一种描述形状记忆合金拟弹性变形行为的本构关系

本文给出一种描述形状记忆合金拟弹性变形现象的本构关系,可用于多晶材料在一般应力状态下及单晶材料在单轴应力下的变形情况。该本构关系采用弹性应变与相变应变迭加形式,物理意义明显,形式简洁。对 Cu-Zn-Sn 合金及 Ti-Ni 合金材料的变形行为进行了模拟计算,结果与实验值有较好的吻合。     

超弹性材料本构关系的最新研究进展

超弹性材料是工程实际中的常用材料, 具有在外力作用下经历非常大变形、在外力撤去后完全恢复至初始状态的特征. 超弹性材料是典型的非线性弹性材料, 其性能可通过材料的应变能函数予以表征. 近几十年来, 围绕应变能函数形式的构造, 已提出许多超弹性材料本构关系研究的数学模型和物理模型, 但适用于多种变形模式和全变形范围的完全本构关系仍是该领域期待解决的重要问题. 本文从3个不同角度, 对超弹性材料本构关系研究的最新进展进行了总结和分析: (1)不同体积变化模式, 包含不可压与可压两种; (2)多变形模式, 包含单轴拉伸、剪切、等双轴以及复合拉剪等多个种类; (3)全范围变形程度, 包含小变形、中等变形到较大变形范围. 超弹性材料本构关系研究的最新进展表明, 为了全面描述具体材料的实验数据并在实际问题中应用超弹性材料, 需要建立适合于多种变形模式和全变形范围的可压超弹性材料的完全本构关系. 对实际超弹性材料完全本构关系的建立及可压超弹性材料应变能函数的构造, 笔者还提出了相应的实施步骤和研究方法.      

STATE OF THE ART OF CONSTITUTIVE RELATIONS OF HYPERELASTIC MATERIALS 1)

超弹性材料是工程实际中的常用材料, 具有在外力作用下经历非常大变形、在外力撤去后完全恢复至初始状态的特征. 超弹性材料是典型的非线性弹性材料, 其性能可通过材料的应变能函数予以表征. 近几十年来, 围绕应变能函数形式的构造, 已提出许多超弹性材料本构关系研究的数学模型和物理模型, 但适用于多种变形模式和全变形范围的完全本构关系仍是该领域期待解决的重要问题. 本文从3个不同角度, 对超弹性材料本构关系研究的最新进展进行了总结和分析: (1)不同体积变化模式, 包含不可压与可压两种; (2)多变形模式, 包含单轴拉伸、剪切、等双轴以及复合拉剪等多个种类; (3)全范围变形程度, 包含小变形、中等变形到较大变形范围. 超弹性材料本构关系研究的最新进展表明, 为了全面描述具体材料的实验数据并在实际问题中应用超弹性材料, 需要建立适合于多种变形模式和全变形范围的可压超弹性材料的完全本构关系. 对实际超弹性材料完全本构关系的建立及可压超弹性材料应变能函数的构造, 笔者还提出了相应的实施步骤和研究方法.     

有限应变下蠕变—弹塑性—损伤耦合本构模型的数值模拟

本文提出了一个模拟有限元应变下各向同性蠕变－弹塑性－损伤耦合本构行为的数值模型。模型基于不可逆过程的热动力学和内状态变量理论、以及应力就变本构关系的超弹性形式描述和变形梯度的弹性及非弹性部分的乘式分解。     

形状记忆合金伪弹性行为模拟

基于对伪弹性形状记忆合金(SMA)典型应力-应变曲线的特征分析,在原Graesser本构模型中增加简洁多项式来描述SMA应力诱发马氏体相变完成后在变形马氏体相下继续加载阶段的变形特征;并引入应变幅值与混相下SMA弹性模量的关系来改进不同应变幅值下卸载时SMA的应力-应变关系,从而提出了一种新的SMA一维本构关系模拟其伪弹性力学行为。该模型对直径为0.5mm的NiTi合金丝的拉伸加载、卸载试验曲线的模拟结果表明:改进本构模型与原Graesser模型相比,其能够准确地模拟SMA在不同应变幅值下加载和卸载应力-应变关系。此外,通过研究SMA本构模型的物理关系,推导出了控制SMA滞回曲线特征的关键参数fT与相变临界应力、弹性常数之间的明确关系,可利用该关系直接确定参数fT,摆脱了只靠试算获取该参数的传统做法,其准确性得到了试验验证。     

