沥青混合料增量型热粘弹性本构关系研究

基于热粘弹性力学理论,就不同的温度条件下沥青混合料的应力松弛特征开展了试验研究,用广义Maxwell模型模拟沥青混合料的粘弹特性,应用热流变简单材料的时温等效原理对实验结果进行了分析和参数拟合,然后通过理论推导得到沥青混合料非定常和非均匀变温条件下增量型热粘弹性本构关系;在此基础上,给出利用此增量型应力应变本构关系进行沥青路面热粘弹性力学分析的数值实现方法,并给出一个计算实例。     

高温下聚氨酯软泡压缩力学性能的研究

根据聚氨酯软泡的组织构成,将材料的粘弹性分为聚氨酯基体的粘弹性与气体和基体间的摩擦两部分,提出了高温下聚氨酯软泡的一种本构模型。然后,对一类聚氨酯软泡进行了不同恒定温度下材料压缩松弛实验。结果表明,随着温度升高,材料的粘弹性特征越来越来明显,成型性也随之呈现并逐渐加强。最后,根据实验数据,对本文提出的本构模型进行了参数拟合,通过实验结果与模型拟合结果的对比,发现本构模型拟合曲线与实验数据吻合程度高,并且模型的预测结果与实验结果具有很好的一致性,验证了所建模型的正确性。为聚氨酯软泡在高温下的使用与加工提供了理论依据。     

应用自洽方法预测沥青混合料的蠕变行为

将沥青混合料看作是由沥青砂和粗骨料组成的两相复合材料,提出了应用自洽方法预测沥青混合料粘弹性性能的一般思路.采用四参量流变模型描述沥青砂的粘弹性能,通过 Laplace 变换将时间域的粘弹性问题转化为变换域的线弹性问题,然后经 Laplace 逆变换将变换域的解转化到时间域.利用不同温度、不同应力水平下沥青砂的单轴压缩蠕变实验,拟合四参量流变模型参数,预测了沥青混合料在不同温度和不同应力水平下的蠕变曲线,并与实验结果进行了比较,发现蠕变的早期阶段预测值与实验值基本符合.最后进一步分析了温度、应力水平对沥青混合料蠕变行为的影响.     

水泥砂浆的一个热粘弹性率型损伤本构模型

利用SHPB实验系统及自行研制的混凝土类材料快速高温加热设备,对水泥砂浆试件进行了不同 温度(20~600℃)和3种冲击速度下的实验,得到了不同温度和冲击速度下水泥砂浆试件的应力应变关系曲 线。基于ZWT粘弹性本构模型,并且考虑高温下水泥砂浆损伤演化规律都服从Weibull分布,提出了一个水 泥砂浆的热粘弹性率型损伤本构模型。通过数据拟合,获得了本构模型的相关参数,结果表明:理论预测和实 验结果吻合良好。     

冲击载荷下猪后腿肌肉的横向同性本构模型

基于纤维增强复合材料连续介质力学理论及粘弹性理论,提出了猪后腿肌肉的率相关本构模型。 通过拟合以往研究中猪后腿肌肉的SHPB和SHTB实验应力应变曲线,确定了本构模型的相关参数。结果 表明:提出的本构模型既能描述猪后腿肌肉沿纤维方向的动态压缩力学性能又能描述其动态拉伸性能,理论 模型与实验模型有较好的一致性。该结果可为安全防护数值模拟提供一定的理论依据。     

沥青混合料车辙变形的离散元数值模拟

采用Burgers模型描述沥青基质的粘弹性,根据实验数据确定Burgers模型参数。借助数字图像处理方法建立试件几何模型,利用离散元法开展了车辙变形的离散元数值模拟,研究了沥青混合料在不同骨料分布、不同载荷和不同温度条件下的车辙深度变化情况。结果表明：温度对车辙变形的影响在沥青软化点附近较大,在离开软化点的范围较小;当温度较低时,混合料的整体性比较好,骨料分布对局部车辙变形的影响比较小,超载引起的车辙增量不太明显,而当温度达到或超过沥青软化点时,混合料的整体性明显下降,骨料分布对局部车辙变形的影响非常突出,超载引起的车辙增量也非常显著。因此,当超载和高温组合到一起时,车辙变形会大幅度增加,将给路面安全带来严重隐患。     

