基于细观力学分析的砂土弹塑性本构模型

利用细观力学分析中的自洽理论建立了在固结排水条件下的砂土弹塑性本构模型,在该模型中考虑了部分砂土颗粒因剪切作用在颗粒接触面滑移而引起的整体剪切模量的降低,给出了求解整体剪切模量的解析方法,并将模型预测与不同应力路径的试验结果作了比较,证明该模型是合理的.     

块体金属玻璃压缩变形和破坏特性的有限元模拟研究

论文通过LS-DYNA软件的用户自定义材料子程序(UMAT),将考虑自由体积、热以及静水应力影响的三维热力耦合本构模型编写入有限元软件中.同时考虑金属玻璃材料内部结构的不均匀性,建立了包含随机分布剪切带弱区的有限元模型.在此基础上开展了针对块体金属玻璃在准静态压缩和弯曲条件下的有限元模拟研究,具体分析材料的非均匀变形和破坏特性,并特别研究了相应的剪切带行为,包括剪切带的形核、传播以及剪切带诱导的断裂等.     

结构与土接触面的弹黏塑性本构模型

基于Goodman接触面单元,在Clough--Duncan双曲线关系式的基础上改进了三元件宾厄姆体,建立了结构与土接触面的弹黏塑本构模型,使用ABAQUS的FRIC子程序对该模型进行了二次开发.通过改装的应力控制式结构-土接触面剪切试验仪进行了接触面长期剪切试验,验证了该接触面本构模型.研究结果表明:结构与土接触面的弹黏塑本构模型能较好地模拟接触面的力学特性和时间效应;正应力对结构与土接触面的力学行为影响较大,正应力越大,接触面的时间效应越显著.     

基于t准则的各向异性强度准则及变换应力法

岩土材料通常呈现出成层水平分布特点, 即可将其视为横观各向同性材料, 横观各向同性对于岩土材料的变形以及强度值都会产生显著的影响. 基于已提出的t强度准则, t强度准则是基于各向同性单元体中存在有效滑移面来构建的, 并根据该空间有效滑移面上主剪应力与主法向应力的比值达到一定阈值为破坏条件. 在空间中存在有效滑移面与物理沉积面, 基于上述两个面在空间的位置关系, 用两面夹角作为表征横观各向同性对剪切强度影响程度的参量, 并假定当该夹角值越大, 则各向异性对强度贡献程度越大, 对应更大的应力比强度值, 反之, 则对应更小的应力比强度值. 基于上述思路并类比将其推广为正交三维各向异性准则, 基于三维各向异性材料的三维沉积面, 提出了三维特征沉积面的概念, 并基于空间滑移面与三维特征沉积面之间的夹角作为度量各向异性程度的变量, 提出了基于两面角作为参量考虑原生各向异性的应力比强度公式, 并利用该应力比强度公式来修正已提出的t强度准则, 最终建立了考虑各向异性影响的t准则公式. 在上述准则基础上, 考虑将各向异性应力空间转换为各向同性应力空间的思路, 在各向异性t准则基础上, 推导得到了基于各向异性强度t准则的变换应力公式, 利用变换应力公式可以将传统的以p, q为变量的各向同性本构模型转变为可考虑各向异性的三维本构模型. 通过对岩土材料的强度以及真三轴条件下的应力应变关系试验数据预测, 验证了所提的各向异性t准则及其变换应力公式的有效性及适用性.      

ANISOTROPIC STRENGTH CRITERION BASED ON T CRITERION AND THE TRANSFORMATION STRESS METHOD 1)

岩土材料通常呈现出成层水平分布特点, 即可将其视为横观各向同性材料, 横观各向同性对于岩土材料的变形以及强度值都会产生显著的影响. 基于已提出的t强度准则, t强度准则是基于各向同性单元体中存在有效滑移面来构建的, 并根据该空间有效滑移面上主剪应力与主法向应力的比值达到一定阈值为破坏条件. 在空间中存在有效滑移面与物理沉积面, 基于上述两个面在空间的位置关系, 用两面夹角作为表征横观各向同性对剪切强度影响程度的参量, 并假定当该夹角值越大, 则各向异性对强度贡献程度越大, 对应更大的应力比强度值, 反之, 则对应更小的应力比强度值. 基于上述思路并类比将其推广为正交三维各向异性准则, 基于三维各向异性材料的三维沉积面, 提出了三维特征沉积面的概念, 并基于空间滑移面与三维特征沉积面之间的夹角作为度量各向异性程度的变量, 提出了基于两面角作为参量考虑原生各向异性的应力比强度公式, 并利用该应力比强度公式来修正已提出的t强度准则, 最终建立了考虑各向异性影响的t准则公式. 在上述准则基础上, 考虑将各向异性应力空间转换为各向同性应力空间的思路, 在各向异性t准则基础上, 推导得到了基于各向异性强度t准则的变换应力公式, 利用变换应力公式可以将传统的以p, q为变量的各向同性本构模型转变为可考虑各向异性的三维本构模型. 通过对岩土材料的强度以及真三轴条件下的应力应变关系试验数据预测, 验证了所提的各向异性t准则及其变换应力公式的有效性及适用性.     

