聚合物泡沫材料动态力学性能及其能量吸收研究

 通过落锤实验,对发泡聚乙烯（EPE）、发泡聚丙烯（EPP）材料的动态力学性能进行了研究,提出了一种获得聚合物泡沫材料在恒定应变率下本构曲线的方法,建立了EPE的Low Density Foam本构模型。以此为基础,探索了在冰箱跌落过程中,聚合物泡沫包装材料的能量吸收以及对冰箱抗跌落冲击的保护能力。     

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。     

低密度聚氨酯泡沫压缩行为实验研究

 在室温下，对一种低密度硬质聚氨酯泡沫进行了准静态压缩及应变率在1×10³～5×10³ s^-1范围内的冲击压缩实验。结果表明，所测试的聚氨酯泡沫材料在准静态实验与动态实验之间存在明显的应变率效应，但在纯动态实验中应变率效应不明显。最后，给出了以屈服应力、密度、应变等为参量的动态压缩本构关系，且能较好地与材料的动态压缩曲线吻合。     

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。     

碳纤维-泡沫铝夹芯板低速冲击响应

为研究夹芯结构的低速冲击响应,以碳纤维(T700)/环氧树脂复合材料层合板为上下面板,以闭孔泡沫铝为芯层,模拟夹芯板落锤冲击时的损伤演化过程。复合材料层合板采用三维实体单元建模,基于有限元软件ABAQUS中的用户子程序VUMAT,引入三维Hashin失效准则模拟复合材料的损伤破坏;采用二次应力准则,Cohesive单元模拟黏结层的层间失效;闭孔泡沫铝芯层采用3D Voronoi细观模型建模。分析复合材料夹芯结构在落锤冲击下的损伤起始、损伤扩展和最终破坏模式,通过锤头的接触力、位移、夹芯板的内能、后面板的最大位移研究夹层结构的能量吸收情况及抗冲击特性,得出了在质量保持不变的情况下,5种芯层相对密度和厚度的耦合关系中的最优设计是芯层相对密度15.0%,厚度为10 mm,为满足实际工程中的需求提供了设计依据。     

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。     

聚氨酯泡沫压缩力学性能随应变速率变化

聚氨酯泡沫材料具有密封、隔热及绝缘等优良性能而在支撑及包装材料中得到广泛应用。作为支撑和包装材料，其压缩力学性能是重要的性能参数之一。聚氨酯泡沫属于粘弹性材料，其压缩力学性能不但与温度有关，而且还应与应变速率有关。本文测试了同种配方3种发泡密度的聚氨酯泡沫塑料试件在不同应变速率下的压缩力学性能，研究了3种密度聚氨酯泡沫塑料压缩力学性能随应变速率变化的规律。     

惯性对多孔金属材料动态力学行为的影响

 对泡沫金属材料的力学性能已经进行了十分广泛的研究,但在对泡沫金属的应变率效应和惯性效应的研究中,尚存在一些矛盾的结论。为进一步认清惯性在多孔金属动态响应中的作用,用有限元计算方法模拟了二维Voronoi蜂窝的动态压缩行为,得到了不同速度下Voronoi蜂窝的3种变形模式。通过改变基体材料的密度和冲击速度进行“数值实验”,得到了相应“试件”的由冲击面和支撑面得到的宏观平均应力应变曲线和平台应力。根据数值模拟的结果,着重分析了惯性效应的影响。研究发现,惯性并不影响蜂窝的应力应变曲线,但它导致试件中宏观变形不均匀,是平台应力提高的主要原因。     

高温、高压、高应变速率动态过程晶体塑性有限元理论模型及其应用

对于高温、高压、高应变速率加载条件下的材料冲击变形行为,动态晶体塑性模型能够直接反映晶体中塑性滑移的各向异性及其对温度、压力和微观组织结构的依赖性,因而广泛应用于材料的动态冲击力学响应、微观结构演化以及动态损伤破坏的模拟。本文综述了高压冲击下动态晶体塑性有限元的理论模型,主要包括变形运动学、包含状态方程的超弹性本构模型和晶体塑性本构模型,涉及位错滑移、相变、孪生等塑性变形机制,以及层裂、绝热剪切带等动态破坏方式。     

纳米结构泡沫金冲击响应的分子动力学模拟

采用分子动力学计算程序对纳米结构泡沫金(Au)的冲击响应进行了模拟,得到了不同疏松度条件下泡沫Au的冲击压缩特性。通过获取不同势函数条件下实密Au的冲击Hugoniot关系以及泡沫结构稳定性测试选取适合描述Au泡沫冲击过程中原子的相互作用势。采用密堆积球壳的方式建立泡沫Au的初始构型。通过改变空心球壳的尺寸得到不同疏松度的稳定的泡沫Au结构。对泡沫Au的冲击过程进行分子动力学模拟,获得了不同疏松度泡沫Au在不同冲击压缩强度下的热力学状态参数。将模拟结果与已有的状态方程数据库以及疏松物质冲击压缩模型进行比较,结果表明,计算和理论模型给出的结果仍然存在明显的差异性,亟需通过进一步实验研究来验证模拟计算和理论模型结果的可靠性。     

