硅橡胶拉伸行为的应变率相关性测试和表征

为了研究硅橡胶在不同应变率下的冲击拉伸响应,对硅橡胶板材进行了应变率为0.001 s–1的准静态单向拉伸测试、应变率为15 s–1的中应变率单向拉伸测试以及应变率分别为350 s–1和1400 s–1的高应变率单向拉伸测试。实验结果表明,硅橡胶的单向拉伸力学行为呈现出明显的非线性弹性和应变率相关性特征。在实验结果的基础上,提出了一个可用于描述硅橡胶在不同应变率下拉伸力学响应的宏观唯象黏超弹性本构模型。该模型假设硅橡胶在拉伸加载下的力学响应是超弹性响应和黏弹性响应的组合,其一维流变学形式可以简述为一个超弹性的弹簧和一个松弛时间率相关的Maxwell体的并联。模型拟合结果与实验结果的对比显示,该模型能有效表征硅橡胶在大应变率范围内的非线性拉伸力学行为。     

橡胶材料的动态压缩性能及其应变率相关的本构模型

 利用Instron万能试验机与LC4超硬铝合金分离式Hopkinson压杆设备,对3种不同波阻抗的橡胶材料——炭黑母胶（Carbon Black Rubber）、硅橡胶（Silicone Rubber）和泡沫橡胶（Foam Rubber）在较大应变率范围（0.002~15 000s^-1）内进行了单轴压缩实验,研究应变率对橡胶材料力学性能的影响。实验结果表明：3种橡胶的准静态与动态应力-应变曲线具有不同的应变硬化形式,且动态加载下随着应变率的增大,硬化效应逐渐增强;在准静态及高应变率（12 000~15 000 s^-1）压缩下,泡沫橡胶表现出多孔类材料压缩曲线的弹性、塑性崩塌及致密化3段特征。基于Rivilin应变能模型,构建了一个应变率相关的动态本构模型,模拟结果与实验结果吻合较好,可以用于描述较大应变率范围内3种橡胶的非线性应力-应变关系。     

高温处理后活性粉末混凝土动力学行为及本构模型研究

 利用分离式霍普金森压杆系统,采用铅片作为整形器,分别对常温下及400、600、800 ℃高温处理后的活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete,RPC）试样进行单轴冲击压缩实验,研究高温后RPC材料的动态力学性能,建立高温处理后材料的率型本构模型。结果表明：经不同高温处理后的RPC材料的动态抗压强度和韧性指标均有较明显的应变率敏感性,而峰值应变、初始弹性模量受应变率影响不大;不同应变率下,400 ℃以上高温处理后RPC材料的单轴动态压缩力学性能有所降低。扫描电镜分析表明,高温处理后RPC材料微观结构的劣化是宏观力学性能降低的根本原因。对ZWT粘弹性本构模型进行了修正,修正后的模型适用于混凝土材料经高温处理后的率型本构关系的分析。     

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。     

聚氯乙烯弹性体动态拉伸力学性能实验研究

为研究软质高分子聚合物材料的静、动态拉伸力学性能,利用Instron-5943万能材料试验机和改进型分离式霍普金森拉杆(SHTB)实验装置对聚氯乙烯(PVC)弹性体材料进行了静、动态拉伸实验,得到了该材料在应变率为0.1 s~(-1)及400～1 850 s~(-1)下的应力-应变曲线。动态拉伸实验过程中,联合波形图分析和高速摄像方法对试样连接方式和胶黏剂进行了优选,通过脉冲整形器延缓入射波上升沿以实现恒应变率加载,调整入射杆与吸收杆间空隙解决了入射波基线偏离问题。结果表明:PVC弹性体在准静态(0.1 s~(-1))拉伸载荷下具有明显的线弹性特征,在动态(400～1 850 s~(-1))拉伸载荷下具有一定的黏性特征。构建了朱-王-唐(ZWT)非线性黏弹性本构模型以表征PVC弹性体材料的黏弹性力学特征,实验与模型拟合结果较吻合。     

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。     

材料参数拟合方法对弹靶侵彻仿真的影响

弹靶侵彻仿真中材料参数对计算结果有着至关重要的影响。为寻求一套适用于弹靶侵彻仿真计算的材料参数拟合方法,借助前期开展的靶板材料动态力学性能试验、靶板材料断裂试验,通过不同拟合方法依次得到不同的JC本构模型及失效模型参数,依据试验建立有限元计算模型,将数值计算结果与试验结果进行对比。结果表明:(1)对于同一材料的力学性能试验,采用不同的拟合方法可得到不同的JC本构、JC失效参数,二者会对弹靶仿真结果造成一定影响;(2)在不考虑温度软化项的前提下,采用高应变率作为参考应变率进行拟合能更加准确地表征材料在高应变率下的应力-应变关系,更加适用于弹靶侵彻强瞬态、高应变率作用过程仿真;(3)对于同一JC本构模型,采用平均应力三轴度拟合的JC失效模型较采用初始应力三轴度拟合的JC失效模型所得战斗部剩余速度计算结果偏小,仅采用拉伸试件结果拟合的JC失效模型较采用扭转、拉伸试件结果拟合的JC失效模型所得战斗部剩余速度计算结果偏小。     

