紧凑拉剪试样中Ⅰ/Ⅱ复合型穿透裂纹的三维特性分析

进行了Ⅰ/Ⅱ复合型载荷作用下航空结构铝合金CTS试样线弹性的全场三维有限元计算,分析了复合型离面应力约束因子Tz和面内约束T应力的分布特性,研究了厚度和载荷条件对应力各分量及应力三轴性水平Rσ、应变能密度U0的影响以及这些量在实验中观察到的裂纹起裂方向上的特点。结果表明：（1）平面内约束T应力在此种试样形式下为零;（2...     

紧凑拉剪试样中Ⅰ/Ⅱ复合型穿透裂纹的三维特性分析

进行了Ⅰ/Ⅱ复合型载荷作用下航空结构铝合金CTS试样线弹性的全场三维有限元计算,分析了复合型离面应力约束因子Tz和面内约束T应力的分布特性,研究了厚度和载荷条件对应力各分量及应力三轴性水平Rσ、应变能密度U0的影响以及这些量在实验中观察到的裂纹起裂方向上的特点。结果表明：（1）平面内约束T应力在此种试样形式下为零;（2）复合型裂纹的三维效应区与厚度成正比,为0.4-0.5B,与载荷条件基本无关,但是厚度效应随着载荷角的减小逐渐变小,到II型载荷时基本消失;（3）离面约束因子Tz随着径向和厚度尺寸的增加逐渐减小,但在周向基本不发生变化;（4）最小应变能密度U0min的方位能够表征此种材料三维复合型断裂的裂纹起裂方向。研究结果为建立三维复合型断裂准则提供了理论基础。     

弹塑性Ⅰ型裂纹端三维应力应变场的结构分析

本文从分析弹塑性力学的基本方程人手,探讨了幂硬化材料I型裂纹端三维应力应变场的结构,结果表明,按其应力特征,裂纹端沿厚度方向可划分为三个区域:ZⅠ,ZⅡ和ZⅢ,在区域ZⅠ,垂直于Z轴(厚度方向)的平面内应力分量可首先用平面应变条件下的基本方程求解,在区域ZⅢ,这些分量可首先用平面应力条件下的基本方程求解.本文定义区域ZⅡ为弹塑性Ⅰ型裂纹的过渡层,指出,过渡层是弹塑性Ⅰ型裂纹三维应力应变场的特性所在.对揭示其本质有特殊重要的意义.本文选择裂纹端张开位移(CTOD)作为描述局部解幅值系数的参数,并探讨了三维变形状态下,CTOD的分布规律.     

含主应力轴旋转的广义塑性位势理论

大量岩土实验与工程实践表明传统塑性位势理论无法合理反映岩土材料的基本变形机制。从塑性位势理论角度来看,当存在主应力轴旋转时,塑性应变增量与应力不共主轴,此时最一般情况下的塑性应变增量须用六个线性无关的塑性势函数来表述,从而提出含主应力轴旋转的广义塑性位势理论一般表达式。通过矩阵分析,将一般应力增量分解成共轴分量与旋转分量之和。在应力增量分解的基础上,提出含主应力轴旋转的广义塑性位势理论的分解表达式     

考虑时变效应的面板堆石坝三维湿化变形研究1）

针对堆石料浸水后的湿化变形并不是瞬时产生,而是一个渐进发展过程这一现象,建议将湿化变形进行时变计算。首先采用Prandtl-Reuss流动法则推导了湿化剪切应变分量,然后叠加湿化体积应变分量,获得三维湿化应变分量;通过分析三维湿化应变分量和单轴应力状态下的湿化应变的关系,指出有关文献推导的三维湿化应变分量计算公式不严谨;然后类比于堆石料流变变形计算公式,推导了湿化变形时变计算公式。实例分析表明,湿化引起坝顶沉降随时间逐渐增大,变形稳定的时间与湿化变形速率呈反比关系。     

THREE-DIMENSIONAL WETTING DEFORMATION FOR CONCRETE FACED ROCKFILL DAM CONSIDERING TIME-EFFECT

针对堆石料浸水后的湿化变形并不是瞬时产生,而是一个渐进发展过程这一现象,建议将湿化变形进行时变计算. 首先采用Prandtl-Reuss 流动法则推导了湿化剪切应变分量,然后叠加湿化体积应变分量,获得三维湿化应变分量;通过分析三维湿化应变分量和单轴应力状态下的湿化应变的关系,指出有关文献推导的三维湿化应变分量计算公式不严谨;然后类比于堆石料流变变形计算公式,推导了湿化变形时变计算公式. 实例分析表明,湿化引起坝顶沉降随时间逐渐增大,变形稳定的时间与湿化变形速率呈反比关系.     

