用数字圆栅技术研究橡胶类材料I型断裂问题

采用数字云纹技术对橡胶类材料的大变形断裂力学问题进行了实验分析.提出了数字圆环栅和射线栅技术,给出了该技术的测量原理和方法.应用此技术对橡胶薄板材料的I型断裂的裂尖变形场进行了测量,给出了极坐标系下的实验径向位移场ur和环向位移场uθ的分布图,对实验结果进行了详细的分析,并结合大变形断裂的分区理论模型进行了比较与讨论.     

考虑缠结效应的超弹性本构模型

经典熵弹性模型, 如 Neo-Hookean模型和Arruda-Boyce八链模型, 被广泛应用于预测橡胶等软材料的超弹性力学行为. 然而, 大量实验结果也显示仅采用一套模型参数, 这类模型不能同时准确地描述橡胶在多种加载模式下的应力响应. 为了克服上述模型的不足, 本文在熵弹性的模型基础上引入缠结约束效应. 微观上, 采用Langevin统计模型来表征熵弹性变形自由能, 通过管模型(tube model)引入缠结约束自由能, 并基于仿射假设, 建立微观变形与宏观变形之间的映射关系. 在宏观上, 所建立的超弹性模型的Helmholtz自由能同时包含熵弹性和缠结约束两部分, 其中熵弹性自由能与经典的Arruda-Boyce八链模型一致, 依赖于柯西-格林应变张量的第一不变量, 而缠结约束自由能依赖于柯西-格林应变张量的第二不变量. 与文献中的实验结果对比发现, 该三参数模型能准确地预测实验中所测得的橡胶材料在单轴拉伸、纯剪切和等双轴拉伸变形条件下的应力响应, 也能较好地描述不同预拉伸比条件下双轴拉伸实验结果. 最后, 本文比较了所建立的基于应变不变量的缠结约束模型与文献中相关的缠结约束模型在多种加载模式下自由能的异同. 总的来说, 本文所建立的本构理论能准确模拟橡胶等软材料的大变形力学行为, 对其工程应用有促进作用.      

不可压缩超弹性止水材料的粘弹性计算方法研究

发展改进了研究不可压缩超弹性材料的Mooney-Rivlin公式,把材料参数假设成是随时间变化的粘弹性函数,并讨论了粘弹性函数的推导方法,通过工程实例进行了实验计算,并将计算结果与应力松弛试验进行了比较.结果表明,用改进Mooney-Rivlin公式可以简便有效地计算该类材料的粘弹性问题,为解决工程实际问题提供了新的途径.     

增量原理有限元分析非线性橡胶类材料

1.引言橡胶类材料构件的几何和材料性能都是非线性的,而且材料的非线性关系一般用三个变形张量不变量表述。本文基于势能驻值原理。采用以变形前的构形为参考状态的Lagrange法。以该状态的Green应变张量的物理分量和Kirchhoff应力张量的物理分量建立起适用于大位移和大应变的增量形式的有限元计算列式。列式中考虑了不平衡力的修正项和不可压缩性偏差的修正项。由于在工业上使用的受力的橡胶类构件多半为轴对称     

用数字圆栅技术研究橡胶类材料I型断裂问题

采用数字云纹技术对橡胶类材料的大变形断裂力学问题进行了实验分析。提出了数字圆环栅和射线栅技术，给出了该技术的测量原理和方法。应用此技术对橡胶薄板材料的I型断裂的裂尖变形场进行了测量，给出了极坐标系下的实验径向位移场ur，和环向位移场uθ。的分布图，对实验结果进行了详细的分析，并结合大变形断裂的分区理论模型进行了比较与讨论。     

流变简单材料力学性能主曲线的构建新方法

提出一种新的构建流变简单材料力学性能主曲线的移位方法,该方法以移位曲线与参考曲线围成的交叠区域的“面积”为判定要素,推导出移位因子的计算公式. 公式形式简单、易于计算;公式所涉及的参量均来自实验数据自身,不用进行插值即可求得移位因子, 且得到的移位因子具有唯一性,避免了手动移位主观判断的不确定性及数值移位方法因拟合带来的误差问题. 由于推导过程是一种数学计算的过程,因此,只要材料满足流变简单性,则该移位公式均能适用. 此外,在构建主曲线时,首次考虑了含有明显峰值的实验曲线的移位情况,使所提出的方法具有更强的适用性. 最后,以构建炭黑填充橡胶的动态力学性能主曲线的实例验证了该方法的有效性.     

