高应变率大变形下的聚丙烯/尼龙共混高聚物损伤型本构特性

对两种采用不同相容剂的聚丙烯（PP）和尼龙（PA）共混高聚物材料在大变形下的粘弹性力学行为进行研究,着重考察应变率效应和损伤的演化,从而分析不同的界面分子设计对共混体系材料宏观性能的作用。在准静态及冲击实验研究的基础上,基于ZWT非线性粘弹性模型,并结合了遗传算法,分别得到了能有效描述两种共混高聚物大变形阶段计及损伤的非线性粘弹性本构关系。两种材料在不同加载条件下表现出明显不一致的性能,原因在于其损伤演化的率相关性,且两种材料的大变形机制存在一定的差别,能用ZWT方程进行描述的范围也不一样。     

基于复数神经网络的粘弹性材料动态模量拟合方法

固体火箭发动机药柱粘弹性材料除具有弹塑性特性,还具有粘滞性,这一特性使得材料变形具有明显的时间效应,本构关系复杂,进行动态力学分析时,动态模量难以有效拟合．本文提出了一种基于(Levenberg-Marquardt, L-M)算法的复数神经网络拟合粘弹性材料动态模量的方法．通过广义Maxwell模型推导得到材料的动态模量表达式,以此构造未定网络参数为复数的神经网络,从而提供了一种输入、输出样本均为复数的神经网络解决方法．将实数L-M训练算法进行改进,衍生到复数领域,提出复数L-M训练算法．通过粘弹性材料实验,将实验数据时温等效转换,获得复数神经网络的训练及测试样本．通过对神经网络进行训练,实现粘弹性材料动态模量的高精度拟合．数值算例表明,与传统神经网络拟合方法相比,所提方法在训练速度和泛化能力方面都有其优越性．     

变温粘弹性杆的轴向位移的解析解

关于粘弹性材料的解析解不多,而关于变温粘弹性材料的解析解则更少．本文在三维变温粘弹性本构方程［1］的基础上,将构件材料的终态温度等效松弛曲线表示成负幂指数的形式,推导出了粘弹性材料的杆在轴力作用下处于变温状态下的位移的解析解．     

高聚物的摩擦和磨损

高聚物的摩擦数据变化甚大,作者认为其主要原因是高聚物的粘弹性。利用弹簧-粘盘的力学模型描述了高聚物的粘弹性,根据高聚物的动态力学性能论述了高聚物摩擦性能与粘弹性的关系。并指出,当材料的摩擦系数随滑动速度的提高而下降时,摩擦体系将会发生振动、噪音和粘-滑现象。 在材料手册中至今尚无高聚物的磨损数据。目前设计者对PV值较感兴趣,作者认为手册中的PV值不能真实地表示材料的性能,只有在确定温度条件下的PV值才有意义。同时介绍了摩擦表面上温度升高值的经验公式和几种测量摩擦温度的方法,并对高聚物的磨损特性作了论述。     

热载荷作用下功能梯度材料梁的热粘弹性弯曲

由记忆型非均匀热粘弹性材料的积分型本构关系出发,在时空可分离松弛函数假设和平截面几何假设下,通过引进"结构热函数",建立了FGM梁热粘弹性弯曲问题的数学模型及其简化Gurtin型变分原理.在热弹性参数沿厚度方向呈幂律形式变化和热粘弹性松弛函数空域部分沿厚度方向呈指数形式变化的情况下,借助Ritz解和解析解,研究了热载荷作用下材料组分对热弹性/热粘弹性挠度响应和应力分布的影响,发现了热应力反向分布现象.     