考虑时变效应的面板堆石坝三维湿化变形研究

针对堆石料浸水后的湿化变形并不是瞬时产生,而是一个渐进发展过程这一现象,建议将湿化变形进行时变计算.首先采用Prandtl--Reuss流动法则推导了湿化剪切应变分量,然后叠加湿化体积应变分量,获得三维湿化应变分量;通过分析三维湿化应变分量和单轴应力状态下的湿化应变的关系,指出有关文献推导的三维湿化应变分量计算公式不严谨;然后类比于堆石料流变变形计算公式,推导了湿化变形时变计算公式.实例分析表明,湿化引起坝顶沉降随时间逐渐增大,变形稳定的时间与湿化变形速率呈反比关系.     

考虑Reissner效应的表面裂纹的非线性线弹簧模型

本文在非经典板的弯曲理论基础上,对应力-应变关系满足ε/ε_o=σ/σ_o α(σ/σ_o)~n的幂硬化材料的表面裂纹的弹塑性断裂分析,建立了非线性线弹簧模型,计算了表面裂纹的应力强度因子及其最大深度点的J积分值,研究了幂硬化指数n和系数α以及波桑比ν对J积分值的影响。     

含能材料三轴动态压缩实验的一个计算机模拟方法

在含能材料单轴、受限三轴动态压缩实验的基础上，提出一种将计算机数值模拟和实验数据相结合，估算实验系统中钢筒与试件间的库伦摩擦力，从而正确确定含能材料的动态三轴力学性能（弹性模量Ｅ，泊桑比ν，屈服限Ｙ等）的方法。本方法用于ＴＮＴ炸药受限三轴动态压缩实验，通过建立钢筒－试件的库伦摩擦有限元模型，采用ＡＤＩＮＡ通用程序进行动力分析，估算了摩擦力对实验数据的影响，获得了考虑摩擦力修正后的ＴＮＴ三轴动态压缩响应，为含能材料三轴动态力学性能的确定提供了一种有效的方法。     

碳纳米管应变传感器的性能分析:传感介质与制备工艺

利用碳纳米管拉曼特征峰位对其变形的灵敏特性,基于拉曼光谱的碳纳米管应变传感方法,已经实现了针对非拉曼活性固体材料表面微尺度范围内的平面应变分量非接触传感测量。本文侧重该方法在微尺度实验力学研究中的推广应用,从传感介质和制备工艺的选择出发,采用改进后的三种不同工艺,制备了碳纳米管/环氧树脂复合薄膜作为传感介质;综合零载标定实验和步进单轴拉伸标定实验的实测结果,对比分析了不同工艺获得传感介质的应变传感灵敏度、量程、稳定性和时间分辨率四个关键性能指标;最后对传感性能的影响因素进行了探讨。     

湍流边界层外区相干结构的三维波模型

根据流动稳定性理论,提出了一种三维波模型来描述湍流边界层外区大尺度相干结构。计算所得流线图和等涡量线图较罗纪生,周恒（1993）的二维波模型更符合实验结果。说明该三维模型能够较好地反映湍流边界层外区大尺度相干结构的物理特征。     

非比例循环塑性内时本构关系研究

在Valanis的内时本构理论的框架中,引入内结构张量以反映由于非比例加载而引起金属材料的附加等向强化及异向强化效应,同时提出材料强化程度的度量采用沿路径法线方向的塑性应变分量来描述.这些考虑的有效性已经通过用所建模型对304不锈钢材料在一些典型非比例循环加载路径下的响应进行的理论预测得到了验证;将该模型应用于U71Mn材料室温单轴棘轮行为描述中,结果显示内结构张量的引入不仅能较好地反映应变控制下的非比例附加效应,而且也能较好地反映应力控制下塑性应变的累积及变化率.     

