橡胶材料弹性的一种新的螺旋管模型

建立统计力学模型正确描述材料微观结构与宏观力学特性之间的关系是软物质类材料的最大挑战之一,已有的橡胶材料统计模型尚存在一些不足.文章根据橡胶类材料宏观各向同性、连续均匀和不可压缩特性,结合分子链的非高斯统计模型,提出一种橡胶材料网络结构的力学特性模型.该模型将代表体元上对应点之间的传力路径用一个类螺旋管区域约束的分子链子网络来描述,螺旋管的表面随材料的宏观变形做仿射变形,分子链子网络由方向和长度随机的分子链或链段首尾链接而成,在此基础上由分子链的熵推导出描述材料宏观力学特性的本构关系.通过大量的材料测试数据对本构模型进行拟合验证,拟合结果表明该模型具有非常好的精度,并且在采用两个参数时模型具有非常高的可靠性,仅用单轴拉伸实验数据拟合模型就能准确预测全部3类实验数据.该模型使用了仿射的弯曲管假设,能从微观结构尺度上说明材料的不可压缩特性,避免了直管模型的近似性,为微观尺度的随机性和宏观的均匀性的联系提出一个新的模型.     

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.      

炭黑填充橡胶材料改进Mooney模型

本文讨论了炭黑填充橡胶材料的唯象本构模型。考虑到Mooney模型无法表征橡胶类材料大变形阶段的力学特性,首先利用实验数据,对Mooney模型进行了分析,讨论了炭黑含量与Mooney模型准确表征橡胶材料应变区间大小的关系,Mooney模型对纯剪切和等比双向拉伸等复杂变形的预测能力,同时也分析了材料参数对Mooney模型的影响。最后在Mooney模型的基础上添加了一个修正项,且改进后的Mooney模型满足Treloar和Ogden六项假设。通过与实验数据对比分析,改进Mooney模型可以较好地描述橡胶材料大变形阶段的应力应变关系,同时提高了预测橡胶材料复杂变形的能力。     

炭黑填充橡胶材料的修正三链模型和Mullins模型

本文探讨了炭黑颗粒填充橡胶材料的本构模型。考虑到橡胶单个分子链与周围分子网络的约束作用和炭黑颗粒对橡胶的补强作用,提出了一种修正三链模型,用Edwards管模型描述分子链之间的相互作用和约束,采用应变放大因子来考虑炭黑含量的影响。并在修正三链模型的基础上,利用橡胶分子网络重构理论,提出了一种适合表征橡胶Mullins现象的本构模型。通过与实验数据比较分析,修正三链模型可较准确地表征未填充橡胶材料不同变形模式的力学性能和炭黑颗粒填充橡胶材料的单向拉伸力学行为,Mullins模型也可较好地描述橡胶材料的Mullins现象。     

帘线/橡胶复合材料各向异性黏-超弹性本构模型

帘线/橡胶复合材料广泛应用于轮胎等重要工程领域,为了描述其在服役条件下的大变形、非线性、各向异性和高应变率等材料力学行为,基于纤维增强复合材料连续介质力学理论,提出了一种考虑应变率效应的帘线/橡胶复合材料各向异性黏-超弹性本构模型. 该模型中单位体积的应变能被解耦为便于参数识别的基体等容变形能、帘线拉伸变形能、剪切应变能和黏性应变能四部分. 给出了模型参数的确定方法,并通过拟合文献中单轴拉伸、偏轴拉伸实验数据,得到了模型参数. 利用该模型预测了不同加载和变形条件下的力学行为,并将预测结果与实验结果对比分析. 结果表明, 考虑黏性模型和不考虑黏性模型对不同应变率变形条件下的预测结果相差很大,且考虑黏性模型的预测结果与实验结果吻合很好. 因此,与不考虑黏性模型相比,所提出的各向异性黏-超弹性本构模型能更好地表征帘线/橡胶复合材料在大变形、高应变率条件下的力学特性.      

高应变率拉伸加载下无氧铜的本构模型

为了研究材料在高应变率拉伸加载下的动态响应,利用新型爆炸膨胀环实验技术开展了无氧铜试 样环的拉伸加载实验,采用激光干涉测试技术获得了试样环拉伸变形过程的径向速度历史。数值计算发现经 典JC模型不能较好地描述无氧铜试样环的膨胀过程,于是对JC模型进行了修改:增加了应变的指数硬化项 来描述拉伸变形的累积效应;增加了应变率的线性项描述拉伸加载时的应变率效应;利用实验数据拟合了修 改后的RJC模型参数,最终较好描述了无氧铜试样环的膨胀变形过程。     

