一种新的概念性层裂模型

 在重建Cochran-Banner模型的基础上提出了一种新的概念性层裂模型。这种新模型仅保留Cochran-Banner模型中的强度函数,重新定义损伤,并抛弃了基本假设：一旦微损伤形成,使微损伤演化远远易于使固体进一步体积应变,进而修正了差分微元中固体比容的计算。在新的模型中,一旦拉伸应力达到层裂强度,重新定义的损伤将由强度函数确定的应力松弛方程、计及损伤的能量守恒方程、状态方程以及本构方程等一系列封闭方程组确定。新模型中也仅包含两个参数：层裂强度及临界损伤度,它们的确定能使在一定初、边值条件下的层裂试验的数值计算结果与实验测得的靶自由面速度历史或靶-低阻抗界面应力历史以及回收观测的层裂面上的损伤一致。强调指出,选定强度函数或应力松弛方程提供了确定损伤的可能,同时排除了任何外加的损伤演化方程。     

PBX炸药粘弹性统计微裂纹本构模型的改进

基于描述PBX炸药本构关系的粘弹性统计微裂纹模型(Visco-SCRAM),通过修正其微裂纹方向矢量的取值范围、初始缺陷尺寸和体量本构关系,得到模型的改进形式。将改进的模型嵌入有限元程序中,开展PBX炸药JO-9159的平板撞击实验数值模拟研究,讨论了微裂纹数密度参数对计算结果的影响。结合实测曲线,对模型改进前、后的计算结果进行对比和分析。结果表明,改进的模型能够更合理地描述低速冲击下PBX炸药的损伤和破坏。     

考虑温度效应的泡沫铝准静态压缩本构模型

采用MTS材料试验机研究了不同密度(0.322~0.726g/cm~3)的闭孔泡沫铝在温度范围25~500℃下的准静态压缩力学性能,得到了泡沫铝在不同温度下的单轴压缩应力-应变曲线,分析了密度以及温度对其力学行为的影响。利用Liu和Subhash提出的本构模型对不同密度泡沫铝的应力-应变曲线进行拟合,分析并确定了模型中各参数随密度变化的函数,再代入Liu-Subhash模型,得到了泡沫铝的准静态压缩本构模型。通过引入温度软化项对准静态压缩本构模型进行修正,建立了考虑温度效应的泡沫铝准静态压缩本构模型,对闭孔泡沫铝的工程应用具有指导意义。     

冲击载荷下钢筋混凝土力学行为的研究北大核心CSCD

基于钢筋混凝土梁受落锤冲击实验结果,提出了损伤型动态本构模型。该模型以混凝土黏弹性本构特性为基础,为了考虑钢筋的作用以及梁的损伤特性,将钢筋增强因子和损伤变量引入理论模型中,最终得出了以应变、应变率、损伤变量和配筋率为控制变量的钢筋混凝土本构模型。将该动态模型运用于非弹性弯曲梁理论分析中,通过数值求解得出了梁跨中挠度时程曲线,与实验结果相吻合。     

冲击载荷下钢筋混凝土力学行为的研究

基于钢筋混凝土梁受落锤冲击实验结果,提出了损伤型动态本构模型。该模型以混凝土黏弹性本构特性为基础,为了考虑钢筋的作用以及梁的损伤特性,将钢筋增强因子和损伤变量引入理论模型中,最终得出了以应变、应变率、损伤变量和配筋率为控制变量的钢筋混凝土本构模型。将该动态模型运用于非弹性弯曲梁理论分析中,通过数值求解得出了梁跨中挠度时程曲线,与实验结果相吻合。     