关于复合结构振动分析中粘弹性材料本构方程的形式

弹性——粘弹性材料复合结构的振动分析必然要涉及粘弹性材料的本构方程形式。就两种常用的形式:标准形式和分数阶导数形式,本文从粘弹性材料的力学性能曲线拟合和复合结构振动分析两方面比较了这两种本构方程形式的优劣,认为采用标准形式具有更多的优越性。     

粘弹性界面裂纹奇异场

对于许多粘弹性问题,通常可以利用对应性原理,即由弹性问题的结果得到对应的粘弹性问题在拉普拉斯变换域内的解,再通过反演变换求得最终时域中的解.但是,由于界面裂纹场存在着振荡奇异性,弹性问题解的形式就已经非常复杂,对应的粘弹性问题要通过反演变换直接求得准确的解析解几乎是不可能的.本文在利用对应性原理时做了更简单的准静态处理,即将弹性结果中的材料参数用粘弹性材料参数做对应替代,得到了粘弹性界面裂纹场近似的经典解,并与有限元分析结果作了比较.同时,利用Comninou接触模型,对粘弹性界面裂纹在远场拉剪混合加载情况下的裂尖应力场和接触区做了考察,并与经典解作了比较.     

三参数粘弹性地基上层合板的自由和强迫振动

基于三参数粘弹性地基模型及Reddy高阶剪切变形板理论,用双重Fourier级数形式解求得粘弹性地基上四边简支对称正交及反对称斜交层合板的各模态自由振动频率的解析解,以及这两种层合板在任意横向动荷载作用下动力响应的半解析解。通过参数分析讨论了粘弹性地基参数、边厚比等因素对自振频率及动力响应的影响。结果表明,地基的剪切刚度和压缩刚度提高了板的自振频率而降低了板的振动幅值,地基的粘性作用不可忽略。     

非线性粘弹性板的失稳条件

研究了给定面内周期激励作用下简支各向同性均匀粘弹性板平衡失稀问题,板的材料特性由Leaderman非线性本构关系描述,将板的动力学方程进行（Galerkin截断得到简化数学模型为弱非线性系统,采用平均法得到系统的平均化方程,对平均化方程进行稳定性分析得到了板平衡失稳的解析条件,对原系统用数值仿真进行研究,数值结果表明,随着激励幅值的增加或粘弹性材料系数的减少,系统平衡点推失稳,激励幅值和粘弹性材料系数的临界值均与解析结果接近。     

一种新的摄动粘弹性边界元法

本文在拉普拉斯变换空间中,运用摄动理论和“弹性-粘弹性”对应性原理,提出了一种新的粘弹性问题边界元求解法。文中结合广义变分原理,导出了摄动粘弹性边界元方程,并给出了摄动粘弹性问题的基本解。最后,详述了一阶摄动的求解过程,并给出了算例。     

基于微形态模型的颗粒材料中波的频散现象研究

基于颗粒材料冲击与波动响应特性的调控波传播行为的超材料设计受到广泛关注,设计这类材料需要对颗粒材料的波传播机制及调控机理有深入认识. 波在颗粒材料中传播的频散现象及频率带隙等行为与材料的非均匀性密切相关,通常讨论频散现象是基于弹性理论框架建立微结构连续体或高阶梯度连续体等广义连续体模型来进行. 本研究基于细观力学给出了一个颗粒材料的微形态连续体模型. 在该模型中,考虑了颗粒的平动和转动,且颗粒间的相对运动分解为两部分:即宏观平均运动和细观真实运动. 基于此分解,提出了一个完备的变形模式,得到了对应于不同应变及颗粒间运动的宏细观本构关系. 结合宏观变形能的细观变形能求和表达式,获得了基于细观量表示的宏观本构模量. 应用所建议模型考察了波在弹性颗粒介质的传播行为,给出了不同形式的波的频散曲线,结果显示此模型具有预测频率带隙的能力.      

