含损伤材料的热粘塑性本构关系和柱壳破裂研究

以含内变量的本构关系理论为基础 ,结合材料损伤演化方程 ,并考虑了温度和损伤对材料参数的影响 ,得到了增量形式的热粘塑性本构关系的普适显式表达式。然后使用Bodner幂函数型粘塑性模型 ,具体推导了其增量形式的热粘塑性本构方程。接着结合在实践中有重要意义的内部爆炸载荷作用下的柱壳破裂问题 ,建立了含损伤热粘塑性柱壳破裂问题的完备方程组 ,使用有限差分方法 ,完成了对问题的数值模拟 ,并对结果进行了分析。计算结果与实验结果符合良好。     

材料的弹粘塑性本构关系和应力波的演化

试验表明，大多数工程材料在冲击载荷作用之下的变形一般都同时包含有可恢复的瞬态性弹性变形和不可恢复的粘滞性塑性变形，即其本构关系可以用弹粘塑性模型来描述。本文从内变量理论出发，探讨了时率相关材料的弹粘塑性本构关系的一般特性，建立了增量型的弹粘塑性本构关系的一般理论框架和普适的表达式，并且对两种最常用的本构模型——Bodner-Partom模型和Johnson-Cook模型给出了在一维应变条件下的具体形式。通过计算和讨论一维应变粘塑性靶板中冲击波的衰减机制和应力波的演化规律，特别是考察各种粘塑性本构模型中的材料参数对冲击波的衰减和应力波的演化的影响，得出了一些可以直接应用或具有一定借鉴价值的结果，为研究应力波的其他衰减机制以及在人防工程中智能防护层设计时新材料的选取奠定了基础。     

应变控制的热机械疲劳行为的数值模拟

根据高温合金材料的力学性能，以弹粘塑性本构模型为基础，用数值模拟方法研究材料的热机械疲劳循环特性，模型将应变分为弹性应变、温度应变和粘塑性应变三部分，认为材料在高温循环载荷下呈现明显的弹粘塑性特征，根据虚位移原理建立轴对称体的弹粘塑性计算有限元格式，对于循环机械载荷和循环温度载荷，程序中采用了增量法迭代求解，在非线性项中不仅考虑了机械载荷增量的影响，同时也考虑了温度增量的影响，根据应变控制热机械疲劳的特点，发展了应变增量法的有限元计算方法、通过数值模拟，得到材料在各种循环载荷下的应力—应变响应，数值模拟较好地反映了粘塑性变形过程以及温度变化的效应，所描述的不可逆系统在某一时刻的状态完全由当时的状态参数、内变量、承载时间及塑性应变累积量决定，对带缺口试件的模拟结果显示了程序对复杂轴对称结构进行热机械疲劳计算的有效性。     

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。     

内爆炸加载条件下圆筒的膨胀、破裂规律研究

以经典热粘塑性本构关系 (John Cook本构关系和Powerlaw本构关系 )为基础 ,建立了更适当表征材料特征的新的、解耦的本构关系。采用SHPB(分离式霍普金森杆 )技术测定了常用弹箭材料 35CrMnSiA的不同应变率下的应力、应变关系 ,并采用拟合的方法确定了本构方程中的材料常数。与高速摄影技术测得的径向位移函数及圆筒材料的损伤演化方程相结合 ,建立了控制内爆炸加载圆筒膨胀 ,直至破裂的完备方程组 ,完成了内爆炸加载圆筒问题的数值模拟 ,计算结果与以往有关箭弹材料圆筒膨胀的实验结果符合较好。     

关于无屈服面粘塑性理论

本文对Bodner-Partom幂函数型粘塑性本构方程进行了某些分析讨论,揭示了该本构模型的某些内涵,特别是对模型所涉及的几个材料常数对应力应变关系的影响以及该模型的加卸载性质和历史效应作了具体的剖析。最后与Perzyna超应力本构模型进行了比较。     

各向同性率无关材料本构关系的不变性表示

在内变量理论的框架下,针对各向同性率无关材料,使用张量函数表示理论建立了塑性应变全量及增量本构关系的最一般的张量不变性表示. 它们均由3个完备不可约的基张量组合构成,这3个基张量分别是应力的零次幂、一次幂和二次幂. 因此得出,塑性应变、塑性应变增量与应力三者共主轴. 通过对基张量的正交化,给出了本构关系式在主应力空间中的几何解释. 进一步,全量(或增量)本构关系中3个组合因子被表达为应力、塑性应变(或塑性应变增量)的不变量的函数. 当塑性应变(或塑性应变增量)的3个不变量之间满足一定关系时,所给出的本构关系将退化为经典的形变理论(或塑性势理论).最后,还讨论它与奇异屈服面理论的关系,当满足一定条件时,两者是一致的.      