基于2nd P-K应力率的颗粒材料亚塑性模型

亚塑性理论为建立颗粒材料本构模型提供了一种新的框架,在此框架内讨论了Gudenhus-Bauer模型的模量矩阵不对称性,并阐述了直接以Cauchy应力Jaumann速率建立本构关系时以及由此所建议的Gudenhus-Bauer模型中所存在的问题.为此基于Gudenhus-Bauer模型的张量函数,应用2nd P-K应力率与Green应变率建议了一个新的颗粒材料亚塑性模型,该模型可与经典关联与非关联流动理论相对应.此外还简单介绍了如何依据基于2nd P-K应力率的本构模量获得以Cauchy应力Jaumann速率及变形率表示的亚塑性模型.数值算例表明所建议模型具有模拟颗粒材料应变局部变形特征的良好性能.     

非局部—非对称拟连续统理论

本文基于原子点阵模型,应用广义函数论,建立了非局部一非对称拟连续统理论.并讨论了非对称应力的物理—力学模型,即微观—宏观相结合的模型理论.     

考虑平均应力的同频拉扭多轴高周疲劳寿命评价方法

目前基于临界平面理论的高周疲劳寿命预测模型, 大都充分考虑了法向平均应力对材料疲劳寿命的影响, 但是没有有效反映剪切平均应力对疲劳寿命的影响. 通过分析7075-T651铝合金的试验数据发现, 与法向拉平均应力类似, 剪切平均应力同样对材料的疲劳寿命产生不利影响. 因此, 如果寿命预测模型中忽略剪切平均应力的影响, 存在明显剪切平均应力加载工况下, 预测寿命可能偏于危险. 由此, 本文定义具有较大法向应力的最大剪应力范围平面为临界平面, 建立了一个能够同时反映法向和剪切平均应力影响的高周疲劳寿命预测模型, 并给出了模型中材料常数的确定方法. 新模型首先将基于应变的Fatemi-Socie准则, 推广到材料的高周疲劳寿命预测, 给出了Fatemi-Socie准则的应力表述形式. 然后, 引入剪切和法向Walker因子, 反映剪切和法向平均应力对材料疲劳寿命的影响. 剪切和法向Walker因子的取值都介于0和1之间, 不同取值反映了材料对剪切和法向平均应力敏感程度的不同. 新模型适用于范围内的金属塑性材料. 利用5种材料在12种存在平均应力加载工况下的试验数据, 对所建模型进行了试验验证, 结果表明预测结果与试验结果吻合良好, 绝大多数寿命预测结果分布在3倍误差带以内.      

金属切屑塑性流动的稳定性

对金属正交切削过程中切屑形成机制和材料塑性流动行为进行实验研究和理论分析. 通过对4 种常用金属材料正交切削过程的实验研究和切屑形貌的微观观察,确定了连续切屑转变成锯齿切屑的临界速度. 结果表明该临界速度与材料性能相关. 在实验观察基础上,提出描述材料正交切削过程的二维分析模型. 该模型假设切屑形成区为包括主剪切区和次剪切区的一个平行四边形. 载荷有主剪切区中的剪应力和次剪切区中的正压力;通过量纲分析得到描述材料正交切削过程的无量纲主控参数和无量纲形式的基本控制方程;应用线性稳定性分析方法建立平面应变状态下评价材料塑性流动稳定性的普遍准则;求得切屑形成区内材料塑性变形的速度和应力近似解. 讨论切屑形成、形貌转变以及相关的塑性失稳机制. 分析结果表明, 表征材料惯性与阻尼之比的无量纲参数— 雷诺数可以作为主控参数描述金属切削过程以及切屑材料塑性流动的稳定性.      