非线性有限分析中的应变近似

本文论证了非线性有限元分析中,若干与应变近似有关的问题,其中包括四种应变张量的条件等值性,提出了简化壳体应变分量的新途径,比较了近似应变、应力和结构反力的不同求法,评述了采用不同简化应变的大变形平衡方程。     

一种基于电磁霍普金森杆的材料动态包辛格效应测试装置及方法

金属材料在复杂载荷条件下的动态力学行为研究一直备受关注,但受限于实验设备,金属材料的动态包辛格效应响应一直都难以获得。为了探究金属材料的包辛格效应与应变率效应之间的关系,本文中提出一种基于电磁霍普金森杆(electromagnetic split Hopkinson bar,ESHB) 的非同步加载实验技术,为测试金属材料在高应变率加载下的包辛格效应提供了一种有效的实验方法。本文中,首先介绍了非同步加载装置的主要特点,即可以用两列由脉冲发生器产生的应力波对受载试样进行连续的一次动态拉-压循环加载,且加载过程保证了应力波的一致性。分析了应力波对试样加载过程中的波传播历程,确保了加载过程的连续性。随后介绍了动态加载过程,数据处理方法和波形分离手段,并对动态加载过程进行应力平衡性分析,论证了实验装置的可靠性。最后采用该方法测试了5%预应变下6061铝合金动态压缩-动态拉伸的包辛格效应,并与准静态下的实验结果进行对比。实验结果表明,该材料单轴压缩没有明显的应变率效应,但其包辛格效应具有应变率依赖性,高应变率下材料的包辛格应力影响因子由0.07增大至0.17,具有显著的提升,这对传统意义上铝合金材料应变率不敏感的结论提出了挑战。     

45钢的J-C损伤失效参量研究

为了在结构碰撞效应的有限元分析中描述材料行为,通过开展45钢在不同应力状态和温度下的准静态材料力学性能实验及拉伸SHB实验,考察了应力状态三轴度、温度和应变率对材料失效应变的影响。由实验数据得到了Johnson-Cook失效模型参量,并通过出现失效的Taylor撞击实验和数值模拟进行了一定的验证,表明模型描述与实验结果的趋势一致。     

混凝土三维细观模型的建模方法与力学特性分析

根据混凝土材料的细观组成和结构特点,基于三维Voronoi图形提出了一种简单高效的混凝土细观模型生成方法,利用塑性损伤模型对该细观模型进行了单、多轴应力状态下的准静态分析以及SHPB动态有限元分析。结果表明,数值模拟得到的应力应变曲线和破坏模式与实验结果基本吻合,本文中提出的混凝土三维细观模型可较好地模拟混凝土的静、动态力学特性,为进一步从细观力学角度研究混凝土损伤演化规律和破坏机理提供了模型基础。     

正常固结原状饱和黏性土的本构模型研究

基于扰动状态概念研究了正常固结饱和原状黏性土的本构模型。其中,相对完整状态采用基于原状黏性土的理想非线性弹性本构模型来表征;完全调整状态则是基于临界状态土力学框架,将修正剑桥模型与三剪强度准则相结合而建立的弹塑性本构模型来表征。为了更好地反映黏性土的黏聚力影响,提出了等量代换法和坐标平移法两种处理方法,并作了对比研究。针对基于临界状态土力学框架和扰动状态概念建立的原状土本构模型为平均应力、广义剪应力与体应变、广义剪应变间的关系且无屈服函数显式表达式,提出了一个将其三维化的方法。三维化后的原状黏性土本构模型为空间内6个应力分量和6个应变分量之间的关系,更便于复杂应力状态下的土体变形分析及有限元编程。为验证模型的正确性,对正常固结江西原状饱和红黏土土样作了固结排水和固结不排水条件下的常规三轴压缩试验和K0固结试验,并与模型计算结果作了对比,结果表明:所提模型能够较好地反映江西原状饱和红黏土的力学和变形特性。另外,用所提模型对江西原状饱和红黏土进行了真三轴压缩数值模拟实验,探讨了中间主应力对其力学和变形特性的影响,结果表明:中间主应力及其影响系数对土的变形、孔隙水压力、强度均有影响;固结不排水条件下,在相同剪应力的作用下,土体剪应变随中间主应力影响系数的增大而减小,在相同轴向应变条件下,孔隙水压力随中间主应力影响系数的增大而增大;固结排水条件下,在相同平均正应力作用下,土体体应变随中间主应力影响系数的增大而减小,在相同轴向应变条件下,土体体应变随中主应力影响系数的增大而增大。     