核工程钢板混凝土墙防撞击贯穿实用计算方法

针对带对拉钢筋的双钢板混凝土墙，研究了双钢板混凝土墙防贯穿计算方法，建立了基于能量法的防贯穿计算公式。在已知弹体和钢板混凝土墙体材料与几何相关参数时，利用防贯穿实用计算公式可对带对拉钢筋的核工程双钢板混凝土墙体贯穿速度以及弹体剩余速度进行计算，避免了复杂的结构抗撞击反应动力时程数值分析。为验证公式的可靠性，将公式计算结果与已有刚性弹体撞击双钢板混凝土墙实验结果及其动力有限元计算结果进行对比，结果表明:防贯穿实用计算公式可以正确判断双钢板混凝土墙的贯穿状态，实用计算公式给出的弹体剩余速度与实验结果符合良好。为进一步验证公式的适用范围，将公式计算结果与共10个工况的飞机发动机撞击双钢板混凝土墙的有限元计算结果进行了对比分析，结果表明:除1个工况计算结果偏差略超10%外，其余工况的偏差均在10%以内，说明该计算方法合理可行。     

MOTION OF A HANGING CHAIN AFTER AN INITIAL HORIZONTAL IMPACT AT THE FREE END

悬链在自由端受到冲击后的瞬态响应,不仅是一个有趣的数学问题,同时也具有一定的工程意义.在拉格朗日动力学微分方程的理论框架下,引入广义冲量并利用第二类拉格朗日方程对悬链在自由端受水平冲击力后的动力学响应进行了分析,得到了计算每节链段角速度的统一公式. 应用该公式能够方便地求解不同初始条件下具有较多链段数目的悬链在冲击作用下的瞬态响应问题.     

弹丸超高速撞击防护屏穿孔研究

防护屏穿孔直径在Whipple防护结构的超高速撞击实验中易于测量,是检验超高速撞击实验及数值模拟有效性的重要参数.本文分别采用超高速撞击实验、数值模拟及经验公式对铝合金Whipple防护结构的防护屏穿孔进行了研究.数值模拟结果与实验结果吻合很好,说明本文物理建模及参数的选取是合理的,同时也验证了数值模拟方法的正确性及有效性;使用经验公式进行了对比计算,结果表明Maiden C J给出的公式具有很好的普适性.最后利用数值模拟研究不同材料对超高速撞击防护屏穿孔的影响.合理的应用经验公式及数值模拟可以更加快捷、有效地开展超高速撞击实验研究.     

强冲击波出金属自由面后喷溅粒子速度计算

本文用流体动力学方法证明自由表面的喷溅现象,是冲击波在自由表面卸载的结果。文中推导出计算喷溅速度的公式,并且寻到Pb材料的卸载度-压力曲线和Al材料的卸载度等于0.41。理论结果和国内外实验结果基本符合。     

人工冻结深部软岩单轴力学性能试验及蠕变模型1）

为了了解深部软岩在冻结条件下的单轴力学性能,以东北地区的原状泥砂岩为试验对象,利用自行研制的WDT-100型人工冻土试验仪器,对其进行不同温度下的人工冻土单轴抗压强度试验和单轴蠕变试验,得到泥砂岩单轴压缩应力-应变关系曲线,各温度下试样的单轴抗压强度以及蠕变曲线.单轴压缩试验结果表明：试样在给定温度和加载速率条件下,单轴压缩应力-应变关系曲线都有较为明显的屈服点,并且都在屈服点后,强度有所提高,出现硬化现象.单轴蠕变试验结果表明：单轴压缩蠕变曲线有非线性特征,单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线向应变轴靠拢;单轴压缩时蠕变模量随时间的增长而降低.最后采用遗传算法优化模型参数,得出泥砂岩蠕变经验方程.与试验结果对比,发现拟合情况较好.     

人工冻土力学性能影响因素敏感性分析

为分析人工冻土单轴抗压强度影响因素敏感性,选定人工冻土单轴抗压强度的7 种影响因素,按正交试验设计方案进行大量冻土单轴压缩试验,并采用灰色关联理论对试验结果进行分析,研究分析诸因素敏感性排列顺序. 试验结果表明：在选定的7 种影响因素中,温度为最大敏感因素,其它依次为深度、土性、养护时间、加载速率、含水率和密度,且选定的7 种因素均为重要影响因素,为相关室内试验与工程应用提供依据.     

单轴拉伸条件下脆性岩石微裂纹损伤模型研究

利用断裂力学、损伤力学和均匀化原理,对脆性岩石单轴拉伸条件下的力学特性进行分析,建立了脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.首先对岩石内部微裂纹的统计分布规律进行分析,给出了理论分析过程中微裂纹分布的假设条件,在此基础上,参考已有研究成果,得到含细长微裂纹脆性岩石有效弹性参数的计算公式.然后,对岩石内部单一微裂纹进行断裂力学和损伤力学分析,得到了扩展裂纹尖端的应力强度因子计算公式,在一定微裂纹断裂扩展准则和断裂扩展速率的假设基础上,利用积分原理,得到了岩石整体的损伤变量和损伤演化方程,由此建立单轴拉伸条件下脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.最后,通过一花岗岩的单轴拉伸试验结果对微裂纹损伤本构模型进行了验证.     

基于实验的心肌被动力本构模型

在狗心脏外科手术和心肌力学性能试验的基础上,对心肌力学性能实验数据进行处理和拟合,并应用有限元方法对心肌的单拉实验、松弛实验进行数值模拟和计算. 得到不同心肌位点的本构模型的非线性弹性和黏性参数,从而发展了心肌被动力的非线性黏弹性本构模型,体现了心脏力学行为的非均匀性和黏弹性. 在理论模型和试验数据的基础上,开发了有限元软件ABAQUS的VUMAT材料子程序,应用于数值心脏的仿真研究.      

