研究材料动态本构特性中的重要作用

在材料动态本构关系的研究中，不论是由波传播信息反求材料本构关系，即所谓解第二类反问题，还是利用应力波效应和应变率效应解耦的方法（如SHPB技术），应力波传播实际上都起着关键作用。在一般性讨论的基础上，就SHPB试验技术分析了应力波传播如何影响材料动态本构特性的有效确定。对于应力/应变沿试件长度均匀分布假定以及一维应力波假定，着重进行了分析。     

一种脆性材料动态本构损伤参数的计算反求方法

提出一种利用平板撞击的瞬态速度剖面响应来反求陶瓷脆性材料的动态本构损伤参数的方法。通过数值模拟再现平板撞击试验中的正平面波在飞片、样品和窗口材料中的传播情况,分析了“样品/窗口”界面瞬态速度剖面响应与材料参数之间的映射关系,进而建立了用响应反求本构参数的反问题,且通过一些数值试验验证该反问题是适定的。基于平板撞击速度剖面响应反求的方法,为快速地获得高应变率下一些传统方法难以测定出的本构参数提供新途径。     

SHPB实验中粘弹性试件内部应力波的传播

建立描述SHPB实验中线性粘弹性试件内部应力波传播的控制方程组,根据试件两端与入射杆及透射杆接触的应力波特征关系给出耦合边界条件.对方程组和定解条件进行Laplace变换,求得试件内部应力在变换域像函数的表达式.采用数值反变换技术进行反Laplace变换,获得试件两端的应力时程曲线.对现有的固定Tal-bot反变换算法进行改进:将入射波像函数分解为基本部分和延迟部分,利用固定Talbot算法对基本部分入射波作用下的波动问题求解,其他部分的解通过延迟定理得到,最终解为两部分的叠加.采用这种改进算法得到的不同入射波下粘弹性试件的内部应力解与传统的基于特征线数值模拟方法的结果吻合.在此基础上探讨了粘弹性试件的几何参数和材料本构参数对透射波波形的影响.     

混凝土材料动态本构参数的分阶段计算反求技术

基于不同应变率下的分离式Hopkinson压杆实验,提出了一种混凝土材料动态本构参数的分阶段反求方法。该分阶段反求方法中,结合不同的实验模型对未知参数进行敏感性分析,并依据敏感程度对参数进行分类,每类参数对应于1组实验,再利用反求方法分阶段确定各类参数,在每一类参数反求时均将上一次反求结果作为已知条件。结果表明,该分阶段反求方法充分利用所有实验的测量响应信息,能快速获取混凝土本构中较难确定的关键参数,为参数的确定提供了一种有效的途径。     

异种不锈钢激光焊缝材料的动态本构关系

利用等应变测试法获取了304及316L激光焊接焊缝材料的准静态应力应变曲线,发现焊缝材料 具有明显的细晶硬脆化趋势。利用SHTB技术对304、316L及焊接构件材料高温动态力学性能进行了研究。 根据动态实验数据对不锈钢304及316L母材应变率及温度相关的Johnson-Cook本构方程参数进行了拟合。 利用LS-DYNA建立了SHTB动态拉伸实验数值模型,发现了在应力波加载初始阶段由于结构效应及材料 阻抗不匹配引起的应力不平衡现象。通过动态实验与数值模拟相结合的方法确定了焊缝材料的应变率相关 本构参数。     

基于机器学习软骨细胞的时间依赖性力学行为及本构参数反演

探究软骨细胞机械负载下的力学特性对于理解软骨细胞的正常和病理状态以及骨性关节炎的病因至关重要. 基于软骨细胞有限元计算模型的力学响应与其本构参数之间的高度复杂非线性, 本文提出了分别利用双向深度神经网络TW-Deepnets模型和随机森林RF模型并结合有限元方法来识别软骨细胞本构参数的两种反演方法. 首先, 建立了软骨细胞的无侧限压缩实验有限元模型, 收集MSnHS本构参数空间点与对应的有限元计算模型的压缩反作用力响应数据集. 其次, 结合贝叶斯超参数优化算法搭建了用于软骨细胞本构参数反求的TW-Deepnets模型和RF模型, 对有限元收集的数据进行训练, 并利用单个软骨细胞受到50%压缩程度下的实验数据对软骨细胞的MSnHS本构参数进行了反求. 最后, 通过与实验曲线的对比验证了所提出的反演方法的有效性, 并引入决定系数R2对两种模型的预测准确性进行了对比评估, 检验了模型对各本构参数的预测性能, 分析了MSnHS本构模型中各参数影响软骨细胞力学响应的重要性占比. 结果表明, 本研究提出的本构参数反演方法能够有效获取软骨细胞的本构参数值, 从而准确描述软骨细胞的时间依赖性力学特性, 该方法也可进一步推广到生物细胞在静态或动态负载条件下的复杂参数反演问题.      