材料非线性微-宏观分析的多尺度方法研究

介绍并比较了近年来在材料非线性微-宏观分析多级数值方法方面的研究工作. 针 对考虑材料内摩擦接触的颗粒材料多尺度计算问题，建立一种基于数值技术的多级分析方 法. 方法的特点是在对材料进行微观分析的基础上建立宏观材料的多尺度非线性数值本构模 型. 而对材料弹塑性多级分析问题，建立了基于转换场技术的算法，采用近似技术建立非线 性分析的本征应变矩阵，使方法具有表达简单与实现方便的特点. 给出了数值算例， 通过比较说明了方法的正确性与有效性.     

A return-map algorithm for general associative isotropic elasto-plastic materials in large deformation regimes

The present paper addresses a flexible solution algorithm for associative isotropic elasto-plastic materials, i.e. for materials whose elastic and plastic behaviors are described through an isotropic free-energy function, an isotropic yield function and an associative flow rule. The discussion is relative to a large deformation regime, while no hardening mechanisms are included. The algorithm is based on a combination of the operator split method and a return map scheme. Both the algorithm linearization and the requirements for the yield criterion convexity are discussed in detail. Finally, to show the algorithm flexibility and performance, the discussion is specialized to three yield criteria and some test problems are studied.     

Analysis of a permeable interface crack in elastic dielectric/piezoelectric bimaterials

A permeable interface crack between elastic dielectric material and piezoelectric material is studied based on the extended Stroh’s formalism. Motivated by strong engineering demands to design new composite materials, the authors perform numerical analysis of interface crack tip singularities and the crack tip energy release rates for 35 types of dissimilar bimaterials, respectively, which are constructed by five kinds of elastic dielectric materials: Epoxy, Polymer, Al₂O₃, SiC, and Si₃N₄ and seven kinds of practical piezoelectric ceramics: PZT-4, BaTiO₃, PZT-5H, PZT-6B, PZT-7A, P-7, and PZT-PIC 151, respectively. The elastic dielectric material with much smaller permittivity than commercial piezoelectric ceramics is treated as a special transversely isotropic piezoelectric material with extremely small piezoelectricity. The present investigation shows that the structure of the singular field near the permeable interface crack tip consists of three singularities: and , which is quite different from that in the impermeable interface crack. It can be concluded that different far field loading cases have significant influence on the near-tip fracture behaviors of the permeable interface crack. Based on the present theoretical treatment and numerical analysis, the electric field induced crack growth is well explained, which provides a better understanding of the failure mechanism induced from interface crack growth in elastic dielectric/piezoelectric bimaterials. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10572110), Doctor Foundation of the Chinese Education Ministry and Doctorate Foundation of Xi’an Jiaotong University. The English text was polished by Yunming Chen.     

方板对角拉伸分叉、鼓动与起皱

以Ｈｉｌ关于弹塑性材料唯一性的充分性条件为理论基础，采用虚功率增率型原理和Ｍｉｎｄｌｉｎ曲壳单元的弹塑性大变形有限元模型成功地模拟了方板对角拉伸（ＹＢＴ）分叉后继变形的鼓动与起皱过程，并与同类实验结果进行了比较最后还讨论了板厚ｔ和端面拉伸宽度Ｂ对分叉模式和起皱模式的影响为板材成形过程中发生的分叉、鼓动与起皱现象提供一种有效的有限元数学模型     

基于扭曲Kagome点阵结构的一模材料设计

零能模式超材料指弹性矩阵的特征值中有若干为零的弹性材料,根据零特征值的个数可将其分类为一模至五模材料。当前,针对五模材料已有较深入研究,并在水声和弹性波调控方面获得重要应用,而对其他类型零能模式材料的研究尚未展开。本文对扭曲Kagome周期桁架这样一类欠约束点阵材料的有效弹性性质进行了研究,结果表明通过调节点阵材料的微观几何构型和杆件刚度,该类结构能够涵盖一系列一模材料谱系。针对给定一模弹性张量,发展了软-硬模式分离的微结构逆向优化设计策略。通过特定一模材料中的波传播现象对有效性质预测和微结构设计进行了数值验证。     