一个新的自由能函数对介电高弹薄膜的多组等双轴预拉伸下力电耦合实验的预测

当介电高弹聚合物薄膜被施以面内等双轴预拉伸后, 受到厚度方向的电压作用时, 薄膜在力场和电场共同作用下产生大变形. 电场采用Maxwell应力分析, 力场采用橡胶弹性模型分析. 拟合这类变形的常用橡胶弹性模型主要有Neo-Hookean, Arruda-Boyce, Gent等模型. 这些模型对实验数据的定量拟合存在不同程度的偏差. 通过对实验数据的分析, 结合数学方法, 提出了一个新的自由能函数模型. 通过该模型对VHB4905介电高弹聚合物薄膜的多组等双轴预拉伸电力耦合实验进行拟合, 并以Neo-Hookean, Gent模型作为对照, 结果与实验数据拟合很好, 比对照模型的偏差明显缩小.     

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。     

5083铝合金宽应变率实验与基于损伤的本构模型研究

5083铝合金材料在工程领域应用广泛,会受到包括冲击和碰撞等多种不同情况的强动加载,亟需对其宽应变率加载下的力学性能及其本构模型开展研究。首先,对5083铝合金进行了系统的准静态实验及中、高应变率加载下的拉伸和压缩实验,得到了宽应变率加载下的应力-应变曲线。实验结果表明,该材料在同一实验条件下所得到的应力-应变曲线,其强化阶段的拉伸曲线总是低于压缩曲线,并从微观机制上对这一现象进行了合理解释。然后,通过引入损伤,考虑了损伤对该材料拉伸加载情况下的力学性能影响。基于连续介质力学及其实验结果,获得了损伤演化方程。最后,借助改进的Johnson-Cook(JC)本构模型,并基于已确定的损伤演化方程,得到了考虑损伤的5083铝合金本构模型。通过实验曲线与所得模型曲线的对比,吻合良好,表明该模拟具有很好的适用性,能够对该材料的工程应用提供有效的科学依据、分析模型和必要的参考。     

高温高应变率下G550冷弯钢的动态力学行为

为研究G550冷弯钢在高温和高应变率下的动态力学性能,采用高温同步控制霍普金森拉杆装置,开展了不同温度下的高应变率拉伸试验,并在高速液压拉伸试验机上进行了室温下的中应变率拉伸试验。通过获得的应力-应变曲线,得到了材料的本构模型,结合微观形貌分析,探究了温度和应变率对流变应力的影响。结果表明：G550冷弯钢具有明显的应变率强化和温度软化效应。在特定的高应变率范围内(1 000～1 500 s^-1),温度对流变应力的影响大于应变率。基于温度软化系数随温度变化的特征,提出了G550冷弯钢的修正Johnson-Cook本构模型。该模型可以较好地描述G550冷弯钢在高温和高应变率下的动态力学行为,从而为G550冷弯钢在高温、爆炸冲击相关的有限元仿真提供参考。     

基于分数阶流变模型的铁基块体非晶合金黏弹性行为研究

采用分数阶黏弹单元替代经典模型中的黏壶, 结合非晶合金在外加载荷作用下的微观结构演化, 建立了以分数阶微积分表示的非晶合金黏弹性本构模型. 并根据Hertz弹性理论及分数阶黏弹性本构模型, 推导了块体非晶合金在纳米压痕球形压头下的位移与载荷及时间关系式. 基于推导的解析式, 对铁基块体非晶合金在表观弹性区的纳米压痕位移与载荷及时间曲线进行了非线性拟合分析. 相较于整数阶模型, 分数阶模型不仅具有较高的拟合精度, 其拟合参数能敏锐地反应加载速率对块体非晶合金黏弹性行为的影响, 且参数的变化规律与载荷作用下非晶合金微观结构演化呈现出较强的相关性.     