YB-2航空有机玻璃的应变率和温度敏感性及其本构模型

为了理解和评价YB-2航空有机玻璃在极端环境下的动态力学性能,采用电子万能试验机和分离式Hopkinson压杆对YB-2航空有机玻璃在218~373 K温度范围、10-3~3 000 s-1应变率范围内的压缩力学行为进行了研究,得到了材料的应力应变曲线。结果表明:随着温度的升高,材料的流动应力逐渐减小而破坏应变呈现增大的趋势;温度相同时,材料的流动应力随应变率的增加而增大,破坏应变随应变率的增加而减小。随着应变率的提高,材料的应变软化效应更加剧烈。基于朱-王-唐(ZWT)本构模型,得到了考虑温度效应的本构参数。结果显示,在8%应变范围内,改进的考虑温度效应的本构模型可以较为理想地表征该材料的应力应变响应。     

金属材料在复杂应力状态下的塑性流动特性及本构模型

工程应用中,金属材料和结构往往处于复杂应力状态。材料的塑性行为会受到应力状态的影响,要精确描述材料在复杂应力状态下的塑性流动行为,必须在本构模型中考虑应力状态效应的影响。然而,由于在动态加载下材料的应变率效应和应力状态效应相互耦合、难以分离,给应力状态效应的研究和模型的建立造成很大困难。通过对Ti-6Al-4V钛合金材料开展不同加载条件下的力学性能测试,提出了一个包含应力三轴度和罗德角参数影响的新型本构模型,并通过VUMAT用户子程序嵌入ABAQUS/Explicit软件。分别采用新提出的塑性模型和Johnson-Cook模型对压剪复合试样的动态实验进行了数值模拟。结果表明,新模型不仅在对材料本构曲线的拟合方面具有较强的优势,而且由该模型所得到的透射脉冲和载荷-位移曲线均更加准确。因此,该模型能够更精确地描述和预测金属材料在复杂应力状态下的塑性流变行为。     

循环冲击作用下岩石应力应变曲线及应力波特性

利用研制的岩石动静组合加载实验装置进行循环冲击实验,研究了在循环冲击过程中岩石典型的 动态应力应变曲线及反射波和透射波的变化规律。结果表明:岩石在循环冲击过程中的动态应力应变曲线可 分为压密阶段、弹性阶段、内部裂纹扩展的加载阶段、第1卸载阶段和第2卸载阶段等5个阶段。在相同入射 波循环作用下,随着循环次数的增加,岩石的反射波峰值越来越大,反射波峰值出现的时间越来越迟,透射波 峰值越来越小,透射波峰值出现的时间越来越早,表明在循环冲击过程中岩石内部损伤逐渐累积,从而导致抵 抗外部冲击载荷的能力逐渐降低。     

粘塑性薄壁管中复合应力波的传播特性研究

以本构关系一般理论为基础,导出了计及材料功硬化效应和应变率硬化效应的粘塑性薄壁管的本构关系及管中复合应力波的控制方程,应用有限差分方法研究了在压扭复合冲击载荷作用下粘塑性薄壁管中复合应力波的传播特性与演化规律,分析了复合应力波的耦合效应以及薄壁管中粘塑性参数和功硬化效应对复合应力波传播与演化规律的影响,并对有关现象进行了分析和解释。     

半空间饱和土中圆柱形衬砌内荷载引起的动力响应解答

地下衬砌结构经常会受到内部动荷载的作用,内荷载引起的衬砌结构的动应力集中备受关注。采用Laplace变换和波函数展开法,对半空间饱和土中均布突加荷载作用下圆柱形衬砌结构的动力响应进行了研究。对以大半径凸圆弧来近似半空间表面,将半空间饱和土中的波动方程展开成无穷级数的形式,应用Graff加法公式进行坐标变换,根据连续条件和边界条件,确定波函数展开式中的未知系数,求得了半空间饱和土中均布突加荷载作用下圆柱形衬砌的动力响应解答,讨论了衬砌埋深对圆柱形衬砌动力响应的影响。该问题的求解,为地下结构的动力分析提供了一种有效方法。     

饱和土与衬砌动力相互作用的圆柱形孔洞内源问题解答

考虑饱和土与衬砌结构的动力相互作用,该文研究了内源荷载作用下圆柱形孔洞的动力响应问题.将饱和土体和衬砌结构分别视为流固耦合介质和弹性均匀介质,通过引入势函数将位移控制方程化为二维轴对称波动方程.采用拉普拉斯变换,得到饱和土体位移应力的表达式及衬砌的位移应力的表达式.利用土体与衬砌结构之间的连续性条件和衬砌结构内边界上的边界条件,确定表达式的未知系数.采用逆拉普拉斯变换的数值方法,给出了问题的数值解.分析了饱和土中圆形衬砌结构随土体和衬砌结构参数变化的动力响应规律.     

列车荷载作用下轨道和地基的动响应分析

分析了列车运动荷载引起的应力波在轨道结构和周围地基中的传播,用动力子结构方法求解了铁路轨道和多层地基的相互作用问题,特别是在模型中考虑了轨枕离散支撑的作用.研究的对象结构包括列车运动荷载和受轨枕支撑的钢轨,以及下面的无限分层黏弹性地基.通过傅里叶变换求解微分形式的支配方程,得到了在频域和波数领域中的钢轨以及周围地基的振动准解析解,而响应时程则通过傅里叶逆变换得到.利用结果可以评估高速铁路列车运行时产生的轨道与周围地基的振动强度;同时提出了一种直观的方法来确定轨道与地基中产生共振时列车运行的临界速度.     