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。     

正交各向异性材料的三维动态本构模型及其在脉冲X射线热击波模拟中的应用

基于三维应变条件下的应力-应变关系,利用Grüneisen物态方程、PUFF物态方程以及Tsai-Hill屈服准则和Johnson-Cook强度模型,建立了正交各向异性复合材料的三维动态本构模型。在此基础上,对一种碳酚醛材料在高能脉冲X射线辐照下所产生的热击波传播现象进行了三维模拟,得到了热击波模拟结果,并将各向异性本构模型与各向同性本构模型的模拟结果进行对比。分析表明,各向异性本构模型不仅反映了固体材料各向异性的特点,而且还能描述材料转变为气体后的动力学行为。模型的建立为各向异性复合材料在脉冲辐照环境下的应用打下重要的理论基础。     

梯度泡沫铝的各向异性压溃力学行为

功能梯度泡沫金属因其密度连续变化,在轴向受压时可提供稳定增长的反馈载荷。然而当前研究多局限于其纵向压缩力学响应,考虑到实际应用中可能出现的横向冲击,基于低速冲击实验,考察梯度泡沫铝轴向和横向压缩力学响应的异同,并采用数字图像相关技术和数值模拟方法研究其宏细观压溃机制。结果表明:(1)在力学性能上,相比于纵向压缩加载的梯度泡沫铝,横向压缩加载下具有更高的抗压强度,而平台应力、致密化应变和能量吸收效果低于纵向压缩;(2)在失效变形模式上,纵向压缩变形模式为变形带渐进式压缩,而横向压缩变形模式的变形带则随机出现在试样的各个位置;(3)横向压缩下梯度泡沫铝致密化应变和比吸能的减小是由高孔隙率区的胞孔利用率降低导致的;(4)构建的弹性-塑性硬化-刚性模型能够较准确地描述梯度泡沫铝的纵向压缩力学行为。研究结果可为梯度泡沫金属在爆炸冲击结构防护工程中的设计提供理论参考。     

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。     

低密度开孔Kelvin泡沫大变形数值模拟

正十四面体单元胞结构含有8个正六边形和6个正四边形面，由36根等长度支柱构成。十四面体单元胞结构按体心立方堆积，即构成Kelvin模型，这是一种接近于泡沫真实结构的周期性结构模型。分别基于胞壁材料的线弹性和超弹性材料本构，采用ABAQUS有限元软件模拟了低密度开孔Kelvin泡沫的大变形行为，用以考察单轴拉压载荷作用下泡沫材料的变形机理以及基体材料力学特性对泡沫宏观力学行为的影响。数值计算采用二阶空间Timoshenko梁单元模拟开孔泡沫支柱，建立了满足周期性边界条件的有限元模型。     

高导无氧铜的高压与高应变率本构模型研究

基于Y/G及G/B为常数的假设,构建了高导无氧铜的七种高压与高应变率本构模型.对于高导无氧铜进行了平面冲击波试验,采用纵向与横向锰铜应力计记录了试件中的纵向与横向应力,从而得到了屈服应力历史.用所构建的七种本构模型进行了数值模拟,并与高导无氧铜的平面冲击波试验结果进行比较.结果表明,平面冲击波载荷下高导无氧铜的屈服强度对于压力、密度、温度以及塑性应变的依赖性是本构描述的关键.而由Hopkinson试验取得的高导无氧铜高应变率本构模型,并不适合描述平面冲击波载荷下的本构特性. 关键词： 本构模型 高导无氧铜 平面冲击波试验 锰铜应力计     

铈低压冲击相变数值模拟研究

对金属铈低压冲击γ→α相变进行了数值模拟研究.冲击加载实验的速度剖面结果表明,铈的低压相变过程中两相之间的转换较为光滑,无明显间断,其相变过程存在动态因素.通过分析金属铈低压冲击加载和卸载下的典型物理过程,对材料本构关系、Hugoniot关系和相变与逆相变过程进行了理论研究.获取了铈低压相变前后的本构关系及状态方程,并建立了非平衡相变理论模型.数值计算结果与平面冲击实验符合较好,表明该相变动态模型能够较好地描述铈的低压冲击加载和卸载过程.     

泡沫铝柱壳对药柱水下爆炸压力场影响的数值研究

基于流体弹塑性模型,建立了描述泡沫铝在爆炸载荷下的冲击响应方程;采用Lagrange差分格式,在均匀网格上对方程进行了离散;编写数值计算程序,进行了药柱水下爆炸的一维数值计算,重点考虑了泡沫铝对水中爆炸冲击波分布的影响。结果表明,数值计算结果与实验数据、LS-DYNA模拟结果基本吻合,证明所建立的泡沫铝流体弹塑性本构方程可以用来描述泡沫铝的冲击响应行为,且泡沫铝对水中爆炸冲击波压力场的影响显著。     

泡沫增强复合材料点阵夹芯梁抗冲击性能

基于考虑分层失效和渐进损伤的三维Hashin失效准则,对复合材料点阵夹芯梁结构及其泡沫增强夹芯结构开展了局部冲击加载下的数值模拟分析,研究了冲击强度及泡沫增强效应对复合材料点阵夹芯梁结构抗冲击性能的影响。通过与实验的对比分析,验证了数值模型的有效性。结果显示,冲击强度的变化对结构的动态响应、失效模式及能量耗散形式都有明显的影响。泡沫增强效应使结构的横向变形响应速度降低,并且随着冲击强度的增加尤为敏感。泡沫芯材的压缩和开裂失效使得结构保持良好的完整性和更低的损伤程度,有效地降低了其他组分的能量吸收比,表明泡沫填充有效地提升了复合材料点阵梁结构在局部冲击载荷作用下的防护效能。