不同加载状态下TA2钛合金绝热剪切破坏响应特性

一般认为绝热剪切现象在宏观上表现为材料动态本构失稳,即热软化大于应变硬化.本文采用帽型受迫剪切试样研究TA2钛合金的动态力学特性和本构失稳过程.首先对剪切区加载应力状态进行理论和数值分析,通过合理设计帽型试样,剪切区变形可近似按剪切状态处理;结合二维数字图像相关法(two-dimensional digital image correlation,DIC-2D)直接测试试样剪切区应变演化,给出帽型受迫剪切实验的等效应力-应变响应曲线.进一步,利用Hopkinson压杆对TA2钛合金开展动态压缩及帽型剪切对比试验研究,比较压缩、剪切试验得到的等效应力-应变曲线,采用"冻结"试样方法分析试样中绝热剪切局域化演化过程,探讨不同加载状态下TA2钛合金的绝热剪切破坏现象及其动态力学响应特性.实验结果表明,在塑性变形初始阶段,动态压缩及剪切加载下的等效应力-应变曲线符合较好,但随塑性损伤发展及绝热剪切带形成,两者出现分离,表明损伤及绝热剪切演化过程与应力状态相关.剪切试样实验得到的本构"软化"特性能够反映绝热剪切带起始、破坏演化过程的力学响应特性,而在动态压缩实验中,即使试样中已出现双锥形的绝热剪切带及局部裂纹分布,其表观等效应力-应变曲线并不出现软化特征,动态压缩实验无法得到关于绝热剪切起始、发展以及破坏的本构软化响应特性.     

基于原子体积场拉普拉斯算子对金属玻璃剪切转变区的预测

剪切转变区(shear transformation zone, STZ)作为金属玻璃塑性事件的一个基本特征单元, 已被研究者们逐渐接受,但STZ产生的机制和来源仍具争议. 本文采用分子模拟方法对 Cumetallic glasses,shear transformation zones,nonaffine displacements,atomic volume,molecular simulation,1)国家自然科学基金(11790292);国家自然科学基金(11672298);国家自然科学基金(11432014);中国科学院战略性先导科技专项(B类)(XDB22040501)2019-12-242020-04-10剪切转变区(shear transformation zone, STZ)作为金属玻璃塑性事件的一个基本特征单元, 已被研究者们逐渐接受,但STZ产生的机制和来源仍具争议. 本文采用分子模拟方法对 Cu$_{64}$Zr$_{36}$金属玻璃在受简单剪切加载时的变形行为展开了研究. 结果表明,体系的初始构型与加载后STZ的产生是相关的. 虽然原子体积场及其梯度可以用来有效表征金属玻璃中局部原子构型的非均匀性, 但它们与STZ产生的区域没有直接明显的对应关系. 基于此, 提出一个新的局域结构参数 $\xi $ 来用于金属玻璃中STZ产生区域的预测,它由两部分构成: 原子体积场的拉普拉斯算子和体积场梯度分量的绝对差值. 原子体积场的拉普拉斯算子为负且绝对值较大时, 体积场梯度向量呈现向内指的分布特征, 代表体系中的局域软区; 而体积场梯度分量的绝对差值则用于遴选体积场梯度不同的分布模式. 进一步地,建立了该结构参数与非仿射位移和剪切局部化三者关系, 发现特定的体积场梯度向量分布模式, 将导致局部剪切增强的非仿射位移场, 从而更容易诱发STZ的形成. 相关性分析表明,该参数与STZ区域平均相关性高于78%, 因此, 该参数能有效用于金属玻璃剪切转变区的预测,且运用拉普拉斯算子的思想有望应用于金属玻璃力学行为的理论分析.     

非晶合金剪切带动力学行为研究

剪切带是一种材料塑性变形高度局域化的变形模式, 广泛存在于非晶体系的形变中, 控制着这些无序体系失稳、灾难性断裂行为.传统的非晶体系如岩石, 胶体, 玻璃和聚合物等因较差的力学性能以及过于复杂的结构而不利于剪切带的实验研究. 近几十年来, 非晶合金的出现极大丰富了剪切带的研究, 推进了对剪切带的认识. 通过大量非晶合金中剪切带的实验和理论研究, 人们发现剪切带行为具有空间不均匀性和时间不连续性的特征, 表现出复杂的动力学特征, 和自然界以及物理系统中许多复杂体系的动力学行为相似.同时, 剪切带的性质尤其是其动力学行为对非晶合金的宏观力学行为和性能有重要的影响, 对理解这类材料的微观变形机理也起着重要的作用.本文结合团队近年来在非晶合金剪切带行为方面的研究结果, 对剪切带的运动行为和物理机制进行介绍, 包剪切带间歇性运动行为、以及间歇性运动在表征其动力学性质中的作用以及物理机制, 以及剪切带的自组织临界行为、物理机制等.最后对非晶合金剪切带行为研究中亟需解决的问题进行了总结和展望.      

