫材料的不均匀变形和弯曲的原因进行了分析和比较,指出了试验时应该注意的问题。     

混凝土材料损伤耦合的非线性粘弹性本构关系

根据不可逆热力学原理和推广的Onsager原理建立了内变量演化的非线性方程;采用迭代方法得到了非线性方程的迭代解,并根据Lipschitz条件给出了迭代解的收敛条件。由此,建立了一维应力条件下的非线性粘弹性本构关系。将这一本构关系推广至三维应力情况,并考虑了状态方程和损伤演化,在剪切诱导材料粘性的前提下建立了混凝土损伤耦合的非线性粘弹性本构关系。在该关系式中：损伤演化方程与混凝土的粘性应变积累相关;状态方程服从三次多项式的形式。实验结果表明：此模型能够比较好地表征混凝土材料在达到强度极限前后的强化与软化的特征。     

基于应变梯度有限元的单层石墨烯振动研究

建立了单层石墨烯等效非局部薄板的一种新的有限元模型,并运用有限元法分析不同边界条件下单层石墨烯振动的小尺度效应。给出了基于弹性应变梯度理论下Kirchhoff板的振动方程。发展了一种4节点24自由度的板单元,用于离散化求解考虑微纳结构尺度效应的高阶微分方程。在研究四边简支板振动时,考虑应变梯度的非局部弹性有限元数值计算结果与理论分析结果相一致。用有限元方法研究了不同尺寸、振动波长、振动模态阶数、边界条件类型以及非局部参数的单层石墨烯振动。     

基于多尺度模型解释固体中的挠曲电效应

挠曲电效应是一种跨尺度的多场耦合现象。当前的宏观挠曲电理论均是基于应变梯度局部破坏晶体反演对称这一微观机理对该现象进行唯象描述。该宏观理论与基于晶格动力学及密度泛函理论的微观挠曲电理论模型之间存在较大差异。难以将两者结合用以跨尺度地研究材料中的挠曲电效应。针对该现状,本文基于前人提出的原子场理论,建立了一种新的多尺度挠曲电模型。并在该多尺度模型框架下解释了应变梯度诱发极化的微观机理。一方面,与基于连续介质力学的唯象理论不同,本文从材料微结构演化的角度推导了原子位移与极化的关系。另一方面,与通过晶格波假设原子位移的微观理论不同,本文得到的极化表达式更加真实和广义地解释了挠曲电效应。其能够适用于材料边界存在机械力作用,材料内部存在缺陷等复杂的情况。本文所建立的多尺度挠曲电模型能够为后续多尺度挠曲电效应的研究提供一些思路。     

非局部弹性直杆振动特征及Eringen常数的一个上限

应用非局部连续介质理论推导了弹性直杆的振动方程,并采用分离变量法 进行求解,得到了振动方程的本征方程、模态函数及通解. 结果表明：非局部连续介质弹性 直杆的自振频率因非局部效应而降低,降低的幅度不仅与材料内禀长度相关,还与振动频率 的阶次相关;而且频率大小存在极限值,显示了与晶格点阵相同特性. 通过与Brillouin格 波结果比较,给出了Eringen非局部理论中材料常数的一个上限.     

非线弹性平面杆系的应力应变分析

以指数函数近似表示非线弹性材料的应力-应变关系, 推导出了非线弹性材料平面杆系结构应力应变计算的普遍表达式, 编制了通用程序, 使这一类问题有了一个通用的解题方法.     

球面各向同性功能梯度球壳的自由振动

通过引入位移函数和应力函数,针对沿径向非均匀的球面各向同性弹性动力学的基本方程建立了两个解耦的变系数状态方程。利用层合近似理论,将变系数状态方程转化为常系数状态方程,并给出了相应的解。进而利用层间连续条件,得到关于内外球壳表面边界量的相应线性方程。由自由表面条件导出对应两类独立振动的频率方程。最后给出了算例,并讨论了材料梯度指标对球壳两类固有频率的影响。在地球动力学分析中有一定的应用前景。     

不同应变率下聚乙烯材料的压缩力学性能

为了研究聚乙烯材料在不同应变率下的压缩力学性能,通过准静态实验和动态实验获得聚乙烯材料不同应变率下的应力应变曲线,分析发现:聚乙烯的弹性模量和屈服强度随应变率增大而增大,具有明显的黏弹塑性;聚乙烯材料进入塑性阶段,其应力应变曲线在不同应变率下具有相近的变化趋势,即塑性切向模量近似相同。根据聚乙烯材料的压缩力学性能,建立了弹性区、屈服点和塑性区的分段本构模型。该模型的屈服点和塑性段与实验结果吻合较好,由于弹性段采用线弹性模型,与实验结果存在一定偏差,可近似描述材料的弹性行为。     

2-3型压电复合材料有效特性及其静水压性能的研究

压电复合材料是由至少一种压电材料与非压电材料按照一定的连通方式组合在一起而构成的具有压电效应的材料。采用均匀场理论,提出了2-3型压电复合材料的代表性体积单元,通过建立串联、并联等模型预估了压电复合材料的弹性刚度常数:C11、C12、C13、C22、C23、C33,压电常数:e31e、32e、33,介电常数:3ε3。然后用有限元方法(使用了有限元分析软件ANSYS)分析了压电复合材料的材料常数,并用有限元方法验证了均匀场理论求解2-3型压电复合材料有效特性参数的准确性。根据求得的有效特性参数进一步研究了2-3型压电复合材料的静水压性能,由于求得的静水压性能值很低,又改良了2-3型压电复合材料的模型,获得了较好的静水压性能。并将改良前后2-3型压电复合材料与3-2型压电复合材料的静水压性能进行了比较。     

描述大应变率范围下材料响应的粘塑性本构模型

以位错动力学理论中的Ｏｒｗａｎ和Ｇｉｌｍａｎ关系为基础建立描述率相关材料非弹性响应的基本方程，选择材料准静态实验的单轴响应作为强化演化的规律，并考虑应变率敏感程度随变形产生变化的特性，建立了适用于大应变率范围内率相关材料的统一型粘塑性本构模型。对铝１１００－０在应变率范围１０－５～１０４ｓ－１内产生的有限塑性应变的单轴响应进行了理论预测，与Ｋｈａｎ和Ｈｕａｎｇ［１］的实验数据及模型预测结果进行了比较，结果表明本文模型具有较高的预测精度，在高应变率和较大应变下不容忽视率敏感参数随变形的变化。