基于介观力学信息的颗粒材料损伤——愈合与塑性宏观表征

本文在二阶计算均匀化框架下提出了颗粒材料损伤--愈合与塑性的多尺度表征方法. 颗粒材料结构在宏观尺度模型化为梯度Cosserat连续体,在其有限元网格的每个积分点处定义具有离散颗粒介观结构的表征元. 建立了表征元离散颗粒系统的非线性增量本构关系. 表征元周边介质作用于表征元边界颗粒的增量力与增量力偶矩以表征元边界颗粒的增量线位移与增量转动角位移、当前变形状态下表征元离散介观结构弹性刚度、以及凝聚到表征元边界颗粒的增量耗散摩擦力表示. 基于平均场理论与Hill定理,导出了基于介观力学信息的梯度Cosserat连续体增量非线性本构关系. 在等温热动力学框架下定义了表征颗粒材料各向异性损伤--愈合和塑性的损伤、愈合张量因子与综合损伤、愈合效应的净损伤张量因子和塑性应变. 此外,定义了损伤和塑性耗散能密度与愈合能密度,以定量比较材料损伤、愈合、塑性对材料失效的效应. 应变局部化数值例题结果显示了所建议的颗粒材料损伤--愈合--塑性表征方法的有效性.      

基于介观力学信息的颗粒材料损伤-愈合与塑性宏观表征

本文在二阶计算均匀化框架下提出了颗粒材料损伤-愈合与塑性的多尺度表征方法.颗粒材料结构在宏观尺度模型化为梯度Cosserat连续体,在其有限元网格的每个积分点处定义具有离散颗粒介观结构的表征元.建立了表征元离散颗粒系统的非线性增量本构关系.表征元周边介质作用于表征元边界颗粒的增量力与增量力偶矩以表征元边界颗粒的增量线位移与增量转动角位移、当前变形状态下表征元离散介观结构弹性刚度、以及凝聚到表征元边界颗粒的增量耗散摩擦力表示.基于平均场理论与Hill定理,导出了基于介观力学信息的梯度Cosserat连续体增量非线性本构关系.在等温热动力学框架下定义了表征颗粒材料各向异性损伤-愈合和塑性的损伤、愈合张量因子与综合损伤、愈合效应的净损伤张量因子和塑性应变.此外,定义了损伤和塑性耗散能密度与愈合能密度,以定量比较材料损伤、愈合、塑性对材料失效的效应.应变局部化数值例题结果显示了所建议的颗粒材料损伤-愈合-塑性表征方法的有效性.     

粘塑性变截面杆中冲击波的演化

讨论了粘塑性变截面杆中的一维应力波传播规律。在粘塑性本构理论框架的基础上,利用特征关系和冲击波阵面上的突跃条件,得出了冲击波在传播过程中的演化规律,包括其微分方程和解析表达式,并对Bodner和Johnson-Cook材料和不同收缩形式的杆中冲击波的演化规律进行了讨论,同时计算和讨论了杆中冲击波后方应力波传播规律的特点。     

金属热黏塑性本构关系的研究进展

金属材料的塑性流动行为依赖于温度和应变率,温度和应变率敏感性是金属材料塑性流动的最重要的本质特性之一,建立合适的热黏塑性本构关系来准确描述金属塑性流动行为的温度和应变率依赖性,是金属材料能被广泛应用的必要前提。为此,对金属热黏塑性本构关系的最新研究进展进行了综述,介绍了常见的几种金属热黏塑性本构关系并进行了详细讨论,给出了各本构关系的优势与不足,最后系统介绍了包含金属塑性流动行为中出现的第三型应变时效、或K-W锁位错结构引起的流动应力随温度变化出现的反常应力峰以及拉压不对称等行为的金属热黏塑性本构关系的研究进展。     

45#钢的损伤演化方程和层裂准则研究

通过唯象分析和细观物理统计相结合的方法建立了一种韧性材料的损伤演化方程。在试验结果和内变量理论的基础上得到了45#钢的含损伤热—粘塑性本构关系。用有限差分方法计算了45#钢平板撞击所产生的应力波传播规律、损伤演化规律及层裂进程。通过自由面速度历史的数值模拟,并基于计算结果与试验结果间的最佳一致性,得到了损伤演化方程中的材料参数和极限损伤数值,并以此为依据建立了材料的应力率层裂准则。     

填药柱壳在内部爆炸载荷下的变形和破坏

采用一种计及三轴因子的损伤模型,以本构关系的内变量理论为基础得到了热塑性本构关系的普适显武表达式;得到了改进的Johnson-Cook本构模型的增量形式; 考虑温度和损伤对材料参数的影响,计入温度和损伤对材料塑性变形发展的耦合作用,给出完备的计算方程组;用Lagrange显示差分的方法对填药柱壳在内部爆炸载荷下的变形和破坏进行了数值模拟,并对结果进行分析,与实验结果进行了比较.     

