基于SIR模型的工程材料统一单轴本构关系研究

工程材料的单轴应力-应变全曲线反映了材料最基本的本构关系,但目前对适用于多种材料的统一本构关系研究尚不够深入。本文基于传染病传播动力学SIR模型,建立了反映材料单元动态变化的应力-应变模型。根据同伦分析方法提出了模型的解析解和近似解,并讨论了模型反映材料尺寸效应和应变率的能力。结果表明,本文提出的单轴应力-应变模型中的参数可以与实际材料的力学特性相对应,模型解能够统一、全面、准确地反映多种材料力学性能的变化规律以及尺寸效应和应变率等因素的影响。     

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。     

考虑微观结构特征长度演化的内变量黏塑性本构模型

在金属晶体材料高应变率大应变变形过程中,存在强烈的位错胞尺寸等微观结构特征长度细化现象,势必对材料加工硬化、宏观塑性流动应力产生重要影响。基于宏观塑性流动应力与位错胞尺寸成反比关系,提出了一种新型的BCJ本构模型。利用位错胞尺寸参数,修正了BCJ模型的流动法则、内变量演化方程,引入了考虑应变率和温度相关性的位错胞尺寸演化方程,建立了综合考虑微观结构特征长度演化、位错累积与湮灭的内变量黏塑性本构模型。应用本文模型,对OFHC铜应变率在10-4~103 s-1、温度在298~542 K、应变在0~1的实验应力-应变数据进行了预测。结果表明:在较宽应变率、温度和应变范围内,本文模型的预测数据与实验吻合很好;与BCJ模型相比,对不同加载条件下实验数据的预测精度均有较大程度的提高,最大平均相对误差从9.939%减小为5.525%。     

96.5Sn-3.5Ag钎料合金的时相关单轴应变循环变形行为及其本构关系研究

在室温下对96.5Sn-3.5Ag钎料合金进行了不同加载波形下的单轴应变循环实验。研究了在具有不同保持时间、不同应变率、不同应变幅值及其历史对材料的循环变形行为的影响。基于材料时相关变形行为,提出了统一粘塑性本构模型,并对该材料的变形行为进行本构模拟。实验结果表明:该钎料合金单轴变形行为具有应变率、保持时间以及应变幅值依赖性。本构关系的预言结果与实验结果吻合得一致性说明该种模型能够很好地描述材料的单轴应变循环变形行为。     

考虑塑性应变记忆恢复的循环棘轮本构模型研究

在统一粘塑性循环本构理论框架下,以Ohno-Abdel-Karim非线性随动硬化模型为基础,建立了一个循环本构模型。模型通过引入塑性应变幅值记忆效应,并在塑性应变记忆项中加入恢复系数,提高了对循环硬化材料单轴棘轮行为的预言能力。将模型应用于316L不锈钢单轴棘轮行为的描述中,模拟不同平均应力、应力幅值下的棘轮应变,均与实验数据吻合较好,证明本文改进的本构模型能合理地描述循环硬化材料的单轴棘轮行为。     

冻土单轴动态加载下的力学性能

研究冻土的动态力学性能对于地下工程人工冻结法施工等具有重要意义。本文应用分离式霍普金森压杆(SHPB),研究了冻土单轴动态加载下的力学性能,涉及-3、-8、-13、-17、-23和-28℃共6个负温的冻土,应变率范围350～1200s-1。获得了相应条件下的冻土应力应变关系。冻土的单轴动态应力应变曲线具有脆性特征。发现冻土具有温度和应变率效应,其强度随温度降低和应变率增大而增大,最终应变随应变率增大而增大。冻土温度越低,应变率敏感性越强;加载应变率越高,冻土的温度效应越显著。文中提出的粘弹性损伤型本构模型能够较好的描述6个温度冻土的应力应变关系。     

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。     

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。     

准脆性材料的弹塑性各向异性损伤耦合本构模型研究

针对准脆性材料的非线性特征：强度软化和刚度退化、单边效应、侧限强化和拉压软化、不可恢复变形、剪胀及非弹性体胀,在热动力学框架内,建立了准脆性材料的弹塑性与各向异性损伤耦合的本构关系。对准脆性材料的变形机理和损伤诱发的各向异性进行了诠释,并给出了损伤构形和有效构形中各物理量之间的关系。在有效应力空间内,建立了塑性屈服准则、拉压不同的塑性随动强化法则和各向同性强化法则。在损伤构形中,采用应变能释放率,建立了拉压损伤准则、拉压不同的损伤随动强化法则和各向同性强化法则。基于塑性屈服准则和损伤准则,构建了塑性势泛函和损伤势泛函,并由正交性法则,给出了塑性和损伤强化效应内变量的演化规律,同时,联立塑性屈服面和损伤加载面,给出了塑性流动和损伤演化内变量的演化法则。将损伤力学和塑性力学结合起来,建立了应变驱动的应力-应变增量本构关系,给出了本构数值积分的要点。以单轴加载-卸载往复试验识别和校准了本构材料常数,并对单轴单调试验、单轴加载-卸载往复试验、二轴受压、二轴拉压试验和三轴受压试验进行了预测,并与试验结果作了比较,结果表明,所建本构模型对准脆性材料的非线性材料性能有良好的预测能力。     