胀锚型锚栓锚固破坏及承载力研究

混凝土基材锥体受拉破坏是后锚固锚栓受拉的基本破坏形式，采用混凝土破坏准则和弹性力学方法，推导了胀锚型锚栓基于混凝土基材破坏的抗拔极限承载力简化计算公式．通过对不同混凝土强度的极限状态数值分析，发现基材锚固破坏锥面底部直径R与有效锚固深度he为近似比值关系。与试验的对比结果表明，简化计算方法精度满足工程需要，和多种试验测试结果相当吻合。     

柔性硅泡沫薄片的短时松弛行为研究

根据多孔硅泡沫材料的单轴压缩和应力松弛实验,利用最小二乘法的LM法拟合得到硅泡沫材料的本构关系.基于上述模型开展了组合结构中多孔泡沫薄片应力松弛行为的数值模拟,得到了短时松弛过程中硅泡沫结构件的应力变化规律.     

基于BP神经网络与小冲杆试验确定在役管道钢弹塑性性能方法研究

为了能够在不停输油气工况下获得在役管道材料的弹塑性力学性能, 提出了一种人工智能BP (back-propagation)神经网络、小冲杆试验与有限元模拟相结合,通过确定材料真应力-应变曲线从而获得材料弹塑性力学性能的方法. 首先,通过系统改变Hollomon公式中的参数$K$, $n$值,获得457组具有不同弹塑性力学性能的假想材料本构关系, 其次,将得到的本构关系代入经试验验证的含有Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)损伤参数的小冲杆试验二维轴对称有限元模型,通过有限元计算得到了与真应力-应变曲线一一对应的457条不同假想材料的载荷-位移曲线,最终将两组数据作为数据库输入BP神经网络进行训练,建立了同种材料小冲杆试验载荷-位移曲线与真应力-应变曲线之间的关联关系.通过此关联关系,可利用试验得到的小冲杆载荷-位移曲线获取在役管道钢的真应力-应变曲线,从而确定其弹塑性力学性能.通过对比BP神经网络得到的X80管道钢真应力-应变曲线与单轴拉伸试验的结果以及引用现有文献中不同材料的试验数据对此关系进行验证,证明了该方法的准确性与广泛适用性.      

基于巴西盘试验的海冰拉伸强度研究

海冰拉伸强度是其基本力学性能之一, 同时也是冰区船舶与海洋工程结构设计所需的重要参数. 对于脆性材料的拉伸强度测试, 巴西盘劈裂试验相比单轴拉伸试验在试样制备与加载上具有明显的优势. 为研究海冰的拉伸强度特征, 对渤海辽东湾沿岸的粒状冰开展了系统的巴西盘劈裂试验研究. 在加载过程中与试样破坏后, 分别对加载横梁的位移与加载力以及试样最终破坏模式进行了记录. 同时, 对试样的冰晶结构、盐度、温度以及密度进行了测量. 通过改变加载速率、试样厚度与试样温度以研究不同参数对试验结果的影响. 针对传统试验中试样的刚体假设, 考虑了试样变形对应力状态的影响并将其引入了理论模型. 试验过程中所有海冰试样均以劈裂模式破坏. 试验结果表明, 加载速率与试样厚度对拉伸强度的影响并不显著, 但孔隙率的影响较为明显. 当孔隙率由75‰降低至10‰时,拉伸强度由1.0 MPa升高至2.8 MPa. 与单轴拉伸试验所测得数据对比, 巴西盘劈裂试验所得到的拉伸强度随孔隙率的变化趋势相一致. 但该方法所得到的粒状冰拉伸强度要高于预期结果. 试验表明巴西盘劈裂试验中海冰试样的破坏模式与试验结果均较为合理, 可成为海冰拉伸强度的有效测试方法.      

THE FATIGUE CONSTITUTIVE MODEL OF CONCRETE BASED ON MICRO-MESO MECHANICS

该文致力于混凝土疲劳损伤发展机理的微细观解释. 以速率过程理论为基础,通过考虑裂纹断裂过程区中的水分子动力作用,在细观尺度上建立了具有物理机理的疲劳损伤能量耗散表达式. 结合细观随机断裂模型,以宏观损伤力学为框架,建立了疲劳损伤演化方程. 通过数值模拟,计算了单轴受拉时的疲劳损伤演化以及不同加载幅度下的疲劳寿命. 与相关试验结果的对比显示出该文模型能够很好地表现混凝土材料的疲劳损伤演化过程.     

基于微-细观机理的混凝土疲劳损伤本构模型

该文致力于混凝土疲劳损伤发展机理的微细观解释. 以速率过程理论为基础,通过考虑裂纹断裂过程区中的水分子动力作用,在细观尺度上建立了具有物理机理的疲劳损伤能量耗散表达式. 结合细观随机断裂模型,以宏观损伤力学为框架,建立了疲劳损伤演化方程. 通过数值模拟,计算了单轴受拉时的疲劳损伤演化以及不同加载幅度下的疲劳寿命. 与相关试验结果的对比显示出该文模型能够很好地表现混凝土材料的疲劳损伤演化过程.