轮胎破片冲击机身的非等比例相似模型研究

为降低机身结构抗冲击性能的实验成本,利用相似理论建立机身的非等比例缩放模型,开展模型实验是行之有效的方法。基于量纲分析的方法,建立Johnson-Cook线性应变率函数的修正关系;鉴于生产制造技术的限制,考虑扭曲厚度的非等比例机身模型对相似性行为的影响,采用指数函数法建立了非等比例模型的相似修正关系。通过对比实验中破片冲击过程的变形形态、靶板的应变时间历程曲线和最终变形轮廓,验证了数值模型的有效性。此外,分析了破片偏航姿态、机身材料、厚度和质量等因素对机身结构抗冲击性能的影响。结果表明:(1) 150 m/s的冲击速度下,破片冲击角度90o和着靶角度180o是最严苛的冲击条件。综合多种因素,分析认为3.5 mm厚的钛合金为机身结构的最佳选择,并以此作为全尺寸原型验证相似模型;另外,提出了一种可以快速获取缩比模型的设计方法。(2)应变率效应对轮胎破片冲击机身结构的影响并不显著,等比例缩放模型与原型结果吻合较好。(3)厚度扭曲的非等比例模型能够有效地预测原型结构的变形行为;虽然,在时间尺度上,模型与原型存在一定的偏差;但是,在空间尺度上,非等比例相似模型能够有效地修正扭曲厚度造成中心最大挠度的预测误差,修正后的最大误差不超过5.1%,这表明该方法能够有效地指导机身结构的相似模型设计。     

半结晶聚合物损伤演化的实验表征与数值模拟

损伤本构模型对研究材料的断裂失效行为有重要意义, 但聚合物材料损伤演化的定量表征实验研究相对匮乏. 通过4种高密度聚乙烯(high density polythylene, HDPE)缺口圆棒试样的单轴拉伸实验获得了各类试样的载荷-位移曲线和真应力-应变曲线, 采用实验和有限元模拟相结合的方法确定了HDPE材料不同应力状态下的本构关系, 并建立了缺口半径与应力三轴度之间的关系;采用两阶段实验法定量描述了4种HDPE试样单轴拉伸过程中的弹性模量变化, 并建立了基于弹性模量衰减的损伤演化方程, 结合中断实验和扫描电子显微镜分析了应力状态对HDPE材料微观结构演化的影响. 结果表明缺口半径越小, 应力三轴度越大, 损伤起始越早、演化越快; 微观表现为: 高应力三轴度促进孔洞的萌生和发展, 但抑制纤维状结构的产生;基于实验和有限元模拟获得的断裂应变、应力三轴度、损伤演化方程等信息提出了一种适用于聚合物的损伤模型参数确定方法, 最后将本文获得的本构关系和损伤模型用于HDPE平板的冲压成形模拟, 模拟结果与实验结果吻合良好.      

双模量泡沫铝芯夹层梁的自由振动分析

对模量泡沫铝芯夹层梁的固有振动问题进行了研究。利用双模量的材料应力-应变方程,推导出了双模量材料剪切弹性模量计算公式,证明了双模量梁中性轴位置不受作用在梁上的横向载荷的影响。在考虑剪切变形的基础上,建立了双模量泡沫铝芯夹层梁的强迫振动控制方程,推导出了双模量泡沫铝芯夹层梁固有振动问题的振型函数及固有频率计算公式,并分析了剪切变形及泡沫铝芯夹层的拉压弹性模量对双模量泡沫铝芯夹层梁固有振动频率的影响。研究表明:泡沫铝芯夹层梁固有振动时,其固有振动波形是不连续的,奇数波型与偶数波型之间存在间断点;剪切变形及泡沫铝芯夹层的拉压弹性模量对双模量泡沫铝芯夹层梁固有振动的影响是不能忽略的。