层间接触对沥青路面粘弹性动力响应影响研究

为分析沥青面层材料粘弹特性及路面各层间接触条件对沥青路面动力响应的影响,基于解析的方法,开展了层间非完全连续沥青路面粘弹性动力响应的求解工作．采用修正的Burgers模型定义沥青面层材料的粘弹性本构关系,考虑沥青路面层间接触条件,在车辆荷载作用下,建立沥青路面的理论计算模型;通过Laplace-Hankel积分变换将偏微分方程组转化为常微分方程组并对问题进行求解;采用转换矩阵表征层间接触条件,求得层间非完全连续沥青路面粘弹性动力响应的解析表达式．从沥青路面实例计算结果发现：修正的Burgers模型中的瞬时弹性模量参数是对弯沉计算结果影响最大的因素之一,路表弯沉随的增大呈下降趋势,特别是当较小时,这种趋势尤为明显;沥青混合料本构模型中的粘弹性修正系数B和黏性参数是影响路面路表弯沉计算结果的另两个重要因素,并且B和对弯沉峰值出现时间的影响具有相反的趋势;层间的非完全连续条件对沥青路面动态弯沉计算结果影响较大,并以面层与基层间的非完全连续对弯沉计算结果影响最为显著．     

EXPERIMENTAL RESEARCH OF THE WHOLE TENSILE CURVE FOR BITUMINOUS MORTAR

细观尺度上, 沥青混合料是由沥青胶浆、粗骨料和孔隙等构成的多相复合材料, 而沥青胶浆的力学参数为沥青混合料进行细观尺度研究的重要部分, 对抗拉强度有着决定性的影响. 本文通过设计制作加载夹具针对不同温度和不同加载速率的条件, 对9 组试件进行拉伸试验, 得到沥青胶浆拉伸全曲线. 通过对沥青胶浆拉伸全曲线的研究和计算, 确定了沥青胶浆的最大破坏应力σ_max、刚度K_nn 和破坏位移U, 这些参数为采用粘聚带本构模型模拟沥青混合料的开裂行为提供了力学参数.     

利用三维随机模型分析沥青混合料的蠕变行为

将沥青混合料看作由粗骨料和沥青砂组成的两相复合材料,根据给定的级配生成凸多面体骨料,然后利用随机投放算法建立沥青混合料试样的三维随机模型.采用广义Maxwell模型刻画沥青砂的本构行为,其参数通过单轴蠕变实验获得.在对三维随机模型的有效性进行验证之后,采用参数化建模方法建立包含不同骨料分布、含量和级配的沥青混合料有限元模型,通过数值模拟研究骨料分布、含量和级配对沥青混合料蠕变行为的影响.结果表明:骨料分布对沥青混合料力学性质的影响较小;沥青混合料瞬时弹性模量随骨料含量的增加呈近似线性增大,而且弹性模量与骨料含量之间的关系曲线处于Paul上下边界内;在计算考虑的粒径范围内,骨料平均粒径越小,沥青混合料抵抗变形的能力越强.     

表征沥青及沥青混合料高低温蠕变性能的流变学模型

本文根据由高、低温蠕变实验所得到的沥青混合料的变形特性,在分析现有流变学模型性能的基础上,提出了一种能够精确地表征沥青混合料变形特性的流变学模型,导出了其蠕变方程,并根据蠕变实验结果确定了材料的模型参数.这一模型的建立,为采用流变学理论和粘弹性理论研究沥青混合料及沥青路面奠定了基础.     

铁电陶瓷的单电畴力学模型

物理实验证实铁电陶瓷的畴变是一个复杂的物理渐变过程,因此论文中引入了电畴翻转体积分数来表征这一过程,以电畴翻转体积分数为内变量,建立了考虑电畴翻转体积分数的铁电材料本构关系.接着提出了单电畴力学模型,把极化后的铁电试样看作横观各向同性单电畴的均匀材料.利用考虑电畴翻转体积分数的铁电材料本构关系,根据部分实验数据,拟合出电畴翻转驱动力与电畴翻转体积分数之间的强化关系曲线.然后根据标定出的强化关系曲线计算铁电试样在力电载荷下的响应.理论预测与实验结果符合良好.     

基于冲击环境下粘弹性胶泥缓冲器的动力学建模

为了提高军用车辆被动悬挂系统在各种路面的平顺性,设计了一款具有单向节流阀活塞结构的新型粘弹性胶泥缓冲器,并阐述了其工作原理,分析了该胶泥缓冲器的粘滞耗能特性与弹性储能特性。在此基础上,针对粘弹性胶泥缓冲器动力学建模较复杂以及测量数据与理论数据吻合度低的问题,将粘弹性胶泥的本构模型和胶泥在缓冲器中的运动过程结合起来对缓冲器进行动力学建模,克服了传统建模中只重视胶泥材料的本构模型而忽视运动过程的缺点。分别推导了该胶泥缓冲器在进程和回程过程中的阻力公式,最后用冲击实验证明：在各种不同速度下,测量数据与理论拟合曲线最大阻力的相对误差均小于5%。该研究工作为胶泥缓冲器的优化设计和车辆悬挂系统的动力学匹配提供了理论指导。     