冲击载荷下盐岩的力学性能和本构关系研究

利用直径75mm的大尺寸SHPB实验装置开展盐岩的动态压缩性能实验研究,得到了其动态应力应变曲线。分析表明,在冲击压缩载荷作用下,盐岩材料有明显的损伤软化现象和应变率效应。针对实验曲线,通过引入描述材料强度随应变率强化的应变率增强因子和随不可逆变形发展而弱化的损伤因子,提出了含损伤率的相关动态本构模型,拟合得到的本构方程形式比较简单,能够较好地反映盐岩动态实验加载过程的主要特征,具有一定的工程应用价值。     

基于裂纹扩展脆性岩石动力压缩力学特性研究

动态压缩荷载作用下，脆性岩石内部动态细观裂纹扩展特性，对岩石宏观动态力学特性有着重要的影响。然而，对岩石内部动态细观裂纹扩展与宏观动态力学特性的关系研究较少。基于准静态裂纹扩展作用下的应力-应变本构模型、准静态与动态裂纹扩展断裂韧度关系、裂纹速率与应变率关系模型及应变率与动态断裂韧度关系，提出了一种基于细观力学的动态应力-应变本构模型。其中裂纹速率与应变率关系，是根据裂纹长度与应变关系的时间导数推出；应变率与动态断裂韧度关系，是根据推出的裂纹速率及应变率关系，与裂纹速率及断裂韧度关系相结合而得到。研究了应变率对应力-应变本构关系及动态压缩强度影响。并通过试验结果验证了模型的合理性。讨论了岩石初始损伤、围压、模型中参数m、ε₀和R对应力-应变关系、动态压缩强度和动态弹性模量的影响。研究结果可为动态压缩荷载作用下深部地下工程脆性围岩稳定性分析提供了一定的理论支持。     

PMMA材料的动态压缩力学特性及应变率相关本构模型研究

利用INSTRON万能试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB)对PMMA试件在较宽应变率范围内进行了单轴压缩实验,研究加载应变率对PMMA材料力学性能的影响.利用扫描电子显微镜对回收的试样进行了显微观察,重点分析不同加载应变率下PMMA的微观损伤破坏模式.结果表明:随着应变率的增大,PMMA的流动应力显著地增加,且冲击加载条件下,峰值应力的应变率敏感性明显高于准静态;在准静态加载条件下,PMMA试样呈现明显的延性破坏特征,在动态加载条件下则表现为脆性破坏.最后,对PMMA材料的ZWT粘弹性本构模型参数进行了拟合,拟合结果与实验结果吻合较好,表明该本构模型能够较好地描述较宽应变率范围内PMMA材料的应力应变关系.     

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。     

高应变率下航空透明聚氨酯的动态本构模型

采用低阻抗分离式霍普金森压杆对航空透明聚氨酯进行了高应变率下的动态力学性能测试,得到的应力应变曲线表现出了显著的非线性黏弹性特征。基于本构理论和实验数据,构建了航空透明聚氨酯的松弛时间应变相关的超黏弹性本构形式。该本构模型由2部分组成:一部分表征准静态下的超弹性行为,另一部分描述非线性应变率的相关特性。利用超黏弹性本构模型对不同应变率下航空透明聚氨酯的动态应力应变曲线进行拟合,拟合曲线与实验曲线一致性良好。     

ANALYSIS OF THE LOCALIZATION OF DAMAGE AND THE COMPLETE STRESS-STRAIN RELATION FOR MESOSCOPIC HETEROGENEOUS ROCK UNDER UNIAXIAL TENSILE LOADING

The mechanical behavior of rock under uniaxial tensile loading is different from that of rock under compressive loads. A micromechanics-based model was proposed for mesoscopic heterogeneous brittle rock undergoing irreversible changes of their microscopic structures due to microcrack growth. The complete stress-strain relation including linear elasticity, nonlinear hardening, rapid stress drop and strain softening was obtained. The influence of all microcracks with different sizes and orientations were introduced into the constitutive relation by using the probability density function describing the distribution of orientations and the probability density function describing the distribution of sizes. The influence of Weibull distribution describing the distribution of orientations and Rayleigh function describing the distribution of sizes on the constitutive relation were researched. Theoretical predictions have shown to be consistent with the experimental results.     