PBX炸药含各向异性损伤的黏弹性统计微裂纹本构模型初步研究

建立含损伤本构模型是研究炸药动态力学响应规律的基础。基于PBX炸药材料的宏观黏弹性特征和细观上微裂纹面的方向性,建立了含各向异性损伤的黏弹性统计微裂纹(Aniso-Visco SCRAM)本构模型,简化后得到单轴应力加载下的本构方程。利用数值计算程序,以PBX9501为例,分析了微裂纹扩展的各向异性、PBX炸药破坏强度及临界应变的拉压异性和应变率相关性,考察了微裂纹数密度、初始微裂纹尺寸、微裂纹面摩擦系数及断裂表面能4个主要参数的敏感性及影响规律。结果表明,它们对微裂纹的扩展演化有较大影响,进而导致材料表现出不同的力学响应。     

应变率相关的橡胶本构模型研究

为研究橡胶在不同应变率下的响应特性,建立应变率相关的橡胶黏超弹性本构模型,分别采用超弹性本构模型和黏弹性本构模型表征其非线性弹性行为和应变率相关的弹性行为。首先,对于超弹性模型,基于最小二乘法,对比了Mooney-Rivlin模型、修正的Mooney-Rivlin模型、Yeoh模型、修正的Yeoh模型、Ogden模型和Arruda-Boyce模型等超弹性本构模型的拟合能力。结果表明,经修正的Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型的拟合优度与Ogden模型和Arruda-Boyce模型接近。在此基础上,基于一种参数较少且拟合效果良好的修正Mooney-Rivlin模型和应变率相关的Maxwell模型,建立了橡胶黏超弹性本构模型,考察了该黏超弹性本构模型在单轴拉伸和单轴压缩情况下中高应变率时的拟合能力。结果表明,对于这两种受力情况下的应变率相关的实验数据,该黏超弹性本构模型的拟合优度均在0.95以上。研究结果为大应变率范围内单轴拉伸和单轴压缩下橡胶的本构模型选择提供了参考。     

初始应力状态对材料层裂破坏特性影响研究

含损伤的本构一直是损伤力学研究的重要内容,其研究核心在于如何把损伤变量引入本构方程中。一维平面应变下的层裂实验是获得高应变率下（大于10^4S^-1）含损伤本构的重要手段,其思路在于通过调节损伤度函数中的临界损伤度等参数,使得样品后自由面速度曲线的计算结果与实验结果基本一致,从而反推出材料的基本损伤参数,再以应变等价原理为基础,采用这些参数去计算更为复杂的损伤形式（如圆管膨胀断裂）。本课题通过对样品施加径向预应力,构造不同于一维平面应变的应力环境,考察它对层裂强度的影响程度,并探讨损伤参数的可移植性问题。     

冲击载荷下混凝土本构模型构建研究

 在对混凝土动态力学性能和现有本构模型综合分析的基础上，构建了一个新的适用于冲击响应问题数值分析的混凝土本构模型。该本构模型全面考虑了压力、应力第三不变量、变形的硬化和软化、应变率强化以及拉伸损伤等各个影响因素。将其加入LTZ-2D程序，确定了本构模型参数，对混凝土靶板的穿透问题进行了数值验证分析。计算得到的弹体剩余速度同实验结果基本一致，同时得到了混凝土靶板破裂的计算图像。计算结果及其分析表明，所构建的本构模型能够较好地反映冲击载荷作用下混凝土动态响应的主要特性。     

电子束对LY12硬铝的损伤效应

对LY12硬铝受到电子束辐照时产生的热激波及材料的损伤破坏效应进行了理论计算,将计算值同实验结果进行比较,二者基本上是一致的。在研究中等能量沉积产生材料的破坏效应时,应适当考虑材料的熔化过程,所用的状态方程是GRAY三相状态方程,而在研究材料的损伤破坏时,我们修正了计及损伤效应的Bodner-Partom本构模型。     

Critical measurements for validation of constitutive equations under shock and impact loading conditions