短纤维增强EPDM包覆薄膜超弹性本构模型

短纤维增强三元乙丙橡胶(EPDM)包覆薄膜用于一种新型缠绕包覆工艺,主要解决复杂构型自由装填药柱外表面可靠性包覆问题.为了描述其在固体火箭发动机工作过程中产生的大变形、非线性和各向异性等力学行为,根据纤维增强复合材料连续介质力学理论,提出了各向异性超弹性本构模型.该模型中单位体积的应变能函数被解耦成两部分:表征各向同性的橡胶基体应变能和表征各向异性的纤维拉伸应变能,通过引入纤维方向对纤维应变能进行修正,给出了通过单轴拉伸、偏轴拉伸实验数据获取模型参数的具体方法.研究结果表明,该模型能够很好地预测材料在纤维方向0°~45°时的各向异性力学特性,并将预测结果与实验数据对比,误差在5%以下.所建立的各向异性超弹性本构模型准确性高、易于实现数值开发,在一定程度上能够为固体火箭发动机的装药结构完整性分析提供理论依据.     

超弹性材料本构关系的最新研究进展

超弹性材料是工程实际中的常用材料, 具有在外力作用下经历非常大变形、在外力撤去后完全恢复至初始状态的特征. 超弹性材料是典型的非线性弹性材料, 其性能可通过材料的应变能函数予以表征. 近几十年来, 围绕应变能函数形式的构造, 已提出许多超弹性材料本构关系研究的数学模型和物理模型, 但适用于多种变形模式和全变形范围的完全本构关系仍是该领域期待解决的重要问题. 本文从3个不同角度, 对超弹性材料本构关系研究的最新进展进行了总结和分析: (1)不同体积变化模式, 包含不可压与可压两种; (2)多变形模式, 包含单轴拉伸、剪切、等双轴以及复合拉剪等多个种类; (3)全范围变形程度, 包含小变形、中等变形到较大变形范围. 超弹性材料本构关系研究的最新进展表明, 为了全面描述具体材料的实验数据并在实际问题中应用超弹性材料, 需要建立适合于多种变形模式和全变形范围的可压超弹性材料的完全本构关系. 对实际超弹性材料完全本构关系的建立及可压超弹性材料应变能函数的构造, 笔者还提出了相应的实施步骤和研究方法.      

微振激励下黏弹性阻尼器微观链结构力学模型

减小微振动对高精密仪器至关重要,利用黏弹性阻尼器进行微振动抑制是一个新兴而又具有挑战性的课题.本文采用分子链网络模型方法分析了黏弹性材料的微观分子链结构,综合考虑材料分子链结构中的网络链和自由链对黏弹性材料力学性能的影响,提出一种基于材料微观分子链结构的微振激励下黏弹性阻尼器力学模型.模型分别采用标准线性固体模型和Maxwell模型来描述网络链和自由链中单个链的力学性能,并分别采用8链网络模型和3链网络模型考虑两种类型分子链的综合效应,引入温频等效原理描述温度对微振激励下黏弹性阻尼器力学性能的影响.该模型能够描述温度和频率对黏弹性阻尼器动态力学性能的影响,并能够反映黏弹性材料的微观结构与材料力学性能的关系.为验证所提模型的有效性及考察黏弹性阻尼器在微振激励下的耗能能力和动态力学性能,在微振条件下对黏弹性阻尼器进行了动态力学性能试验.研究结果表明黏弹性阻尼器具有较好的微振耗能能力,其动态力学性能受温度和频率影响较大,所提的力学模型能够精确地描述微振激励下黏弹性阻尼器动态力学性能随温度和频率的变化关系.      

STATE OF THE ART OF CONSTITUTIVE RELATIONS OF HYPERELASTIC MATERIALS 1)

超弹性材料是工程实际中的常用材料, 具有在外力作用下经历非常大变形、在外力撤去后完全恢复至初始状态的特征. 超弹性材料是典型的非线性弹性材料, 其性能可通过材料的应变能函数予以表征. 近几十年来, 围绕应变能函数形式的构造, 已提出许多超弹性材料本构关系研究的数学模型和物理模型, 但适用于多种变形模式和全变形范围的完全本构关系仍是该领域期待解决的重要问题. 本文从3个不同角度, 对超弹性材料本构关系研究的最新进展进行了总结和分析: (1)不同体积变化模式, 包含不可压与可压两种; (2)多变形模式, 包含单轴拉伸、剪切、等双轴以及复合拉剪等多个种类; (3)全范围变形程度, 包含小变形、中等变形到较大变形范围. 超弹性材料本构关系研究的最新进展表明, 为了全面描述具体材料的实验数据并在实际问题中应用超弹性材料, 需要建立适合于多种变形模式和全变形范围的可压超弹性材料的完全本构关系. 对实际超弹性材料完全本构关系的建立及可压超弹性材料应变能函数的构造, 笔者还提出了相应的实施步骤和研究方法.