Micromechanics and macromechanics of carbon nanotube-enhanced elastomers

The effects of carbon nanotubes on the mechanical behavior of elastomeric materials is investigated. The large deformation uniaxial tension and uniaxial compression stress-strain behaviors of a representative elastomer are first presented. This elastomer is then reinforced with multi-wall carbon nanotubes (MWNTs) and the influence of weight fraction of MWNTs on the large deformation behavior of the resulting composite is quantified. The initial stiffness and subsequent strain-induced stiffening at large strains are both found to increase with MWNT content. The MWNTs are also found to increase both the tensile strength and the tensile stretch at break. A systematic approach for reducing the experimental data to isolate the MWNT contribution to the strain energy of the composite is presented. A constitutive model for the large strain deformation behavior of MWNT-elastomer composites is then developed. The effects of carbon nanotubes are modeled via a constitutive element which tracks the stretching and rotation of a distribution of wavy carbon nanotubes. The MWNT strain energy contribution is due to the bending/unbending of the initial waviness and provides the increase in initial stiffness as well as the retention and further enhancement of the increase in stiffness with large strains. The model is shown to track the stretching and rotation of the CNTs with macroscopic strain as well as predict the dependence of the macroscopic stress-strain behavior on the MWNT content for both uniaxial tension and uniaxial compression.     

岩石单轴压缩作用下变形局部化的梯度塑性解

采用梯度塑性理论研究单轴压缩作用下岩石变形局部化,得到了单轴压缩作用下岩石变形局部化带宽度的一维、二维解析解,为实验测定内部材料长度参数提供了理论依据.     

基于深度学习和细观力学的颗粒材料本构关系研究

颗粒材料的本构关系对岩土工程等众多领域至关重要. 不同于传统的唯象本构理论, 本文基于机器学习模型探索了一种细观力学理论指导下的数据驱动型颗粒材料本构关系预测方法. 根据Vogit均质化假设, 建立了小应变条件下颗粒材料应力?应变解析关系, 此关系唯一地确定了一组与颗粒材料本构行为相关的细观组构变量. 这些变量与反应颗粒材料宏观性质的主应力和主应变信息通过一系列离散元三轴压缩数值试验获得. 考虑到细观组构变量为内变量, 不能直接作为本构模型的输入. 本文基于有向图方法将颗粒材料微观结构信息隐式地包含在应力?应变的预测当中, 并采用门控循环单元(GRU)循环神经网络作为基础深度学习模型描述有向图中结点之间的映射关系. 通过将有向图从目标节点沿源节点展开, 整个应力?应变预测模型可由两个神经网络分别训练并组装而成. 将训练后的深度学习模型在全新的数据集上进行测试, 结果表明该训练策略能有效捕捉到颗粒材料在常规三轴任意加卸载, 等中主应力系数b的真三轴加载, 和等平均有效应力p的真三轴加卸载等复杂多轴加载工况下的应力?应变响应关系, 模型具有良好的内插和外推预测能力. 考虑到深度学习模型捕捉颗粒材料力学响应的能力及其开放式学习的特点, 充分结合数据驱动方法和理论本构模型可能是颗粒材料本构研究的一个重要方向.      

Photovisco-elasto-plastic analysis tested on polyester by the scattered-light method

A three-dimensional photovisco-elasto-plastic model considering the strain rate effect was investigated by the scattered-light method using polyester as a model material. To examine the mechanical and optical properties of the material, tension and torsion tests were carried out on cylindrical specimens under various strain rates at 30°C. The effects of strain rate on the stress-strain relation and scattered-light fringe appearance were evaluated. The equivalent shearing stress-strain relation can be approximated by the Ramberg-Osgood equation with rate-dependent modulus and yield stress. The fringe gradient, when normalized by a rate-dependent yield gradient, can be related to an equivalent strain in the same form regardless of the strain rate. The strain rate can be evaluated from the measurement of the rate of increase of the fringe gradient. Hence, the relation between the fringe gradient and its rate of increase was derived as a function of strain rate. Finally, a method is proposed for the estimation of the visco-elasto-plastic stress and strain in a three-dimensional specimen from the measurement of only the fringe gradient and its rate of increase. The method was successfully applied not only to uniaxial tension but also to pure torsion.