Interpretation of the data often requires numerical simulations of the experiments and comparisons with the data. However, determination of an appropriate set of values for parameters in constitutive equations valid under shock and high strain rate loading remains one of the most difficult tasks for material model developers. Most researchers employ experimental data obtained under idealized stress/strain states in the model parameter calibration scheme. Since the dynamic response of materials is very complex, especially the failure response, the generality of the model parameters is highly questionable. For example, the fracturing of ceramic materials involves nucleation, propagation, and coalescence of microcracks under shock and impact. The dynamic deformation processes in ceramics include dynamic pore collapse, dislocation generation, twinning, and microcracking. When shocked above the Hugoniot elastic limit, the ceramic deformation becomes inelastic; therefore, the constitutive model formulation should consider modeling the effects of these various processes on the degradation of strength and stiffness of ceramic. This paper presents a brief summary of diagnostic measurements and modeling techniques associated with validation and verification of ceramic constitutive/damage models under high strain rate, shock, and penetration loading applications.     

孪晶对Be材料冲击加-卸载动力学影响的数值模拟研究

在高压、高应变率加载条件下,孪晶变形对材料的塑性变形具有重要的贡献,而目前孪晶对金属材料的动态屈服强度、冲击响应等的影响还没有被充分揭示.为此,本文考虑孪晶变形和晶粒碎化,针对铍(Be)材料在高应变率加载下的动态力学响应发展了含孪晶的热弹-黏塑性晶体塑性模型.经过和实验结果的对比,发现该模型可以更准确地预测Be材料在动态加载下,尤其是高压动态加载下的屈服强度.进一步,基于该塑性模型研究了Be材料在冲击加载下的准弹性卸载行为,结果表明剪切波速随着压力和剪应变的变化而发生变化是材料产生准弹性卸载现象的主要原因.此外,研究了冲击波卸载过程中Be材料孪晶的演化过程,发现Be材料卸载过程中也伴随着孪晶的产生.     

A new mathematical approximation of sunlight attenuation in rocks for surface luminescence dating

The attenuation of sunlight through different rock surfaces and the thermoluminescence (TL) or Optical stimulated luminescence (OSL) residuals clock resetting derived from sunlight induced eviction of electrons from electron traps, is a prerequisite criterion for potential dating. The modeling of change of residual luminescence as a function of two variables, the solar radiation path length (or depth) and exposure time offers further insight into the dating concept. The double exponential function modeling based on the Lambert-Beer law, valid under certain assumptions, constructed by a quasi-manual equation fails to offer a general and statistically sound expression of the best fit for most rock types. A cumulative log-normal distribution fitting provides a most satisfactory mathematical approximation for marbles, marble schists and granites, where absorption coefficient and residual luminescence parameters are defined per each type of rock or marble quarry. The new model is applied on available data and age determination tests.     

不同卸围压速率下花岗岩的力学性质及声发射特征

为了研究不同卸围压速率下花岗岩的力学性质,利用RMT-150B岩石力学试验系统对花岗岩试样进行恒轴压卸围压应力路径试验。试验结果表明:相同的初始围压下,随着卸围压速率增大,岩样的延性减小,表现为脆性破坏。卸围压速率越大,卸围压阶段的应变率越高,但总变形量小;当卸围压的速率相同时,初始围压越高,卸围压阶段岩样的应变率和总变形量越大。采用Mogi-Coulomb强度准则对试验结果进行拟合,结果显示:卸围压速率对花岗岩的黏聚力有劣化作用,对岩石的内摩擦角有强化作用;卸围压速率越小,振铃计数的活跃期越长,表明在低卸围压速率下,花岗岩岩样内部损伤发展缓慢且完全。     

Initial damage induced by thermal residual stress and microscopic failure analysis of carbon-fiber reinforced composite under shear loading