Helical and Localised Buckling in Twisted Rods: A Unified Analysis of the Symmetric Case

We review the geometric rod theory for the case of a naturallystraight, linearly elastic, inextensible, circular rod suffering bendingand torsion but no shear. Our primary focus is on the post-bucklingbehaviour of such rods when subjected to end moment and tension.Although this is a classic problem with an extensive literature, datingback to Kirchhoff, the usual approach tends to neglect the physicalinterpretation of solutions (i.e., rod configurations) to the modelsproposed. Here, we explicitly compute geometrical properties of buckledrods. In a unified approach, making use of Kirchhoff's dynamic analogy,both the classical helical and the more recently investigated localisedbuckling are considered. Special attention is given to a consistenttreatment of concepts of link, twist and writhe.     

铜基非晶合金热效应和剪切模量变化起源

剪切模量在非晶合金黏性流动、扩散及结构弛豫等行为中起着重要作用. 宏观剪切弹性决定非晶合金热流变化.探索非晶合金在结构弛豫和玻璃转变过程中宏观力学性能与热流的关联有助于理解其力学行为起源. 本研究基于自间隙理论对Cu$_{49}$Hf$_{42}$Al$_{9}$非晶合金热流、剪切模量及黏度进行研究,建立剪切模量与热流之间的关联. 通过测量剪切模量精确测定自间隙缺陷浓度演化规律.从能量角度出发,通过激活能图谱探索自间隙缺陷浓度对非晶合金热力学性能的影响. 借助于动态力学分析仪研究非晶合金从室温到过冷液相区的动态弛豫行为,探索物理时效引起的结构弛豫以及内耗演化规律. 研究结果表明,自间隙理论可准确描述非晶合金的弛豫动力学、剪切软化及结构弛豫诱导的力学行为. 结合热流数据可以很好描述铸态和弛豫态非晶合金剪切模量随温度演化过程,激活能图谱直观表述了单位激活能可激活的自间隙缺陷浓度. 自间隙缺陷在结构弛豫中湮灭,表现为玻璃体系结构向更稳定状态迁移.在玻璃化转变过程中,缺陷浓度显著升高伴随热吸收,表现为原子大规模协同运动和剪切软化. 物理时效诱导非晶合金内耗和原子移动性降低. 过冷液相区内原子移动性高至消除了结构弛豫影响.      

ORIGIN OF HEAT EFFECTS AND SHEAR MODULUS CHANGES OF A Cu-BASED AMORPHOUS ALLOY 1)

剪切模量在非晶合金黏性流动、扩散及结构弛豫等行为中起着重要作用. 宏观剪切弹性决定非晶合金热流变化.探索非晶合金在结构弛豫和玻璃转变过程中宏观力学性能与热流的关联有助于理解其力学行为起源. 本研究基于自间隙理论对Cu$_{49}$Hf$_{42}$Al$_{9}$非晶合金热流、剪切模量及黏度进行研究,建立剪切模量与热流之间的关联. 通过测量剪切模量精确测定自间隙缺陷浓度演化规律.从能量角度出发,通过激活能图谱探索自间隙缺陷浓度对非晶合金热力学性能的影响. 借助于动态力学分析仪研究非晶合金从室温到过冷液相区的动态弛豫行为,探索物理时效引起的结构弛豫以及内耗演化规律. 研究结果表明,自间隙理论可准确描述非晶合金的弛豫动力学、剪切软化及结构弛豫诱导的力学行为. 结合热流数据可以很好描述铸态和弛豫态非晶合金剪切模量随温度演化过程,激活能图谱直观表述了单位激活能可激活的自间隙缺陷浓度. 自间隙缺陷在结构弛豫中湮灭,表现为玻璃体系结构向更稳定状态迁移.在玻璃化转变过程中,缺陷浓度显著升高伴随热吸收,表现为原子大规模协同运动和剪切软化. 物理时效诱导非晶合金内耗和原子移动性降低. 过冷液相区内原子移动性高至消除了结构弛豫影响.     