Vibration analysis of a multi-span rotating ring with ray tracing method

A ray tracing method is applied to analyze both the free and forced responses in a rotating multi-span section ring. In this paper, element coordinates are established and coupled by dispersion and transmission matrices. Structure vibration displacements are expressed in a wave form with a combination of propagation, fast-attenuating and near-field waves. Meanwhile, an exciting force is considered as a point discontinues with different elements on both sides. The wave reflection and transmission matrices are introduced through coupling different elements by applying wave transmission coefficients and transfer matrices. For numeric computation, the reflection and transmission matrices are assembled, independent waveguide elements are integrated and the responses of rotating rings with non-uniform section area are derived. The structure modeling and a numeric computation with corresponding solutions illustrate the validity of the presented approach. The investigation result also shows that the presented approach can be extended to compute accurately on the dynamic characteristics of a rotating complex structure (high speed bearing cage).     

梯度密度黏弹性材料的波传播研究

梯度密度黏弹性材料中波的传播比较复杂。为了研究其在冲击载荷作用下黏弹性响应特征,基于控制方程的Euler形式,利用Laplace变换,得到了这种材料中的波传播规律的一个理论公式;并据此分析了双层周期性黏弹性介质中的应力情况。选择具有梯度密度特性的钛-硼化钛（Ti-TiB₂）材料和碳纤维树脂材料,采用不同的叠合方向和方式,利用分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）加载装置进行了动态冲击实验,并用三波法对得到的实验结果进行处理。同时,采用数值Laplace逆变换方法,结合SHPB测得的入射波与透射波数据,使用推导的理论公式计算出理论解,并与实验结果进行了比较。结果表明:（1）梯度钛-硼化钛材料由于内界面和叠层界面的存在,表现出一定的黏性特性;单层Ti-TiB₂材料的计算结果和三波法分析得到的结果基本一致,双层Ti-TiB₂材料叠合后的计算结果与三波法分析结果存在一定的差异。（2）双层碳纤维树脂材料表现出较强的黏弹性特征,应力波的衰减幅度较大,三波法分析结果与该材料的冲击性能有较大的差异。由此可知,无论是细微观结构特征产生的黏性,还是材料本身的黏性,对材料动力学行为的影响都不可忽略。。     

Theoretical analysis,numerical calculation and experimental measurement of transient elastic waves in strips subjected to dynamic loadings

In this study, the transient response of an elastic strip subjected to dynamic in-plane loadings on the surface is investigated in detail. One of the objectives of this study is to develop an effective analytical method for determining transient solutions in a strip. By applying Laplace transform, the analytical solution in the transformed domain is derived and expressed in matrix form. The solution is then decomposed into infinite wave groups in which the multiple reflected waves with the same reflection are involved. Each multi-reflected wave can be identified by a coding method and be verified by the theory of generalized ray. The inverse transform is performed by using the well-known Cagniard method. The transient solutions in time domain for stresses and displacements are expressed in a closed form and are discussed in detail by an example. The experimental results show that the early time transient responses of displacements on the surface agree very well with the numerical calculations based on the theoretical solutions.     

成层土中半埋入完整桩的瞬态波动响应

基于回传射线矩阵法,求得单位脉冲作用下成层土中半埋人完整桩的桩顶速度导纳和相位,然后利用Fourier逆变换和卷积定理求得瞬态半正弦激振力作用下的桩顶时域速度响应.比较均匀地基、上软下硬(上硬下软)两层地基、软夹层(硬夹层)三层地基的桩顶速度响应,进一步分析土体剪切模量、上覆土层厚度、软(硬)夹层厚度对桩顶速度导纳、相位和反射波的影响.结果表明:土体剪切模量及土层厚度对桩顶速度导纳、相位以及反射波影响很大.     

Sound Transmission Comparisons of Active Elastic Wave Metamaterial Immersed in External Mean Flow

Using the active feedback control system on the elastic wave metamaterial,this research concentrates on the sound transmission with the dynamic effective model....     

双周期加筋微穿孔板的振动响应及声透射的研究

本文主要研究了水下无穷大双周期加筋微穿孔薄板,在平面声波斜入射下的振动响应和声透射,并提出了一种半解析半数值的计算方法。利用微穿孔板的声阻抗以及薄板表面的振速边界条件,建立了加筋穿孔薄板的振动方程,并根据傅立叶变换及空间波数法将振动位移表达为波数分量的迭加形式。采用数值计算的方法对波数分量进行求解并通过傅里叶逆变换,最终得到了双周期加筋穿孔薄板的振动响应及透射系数。通过与Takahashi穿孔板声压结果的对比,证明了本方法的正确性。在算例中,分析了加强筋及穿孔率对薄板结构的振动和声透射的影响。