压电压磁复合材料中裂纹对反平面简谐弹性波的散射问题

分析了压电压磁复合材料中裂纹对反平面简谐弹性波的散射问题。利用傅立叶变换,使问题的求解转换为对一对以裂纹表面上的位移差为未知变量的对偶积分方程的求解。为了求解对偶积分方程,把裂纹面上的位移差展开为雅可比多项式形式,进而得到了裂纹长度、入射波波速及入射波频率对裂纹应力强度因子的影响。从数值结果可以看出,压电压磁复合材料中可导通裂纹的反平面问题的动应力奇异性与一般弹性材料中的反平面断裂问题动应力奇异性相同。     

Two-dimensional modeling of heterogeneous structures using graded finite element and boundary element methods

In the present work, graded finite element and boundary element methods capable of modeling behaviors of structures made of nonhomogeneous functionally graded materials (FGMs) composed of two constituent phases are presented. A numerical implementation of Somigliana’s identity in two-dimensional displacement fields of the isotropic nonhomogeneous problems is presented using the graded elements. Based on the constitutive and governing equations and the weighted residual technique, effective boundary element formulations are implemented for elastic nonhomogeneous isotropic solid models. Results of the finite element method are derived based on a Rayleigh–Ritz energy formulation. The heterogeneous structures are made of combined ceramic–metal materials, in which the material properties vary continuously along the in-plane or thickness directions according to a power law. To verify the present work, three numerical examples are provided in the paper.     

考虑材料各向异性的熔丝制造PLA点阵结构弹性各向同性设计

增材制造技术的兴起激发了国内外学者对结构创新设计的热情. 然而, 增材制造材料的各向异性为结构力学性能的预测与设计带来了一定的困难. 为了准确预测熔丝制造聚乳酸(PLA)材料和点阵结构的弹性性能, 并实现点阵结构的弹性各向同性设计, 首先, 本文采用正交各向异性弹性模型来描述PLA材料的弹性行为, 通过实验和计算得到了正交各向异性模型需要的9个独立的弹性常数. 然后, 设计了一种力学性能可调的二维组合桁架点阵结构, 基于代表体元法, 在不考虑材料各向异性的情况下推导出了其平面内等效弹性性能的解析表达式及弹性各向同性条件. 最后, 根据PLA材料的各向异性调整点阵结构内部杆件的弹性模量和厚度, 并基于代表体元法重新推导出了点阵结构平面内等效弹性性能的解析表达式及其弹性各向同性条件. 研究结果表明, 正交各向异性弹性模型适用于描述熔丝制造PLA材料的弹性行为, 基于该模型能够准确预测PLA材料在任意方向上的弹性模量. 在预测与设计熔丝制造点阵结构的力学性能时需要充分考虑材料的各向异性. 在考虑材料的各向异性之后, 基于代表体元法调整点阵结构的几何尺寸, 能够实现部分点阵结构的弹性各向同性设计.      

General Expressions of Constitutive Equations for Isotropic Elastic Damaged Materials

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＳｉｎｃｅｔｈｅｐｉｏｎｅｅｒｉｎｇｗｏｒｋｓｂｙＫａｃｈａｎｏｖ[1]ａｎｄＲａｂｏｔｎｏｖ[2 ]ｆｏｒｃｒｅｅｐｆａｉｌｕｒｅｏｆｍｅｔａｌｓ,ｔｈｅｄａｍａｇｅｍｅｃｈａｎｉｃｓｈａｓｂｅｅｎｇｒｅａｔｌｙｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｎｄｈａｓｂｅｃｏｍｅａｍｏｓｔａｃｔｉｖｅｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅａ[3- 6 ].Ｔｈｅｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｏｆｄａｍａｇｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｉｓａｂａｓｉｃｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｄａｍａｇｅｍｅｃｈａｎ ｉｃｓ.Ｔｈｅｓｔｒａｉ…