Length scale effects on the shear localization process in metallic glasses: A theoretical and computational study

Some recent experiments on sub-micron and nano-sized metallic glass (amorphous alloy) specimens have shown that the shear localization process becomes more stable and less catastrophic when compared to the response exhibited by large sample sizes. This leads to the discovery that the shear localization process and fracture can be delayed by decreasing sample volume. In this work we develop a non-local and finite-deformation-based constitutive model using thermodynamic principles and the theory of micro-force balance to study the causes for the aforementioned observations. The constitutive model has also been implemented into a commercially available finite-element program by writing a user-material subroutine. With the aid of finite-element simulations, our constitutive model predicts that metallic glass samples have the intrinsic ability to exhibit: (a) the delaying of (catastrophic) shear localization with decreasing sample size, and (b) homogeneous deformation behavior for sample volumes smaller than the shear band nucleus.The cause for the observations listed above is the increasing influence of a non-local interaction stress with decreasing sample volume. This interaction stress has energetic origins and it affects plastic deformation due to the strong coupling between plastic shearing and free-volume generation. Akin to strain-gradient plasticity theory, the role of the interaction stress is to strengthen the material at locations where the defect density/free volume is higher compared to the rest of metallic glass sample.     

Dislocation Model of Polysynthetic Shear Bands in Amorphous Materials

A dislocation model for a polysynthetic shear band in an amorphous material is proposed. The stress fields near the polysynthetic shear band are calculated. The distribution of impurities in an amorphous binary Fe–B medium containing a polysynthetic shear band is determined.     

Granulation and bistability in non-Brownian suspensions

In granulation, a dense colloidal suspension is converted into pasty lumps by application of flow. Often, such lumps are bistable: each can exist either as a fluid droplet (with a shiny surface) or as a jammed granule, whose rough surface creates a bulk stress via capillary action. Such bistability can be explained if the bulk steady-state flow curve is sufficiently nonmonotonic that, above some threshold of stress, flow ceases entirely. This is a stronger condition than the one required to see discontinuous shear thickening, but closely related to it. For instance, inertia can play a role in shear thickening, but not in static bistability. Suitable flow curves were previously found in a phenomenological model of the colloidal glass transition, in which Brownian motion is arrested at high stresses. However, granulation often involves particles too large for Brownian motion to be significant, so that another nonmonotonicity mechanism is needed. A very recent theory, in which the proportion of frictional rather than lubricated contacts increases with stress, provides just such a mechanism, and we use it here to give a simple explanation of granular bistability in non-Brownian suspensions, which requires knowledge only of the steady-state flow curve. However, jamming is in general a history-dependent phenomenon which allows bistability to arise under broader conditions than those just described, possibly including systems that do not shear-thicken at all. In this paper, we focus on explanations of granular bistability based on steady-state shear-thickening, but also discuss alternative explanations based on flow history effects.     

Anisotropic conduction of heat in a flowing polymeric material

In this paper a theory is presented which relates the thermal conductivity tensor of an amorphous polymeric material to the history of deformation of the material. The basis of the theory is formed by the network theory for polymeric materials. It will be shown that the results obtained here are in good agreement with experimental results on rubber. The effect of anisotropic heat conduction on the flow of a polymeric material will be demonstrated by the simple example of viscous heating in shear flow.Presented at the Golden Jubilee Conference of the British Society of Rheology and Third European Rheology Conference, Edinburgh, 3–7 September, 1990.     

Theoretical and experimental investigation of ultrasonic waves radiated from a wet surface using a line-focused laser beam

In this paper we use with a theoretical model and experimental study to predict the characteristics of the ultrasonic waves irradiated from a wet surface illuminated by a line-focused laser beam. The theoretical model is developed by assuming normal surface tractions distributed elliptically over the illuminated source. The solutions for both longitudinal and shear waves are obtained using Fourier analysis, in which the transform integral is evaluated asymptotically. The theory was evidenced by the experimental study which allows direct quantitative comparisons between the theoretical and experimental directivity patterns. The effects of beam diameter and frequency of the propagating wave, which are the most influential parameters on the characteristics of the generated wave, are investigated in the experimental work. The experimental results are in strong agreement with the theoretical predictions.