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。     

有机玻璃在高应变率下的损伤型非线性粘弹性本构关系及破坏准则

对两种有机玻璃高应变率下的大变形和破坏行为进行了实验研究,通过改进文献[2]本构关系的非线性弹性项并引入损伤参量,建立了一个适用于更大变形范围、能描述应力平台及本构失稳的损伤型非线性粘弹性本构方程。相应地,从临界损伤量概念出发,提出以应变和应变率为控制变量的破坏准则。不论是本构关系还是破坏准则,理论计算均与试验结果吻合良好。     

有机玻璃在高应变率下的损伤型非线性粘弹性本构关系及破坏准则

对两种有机玻璃高应变率下的大变形和破坏行为进行了实验研究,通过改进文献[2]本构关系的非线性弹性项并引入损伤参量,建立了一个适用于更大变形范围、能描述“应力平台”及“本构失稳”的损伤型非线性粘弹性本构方程。相应地,从临界损伤量概念出发,提出以应变和应变率为控制变量的破坏准则。不论是本构关系还是破坏准则,理论计算均与试验结果吻合良好。     

硬质聚氨酯泡沫塑料本构关系的研究

介绍用大尺寸分离式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆对四种密度的硬质聚氨酯泡沫塑料进行高应变率实验，完整地给出了这种材料在１０３／ｓ高应变率下的包括弹性区、屈服区和致密区变形全过程的动态应力应变曲线，并提出了包括应力、应变、应变率和密度等参量的本构关系．     

材料的弹粘塑性本构关系和应力波的演化

试验表明，大多数工程材料在冲击载荷作用之下的变形一般都同时包含有可恢复的瞬态性弹性变形和不可恢复的粘滞性塑性变形，即其本构关系可以用弹粘塑性模型来描述。本文从内变量理论出发，探讨了时率相关材料的弹粘塑性本构关系的一般特性，建立了增量型的弹粘塑性本构关系的一般理论框架和普适的表达式，并且对两种最常用的本构模型——Bodner-Partom模型和Johnson-Cook模型给出了在一维应变条件下的具体形式。通过计算和讨论一维应变粘塑性靶板中冲击波的衰减机制和应力波的演化规律，特别是考察各种粘塑性本构模型中的材料参数对冲击波的衰减和应力波的演化的影响，得出了一些可以直接应用或具有一定借鉴价值的结果，为研究应力波的其他衰减机制以及在人防工程中智能防护层设计时新材料的选取奠定了基础。     

A constitutive relation for pseudo-elastic behaviour in shape memory alloys

A constitutive relation to describe pseudo-elastic deformation in shape memory alloys is presented in this paper. It is capable of describing deformation behaviour of polycrystalline materials under triaxial stress state as well as of monocrystalline materials under one-dimensional condition. Total strain rate is supposed to be composed of elastic strain rate and transformation strain rate. Deformation behaviour of Cu−Zn−Sn alloy and Ti−ni alloy is simulated by use of the proposed constitutive relation. it is shown that simulated results are in a good agreement with experimental data. The project supported by National Natural Science Foundation of China.     

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。     

A Phenomenological Constitutive Model for Describing Thermo-Viscoplastic Behavior of Al-Zn-Mg-Cu Alloy Under Hot Working Condition

In order to predict the high-temperature deformation behavior of Al-Zn-Mg-Cu alloy, the hot compression tests were conducted in the strain rate range of (0.001–0.1)s⁻¹ and the forming temperature range of (573–723) K. Based on the experimental results, Johnson-Cook model was found inadequate to describe the high-temperature deformation behavior of Al-Zn-Mg-Cu alloy. Therefore, a new phenomenological constitutive model is proposed, considering the coupled effects of strain, strain rate and forming temperature on the material flow behavior of Al-Zn-Mg-Cu alloy. In the proposed model, the material constants are presented as functions of strain rate. The proposed constitutive model correlates well with the experimental results confirming that the proposed model can give an accurate and precise estimate of flow stress for the Al-Zn-Mg-Cu alloy investigated in this study.     