Modeling of Temperature and Strain-Rate Effects in Metals Using an Internal Variable Model

The thermo-viscoplastic behavior of three metals is characterized in a large range of loading conditions by using a new phenomenological constitutive model. The flow stress is decomposed into the sum of an effective stress with an internal stress depending upon an internal parameter which describes the strain hardening effect. The evolution of the internal stress is sensitive to the history of strain-rate and temperature. A systematic method is used for determining the model’s parameters. The model predictions show a good correlation with experimental data. Temperature history effects are especially analyzed.     

Temperature-rate dependent constitutive theory in thermo-viscoplastic media

In this paper, a temperature-rate dependent constitutive theory in thermo-viscoplastic media is proposed. On the basis of Clausius-Duhem (C-D) entropy inequality and the generalized Helmholtz free energy defined by Green and Lindsay, it is shown under some reasonable assumptions that the constitutive models in classical thermo-plasticity theory can be extended to the temperature-rate dependent (TRD) media provided that the temperature-rate effect is taken into account and the absolute temperatureT taken as an independent constitutive variable is replaced by coldness function T^* introduced by Müller, and discussed in detail by Ru and Duan.     

Constitutive relation of weakly anisotropic polycrystal with microstructure and initial stress

Man (Nondestr Test Eval 15:191–214, 1999) derived the constitutive relation of a weakly-textured orthorhombic aggregate of cubic crystallites with effects of microstructure and initial stress. In this paper, a computational expression on the integration is given. Then, by means of the computational expression, the general constitutive relation of a weakly-textured anisotropic polycrystal with the consideration of microstructure and initial stress is derived. As special cases of our general constitutive relation, two constitutive relations are given for an isotropic polycrystal and a weakly-textured anisotropic aggregate of cubic crystallites. The acoustoelastic tensor of the reference cubic crystal is derived to determine the material constants of the polycrystal. Two examples are given for understanding the physical meaning of the texture coefficients and the constitutive relations. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10562004, 10662004), the Natural Science Foundation of Jiangxi of China (0512021), the Science Foundation of Jiangxi Educational Department of China([2006]3), and the Foundation of Training Academic and Technical Header for Main Majors of Jiangxi of China.     

研究材料动态本构特性中的重要作用

在材料动态本构关系的研究中，不论是由波传播信息反求材料本构关系，即所谓解第二类反问题，还是利用应力波效应和应变率效应解耦的方法（如SHPB技术），应力波传播实际上都起着关键作用。在一般性讨论的基础上，就SHPB试验技术分析了应力波传播如何影响材料动态本构特性的有效确定。对于应力/应变沿试件长度均匀分布假定以及一维应力波假定，着重进行了分析。     

DOUBLE-MEDIUM CONSTITUTIVE MODEL OF GEOLOGICAL MATERIAL IN UNIAXIAL TENSION AND COMPRESSION

Based on elasto-plasticity and damage mechanics, a double-medium constitutive model of geological material under uniaxial tension and compression was presented, on the assumption that rock and soil materials are the pore-fracture double-medium, and porous medium has no damage occurring, while fracture medium has damage occurring with load. To the implicit equation of the model, iterative method was adopted to obtain the complete stress-strain curve of the material. The result shows that many different distributions (uniform distribution, concentrated distribution and random distribution) of fractures in rock and soil material are the essential reasons of the daedal constitutive relations. By the reason that the double-medium constitutive model separates the material to be porous medium part, which is the main body of elasticity, and fracture medium part, which is the main body of damage, it is of important practical values and theoretical meanings to the study on failure of rock and soil or materials containing damage.     

有限变形下单晶变温本构模型

本文构造了单晶热弹粘塑性的本构模型,模拟材料在不同温度下的力学行为。该模型以晶体热运动学作为分析变形的基础,即考虑温度变化情况下总体变形梯度的乘式分解,建立温度影响下的以弹性变形梯度为基本变量的控制方程来描述单晶材料的变形,算法采用隐式积分方法来求解控制方程以保证计算的稳定性。模型能反映单晶材料变形过程中温度对应力-应变响应的影响。