退火铝合金中Portevin-Le Chatelier效应的数值模拟研究

通过综合考虑沉淀动力学和动态应变时效机理，建立了一套具有明确物理内涵的唯象本构模型.并在对不同加载应变率下的单轴拉伸实验的数值模拟中，得到了3种类型的Portevin-Le Chatelier效应应力曲线.计算结果与实验数据的较好吻合，验证了该模型的有效性. 关键词： Portevin-Le Chatelier效应 动态应变时效 数值模拟     

某PBX炸药的动态力学性能研究

 PBX炸药作为现代武器的主装药,它的力学行为决定着武器的生存能力。为了研究PBX炸药的动态力学特性,采用分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB）作为加载手段,结合半导体应变片测试技术和压电晶体监测技术,保证了实验数据的有效性。利用SHPB加载波整形技术,实现了材料两端应力平衡和常应变率加载,得到了不同应变率（90~410 s^-1）下材料的应力-应变曲线。根据材料的模量、破坏强度和破坏应变随应变率的变化规律,采用粘性修正的Sargin模型,得到了该PBX炸药在单轴压缩下的唯象本构模型,模拟结果与实验曲线符合较好。     

比较93钨合金材料的3种本构模型

在温度范围296~1 273 K、应变率范围0.000 5~6 000s-1内,对93钨合金材料(93%W-4.9%Ni-2.1%Fe)的力学行为进行了系统研究。实验结果表明:钨合金的塑性流动应力对温度和应变率非常敏感,它随温度的降低和应变率的增加而提高;真实塑性应变达到0.6时未出现剪切破坏。针对实验得到的应力-应变关系,分别进行了两种唯象本构模型(JC本构模型和KHL本构模型)和一种基于物理概念的本构模型(PB本构模型)的流动应力拟合。通过误差分析和应变率阶跃实验,对这3种本构模型的预测效果的精度进行了分析和评价。     

炸药条加载圆柱壳的数值模拟（Ⅰ）：流固耦合模拟

 对炸药条加载圆柱壳模拟X射线力学效应的试验进行了流固耦合数值模拟。首先建立了包括圆柱壳、两层缓冲橡胶、炸药条和空气在内的二维数值模型,其中,两层橡胶采用Ogden超弹性本构模型描述,炸药条及其爆轰产物采用高能炸药燃烧（High Explosive Burn）模型和JWL状态方程描述,空气采用多项式状态方程描述。然后采用多物质ALE流固耦合算法进行计算,获得了爆炸加载的物理图像、载荷传递与结构响应。结果表明,采用19条炸药条加载265 mm的圆柱壳模拟X射线余弦载荷作用,特征点应力响应基本等效;试验附加的两层橡胶对结构响应特征具有影响,在壳体质量较小和（或）刚度较低的情况下,紧密粘接会引起结构响应失真。     

高温高应变率下纯锆的本构模型研究

 研究了常温至1 073 K、不同应变率下（4.1×10^－4 s^－1～2.8×10³ s^-1）锆的压缩力学性能。结果表明,锆的流动应力对温度和应变率的变化比较敏感,随应变率的提高而增大,随温度的升高而降低。基于位错动力学理论,建立了锆的本构模型,并考虑塑性变形过程中孪晶演化的影响,对模型进行了修正。修正后的本构模型预测结果与实验结果吻合较好,可描述很宽应变率和温度范围内锆的塑性变形行为。     

一种高聚物粘结炸药和B炸药的本构关系研究

 利用万能材料试验机对一种高聚物粘结炸药（简称PBX炸药）和压装B炸药进行了准静态压缩实验,得到了两种炸药在不同应变率下的应力应变曲线。通过两种炸药在不同应变率下力学性能的研究,建立了两种炸药含应变率效应的本构方程。结果表明,建立的本构方程能较好地描述两种炸药在弹性阶段和强化阶段的力学性能。     

基于八面体理论的岩石循环加-卸载本构模型及修正

探究岩石的受力特点及破坏特性是研究岩石地下工程安全性的关键,诸多学者都期望能在岩石本构模型的研究上取得突破性进展。在此背景下,提出了一种能够描述循环加-卸载条件下岩石的本构模型。首先,假设岩石的微元强度服从八面体剪应力理论并且微元破坏服从Weibull概率公式,将岩石本构中的损伤变量以及岩石微元强度表达式里包含的损伤因子进行本构变换,得到关于应力、应变等其他表现加-卸载下岩石损伤本构模型的参数,表示出岩石微元强度和损伤变量,再将得到的岩石微元强度和损伤变量代入所提出的岩石本构模型中,并进行等式变换得到一个函数表达式。通过将其与实验数据进行拟合对比分析,得出修正后的拟合参数,将其代入函数式中,得到损伤本构模型的修正式。最后将拟合参数进行必要的敏感性分析,得出各拟合参数的实际物理意义。