Determination of the Constitutive Relation Parameters of a Metallic Material by Measurement of Temperature Increment in Compressive Dynamic Tests

The mechanical behaviour of a material can be established by an analytic expression called the constitutive relation that shows stress as a function of plastic strain, strain rate, temperature, and possibly other thermo-mechanical variables. The constitutive relation usually includes such parameters as coefficients or exponents that must be determined. At a high strain rate, the heat generated during the deformation process is directly related to the plastic deformation energy of the material. This energy can be calculated from the plastic work, resulting in an expression that includes the constitutive relation parameters as variables. The heat generated can also be estimated by measuring the temperature surface of the specimen during compressive tests using the technique of infrared thermography. The objective of this paper is to present a procedure for determining the constitutive relation parameters by measuring the temperature increase associated with plastic strain in compressive Hopkinson tests. The procedure was applied to estimate the parameters of the Johnson–Cook constitutive relation of an aluminium alloy (Al6082).     

形状记忆合金相变塑性的统一本构理论

本文根据单品相变时其宏观(长程)切应变(等效应变)与外加切应力(等效应力)问的幂函数关系假定,建立了形状记忆合金多晶体相变塑性的统一细观本构理论,它推广了现有细观本构理论的结果,消除了现有理论中存在的当外加偏应力趋于零时自由能函数的不连续性和宏观塑性变形的不连续性。这一本构理论将能统一地描述在不同温度和载荷下记忆合金所呈现的各种行为。     

96.5Sn-3.5Ag 钎料合金的含非比例度的多轴时相关本构模型研究

基于96.5Sn-3.5Ag钎料合金的多轴时相关变形行为,提出了一个考虑其多轴变形特性的本构模型.在该模型背应力演化方程中,引入了非比例度对背应力演化率的影响,并提出了模型参数的确定方法.在室温下对96.5Sn-3.5Ag钎料合金进行了十字形、双三角形及椭圆形等拉扭组合非比例循环应变路径下的变形行为的本构模拟,并将预言结果与实验结果进行了比较.预言结果表明,该模型对于96.5Sn-3.5Ag钎料合金的多轴应变循环变形行为具有很好的预言能力.     

ZrCuNiAlAg块体非晶合金JH-2模型研究

为了更好的进行ZrCuNiAlAg块体非晶合金药型罩的爆炸成形及侵彻仿真研究，首要就是建立其材料模型。本文结合ZrCuNiAlAg块体非晶合金力学性能试验结果计算得到了材料的JH-2模型参数，研究确定了ZrCuNiAlAg块体非晶合金JH-2模型。为了验证ZrCuNiAlAg块体非晶合金JH-2模型的准确性，采用Autodyn建立了平板撞击试验有限元模型，模拟了ZrCuNiAlAg块体非晶合金材料在高压、高应变率等环境条件下的变形过程，仿真计算得到的靶板背面自由面粒子速度与试验结果相比，速度平均偏差均在3%以内，表明ZrCuNiAlAg块体非晶合金JH-2模型能很好的描述该材料在大变形、高应变率、高压等环境条件下的力学行为，验证了ZrCuNiAlAg块体非晶合金JH-2模型准确性。     

应力作用下NiTi形状记忆合金微结构演化的相场模拟及其本征应变率敏感性

基于Ginzburg-Landau动力学控制方程建立了NiTi形状记忆合金非等温相场模型,实现了对NiTi合金内应力诱导马氏体相变的数值模拟。同时将晶界能密度引入系统局部自由能密度,从而考虑多晶系统中晶界的重要作用。数值计算了单晶和多晶NiTi形状记忆合金在单轴机械载荷作用下微结构的动态演化过程和宏观力学行为,并重点研究了晶粒尺寸为60 nm的NiTi纳米多晶在低应变率下（0.0005～15 s?1）力学行为的本征应变率敏感性。研究结果表明,单晶NiTi合金系统高温拉伸-卸载过程中马氏体相变均匀发生,未形成奥氏体-马氏体界面。而纳米多晶系统在加载阶段出现了马氏体带的形成-扩展现象,在卸载阶段出现了马氏体带的收缩-消失现象。相同外载作用过程中,NiTi单晶系统的宏观应力-应变曲线具有更大的滞回环面积,拥有更优的超弹性变形能力。计算结果显示,在中低应变率下纳米晶NiTi形状记忆合金应力-应变关系表现出较明显的应变率相关性,应变率升高导致材料相变应力提升。这一应变率相关性主要源于相场模型中外加载荷速率与马氏体空间演化速度的相互竞争关系。