聚氨酯橡胶超弹性本构模型拟合效果评估

对聚氨酯橡胶进行了单轴拉伸、单轴压缩和平面拉伸试验,采用常用的超弹性本构模型拟合试验数据,并基于拟合优度、拟合曲线与试验曲线相似性、相对偏差三方面,对拟合效果进行评估．结果表明：采用拟合优度评估,能从总体上反映超弹性本构模型对试验数据的拟合效果,采用拟合曲线与试验数据相似性的对比进行评估,能直观反映超弹性本构模型对试验数据的拟合效果,若同时考虑相对偏差,则可以反映超弹性本构模型与试验数据之间的相对偏差量,更为准确地对超弹性本构模型的拟合效果进行评估．     

一种考虑剪切作用的各向异性超弹性本构模型

基于纤维增强复合材料连续介质力学理论,提出了一种轮胎帘线/橡胶复合材料的各向异性超弹性本构模型. 应变能被分解为分别代表橡胶、帘线、帘线/橡胶之间的角剪切和正剪切应变能4个部分. 给出了模型参数的简单确定方法,通过拟合文献中的实验数据,得到了本构模型参数,并用该模型预测了其他变形条件下的力学行为,得到了和实验数据较一致的结果,验证了该模型的有效性,为整体轮胎的有限元分析打下了基础.     

沥青混合料一维非线性粘弹本构方程

本文根据Green-Rivlin提出的Frechet级数,提出了一个兼具长时粘流效应及短时粘弹效应的一维非线性本构方程,并对一种沥青混合料采用蠕变试验方式拟合了本构方程的参数向量。拟合结果表明:这一本构方程形式简洁,物理意义清晰,易于拟合,并对不同应力历史下的应变响应具有广泛的适用性。     

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．     

高应变率下航空透明聚氨酯的动态本构模型

采用低阻抗分离式霍普金森压杆对航空透明聚氨酯进行了高应变率下的动态力学性能测试,得到的应力应变曲线表现出了显著的非线性黏弹性特征。基于本构理论和实验数据,构建了航空透明聚氨酯的松弛时间应变相关的超黏弹性本构形式。该本构模型由2部分组成:一部分表征准静态下的超弹性行为,另一部分描述非线性应变率的相关特性。利用超黏弹性本构模型对不同应变率下航空透明聚氨酯的动态应力应变曲线进行拟合,拟合曲线与实验曲线一致性良好。     

110甲基乙烯基硅橡胶材料参数的确定

应用INSTRON5544对110甲基乙烯基硅橡胶材料进行了单轴大变形压缩的力学特性测试。本文根据已有的Mooney-Rivilin模型和Yeoh模型的本构关系,采用泰勒级数展开的办法获得了基于小变形的本构关系表达式。利用本文所得本构关系,将实验数据进行了非线性拟合处理,得到了相应的Mooney-Rivilin模型和Yeoh模型的材料参数。拟合所得的名义应力-应变曲线与实测的名义应力-应变曲线吻合较好。利用非线性拟合所得的Mooney-Rivilin模型和Yeoh模型的材料参数,应用ABAQUS软件进行有限元分析计算。通过有限元的分析计算,验证了Mooney-Rivilin模型和Yeoh模型材料参数的正确性与可行性。     

采用J积分对沥青混合料抗裂性能进行评价

沥青混合料是一种由集料、胶浆和孔隙组成的非均质材料,一般被认为是一种粘弹性材料,其力学行为介于弹性和塑性之间,采用弹塑性断裂力学更适合评价沥青混合料的抗裂性能.J积分理论可以避开分析裂纹尖端附近复杂的应力应变场,物理意义明确,可以有效的评价沥青混合料的抗裂性能,断裂韧度JC可以很方便的采用预切缝的半圆弯拉试验直接获得.为了评价材料本身特性对断裂韧度JC影响,在MTS试验系统上进行了3种级配的沥青混合料的断裂韧度试验.采用基于数字图像处理技术的有限元方法对半圆弯拉试验进行了模拟,并将数值模拟的结果与试验的结果进行了对比分析.结论表明,断裂韧度JC可以作为一有效的评价沥青混合料抗裂性能的指标.     

双基推进剂的高应变率力学特性及其含损伤ZWT本构

为了解双基推进剂在冲击载荷下的力学特性及本构行为,利用材料试验机和分离式霍普金森压杆（SHPB）对双基推进剂进行了单轴压缩实验,并对实验数据的有效性进行了检验。用二波法对实验数据进行处理,得到了双基推进剂的应力应变曲线。实验结果表明:双基推进剂具有明显的应变率相关性,动态下屈服应力与静态下相比明显提高,且屈服应力表现为应变率对数的双线性关系;双基推进剂屈服应变表现为延脆转换特性,在低应变率下表现为延展性,高应变率下表现为冲击脆化特性。利用含损伤朱王唐（ZWT）本构模型对实验结果进行了拟合,得到了模型中的本构参数,并对损伤因子项进行了分析。通过模型预测曲线与实验曲线的对比,发现含损伤ZWT本构能较好地描述双基推进剂在0～0.14应变范围内的力学特性。