In order to study the mechanical properties and the progressive failure process of composite under shear loading, a representative volume element (RVE) of fiber random distribution was established, with two dominant damage mechanisms – matrix plastic deformation and interfacial debonding – included in the simulation by the extended Drucker–Prager model and cohesive zone model, respectively. Also, a temperature-dependent RVE has been set up to analyze the influence of thermal residual stress. The simulation results clearly reveal the damage process of the composites and the interactions of different damage mechanisms. It can be concluded that the in-plane shear fracture initiates as interfacial debonding and evolves as a result of interactions between interfacial debonding and matrix plastic deformation. The progressive damage process and final failure mode of in-plane shear model which are based on constitute are very consistent with the observed result under scanning electron microscopy of V-notched rail shear test. Also, a transverse shear model was established as contrast in order to comprehensively understand the mechanical properties of composite materials under shear loading, and the progressive damage process and final failure mode of composite under transverse shear loading were researched. Thermal residual stress changes the damage initiation locations and damage evolution path and causes significant decreases in the strength and fracture strain.     

三轴应力下花岗岩加载破坏的能量演化和损伤特征

为揭示不同围压下硬岩在破坏过程中的力学性质和能量演化规律,基于RMT-150B岩石力学试验系统对花岗岩试样进行不同围压条件下常规三轴压缩试验。研究结果表明:岩样的峰值应力和围压具有较强的线性关系,利用Mohr-Coulomb强度准则求出花岗岩的黏聚力为23.548 MPa,内摩擦角为57.629°。围压对花岗岩加载破坏过程中能量演化的影响显著,岩石的峰值能量、弹性应变能以及耗散能都随着围压的增大而增大,且两者呈线性增加关系。根据岩石的线性储能规律,提出了确定岩石应力阈值的方法。围压越大,起裂应力和扩容应力越大,且岩样起裂点处与扩容点处的能量也越大;当围压较低时,岩石破坏前储存的能量较少,破坏时能量释放速率低,岩样表现为典型低劈裂破坏;在高围压情况下,能量快速释放,岩样表现为剪切破坏。基于能量演化规律,提出了岩石损伤演化模型,得到了花岗岩的损伤变量D在不同围压下加载破坏过程中的演化规律。     

准等熵压缩下金属钽的屈服强度分析

 为分析固体材料的准等熵压缩实验数据,引入了率相关本构方程和流体弹塑性模型,建立了考虑材料强度效应的反积分数据处理方法。利用CQ-1.5磁压驱动装置中多晶钽的准等熵压缩实验数据,对钽的屈服强度和流应力进行了反积分数值模拟和分析,计算了钽的拉格朗日声速和应变率分布情况。得到了钽在准等熵压缩过程中样品内部及加载面上压力和速度的分布及演变规律,获得了30 GPa压力下钽的准等熵屈服强度约为1.85 GPa,准等熵弹性屈服极限约为2.9 GPa。此外,计算得到了与Sandia实验室数据高度吻合的应力-应变曲线和准等熵p-V参考线。     

高压、高应变率与低压、高应变率实验的本构关联性

 指出Johnson-Cook（J-C）、Zerilli-Armstrong（Z-A）、Bodner-Parton（B-P）本构方程在一定条件下的适用性,表明对于低压、高应变率实验,单一曲线假定似乎可以采用。通过等效应力、等效应变,可以将不同应力状态下的流动应力函数采用统一的方程描述。然而,这些本构方程的确立,并不包括平面冲击波实验。对适合于平面冲击波实验的Steinberg-Cochran-Guinan（SCG）本构方程,讨论了其方程中所包含的高压与高应变率耦合效应。指出,以剪切模量度量的流动应力具有应变率相关性。基于温度效应的新发现以及直接测量平面冲击波流动应力的新进展,分别用J-C本构及SCG本构方程估算了钨材料在高压、高应变率加载下的流动应力。结果表明,采用J-C本构估算的流动应力仅在压力为10 GPa以下才能与实验数据相近,当压力高于10 GPa时,流动应力只能采用SCG本构估算。也指出了高压、高应变率本构方程与低压、高应变率本构方程所对应的不同物理背景。