基于横观各向同性超弹性理论的短纤维增强橡胶本构模型的建立与应用Establishment and application of short fiber reinforced rubber constitutive model based on transversely isotropic hyperelastic theory

提出了一种能够表征短纤维增强橡胶的横观各向同性超弹性本构模型,并结合试验体系,对其在数值分析中的应用方法和效果进行了研究。基于连续介质力学理论,建立了横观各向同性材料的应变能函数,推导得到不同变形形式下的应力应变关系,给出材料参数辨识试验方法,并成功应用于某短纤维增强橡胶测试中,得到表征其超弹性特性的相关材料参数。利用有限元软件ANSYS对不同纤维排布方向的单轴拉伸和平行纤维方向的平面拉伸进行仿真计算,并对比相应试验数据,以验证材料参数的可靠性。最后基于已验证的本构模型,建立了某铣槽装备减振环仿真模型,并对其进行了校核计算。研究结果表明,本文提出的本构模型能够有效表征短纤维增强橡胶的静态力学特性并且方便嵌入现有的有限元软件中,具有材料参数少、测试简便和结果准确等特点,工程实用性强。     

基于横观各向同性超弹性理论的短纤维增强橡胶本构模型的建立与应用

提出了一种能够表征短纤维增强橡胶的横观各向同性超弹性本构模型,并结合试验体系,对其在数值分析中的应用方法和效果进行了研究。基于连续介质力学理论,建立了横观各向同性材料的应变能函数,推导得到不同变形形式下的应力应变关系,给出材料参数辨识试验方法,并成功应用于某短纤维增强橡胶测试中,得到表征其超弹性特性的相关材料参数。利用有限元软件ANSYS对不同纤维排布方向的单轴拉伸和平行纤维方向的平面拉伸进行仿真计算,并对比相应试验数据,以验证材料参数的可靠性。最后基于已验证的本构模型,建立了某铣槽装备减振环仿真模型,并对其进行了校核计算。研究结果表明,本文提出的本构模型能够有效表征短纤维增强橡胶的静态力学特性并且方便嵌入现有的有限元软件中,具有材料参数少、测试简便和结果准确等特点,工程实用性强。     

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.      

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.     

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．     

心肌细胞大变形黏弹性模型及在实验中的应用

在衡量单个细胞力学行为的研究中,越来越多地采用结合实验的数值模拟方法. 在连续介质力学框架下,发展了一种新的心肌细胞本构模型,并与微管吮吸实验结合,探讨了心肌细胞的力学特性. 本构模型是对普遍使用的仅能用于小变形分析的标准线性固体模型的一种扩展,它将超弹性性能引入到黏弹性模型中,用以描述细胞的大变形黏弹性效应. 基于改进的本构模型,对心肌细胞微管吮吸实验过程进行了有限元模拟,并将计算结果与实验结果以及经典理论解进行了对比. 结果显示发展的本构模型适合细胞大变形问题的有限元数值模拟.      

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.      

不同本构模型对橡胶制品有限元法适应性研究

为确定不同本构模型对橡胶制品进行非线性有限元分析的适应性,采用HyperMesh 和ABAQUS软件建立了橡胶标准试件和防尘罩制品的非线性有限元模型. 根据标准试件单轴拉伸试验数据,利用ABAQUS软件拟合了Mooney--Rivlin, Ogden 及Yeoh 3 种本构模型的特征参数,并给出了试件和制品轴向拉伸和压缩工况有限元分析结果. 实测试验与有限元分析结果对比发现:在应变不大于100% 时,两参数的Mooney--Rivlin本构模型计算误差较小;在应变大于100% 时, 用Yeoh 和Ogden 本构模型计算误差较小. 该结论对大变形橡胶元件的非线性特性理论分析具有实际意义.     

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.     

一种修正的形状记忆合金本构模型数值算法及应用

采用Hughes-Winget算法修正了已有文献所发展的考虑塑性和相变耦合效应的形状记忆合金(SMA)本构模型的积分算法,使其能适用于发生较大转动变形的问题。据此编制了ABAQUS用户子程序UMAT,对SMA弹簧拉伸和"三点弯"等发生较大转动的问题进行了模拟。结果表明,修正算法可减小结构在发生较大转动变形时采用小变形本构模型计算带来的误差,提高计算过程的收敛速度与稳定性。采用本文的修正算法模拟了Ni Ti SMA的大变形拉伸伪弹性和塑性、SMA板的大挠度弯曲伪弹性和SMA弹簧的大变形拉伸伪弹性行为,结果与试验和其他研究者的计算结果吻合较好,证明了该修正算法的有效性。     

基于UMAT的形状记忆合金驱动波纹板结构的数值分析

形状记忆合金SMA主动驱动波纹板效率高，且性能稳定，在设计自适应智能结构上具有可观的前景。为有效利用有限元法对SMA波纹板结构进行计算分析，基于已有SMA本构模型推导了增量型SMA本构模型，据此编写了可由ABAQUS调用的用户材料（UMAT）子程序；利用该UMAT子程序对SMA主动驱动波纹板结构进行了数值模拟计算，与实验结果的对比验证了计算结果的有效性；在SMA波纹板原始结构基础上，提出了SMA短带错落布置型新结构，并进行了数值模拟分析与验证；提出了新结构的温度控制方案和提高驱动效果的措施，可为SMA驱动波纹板驱动器的设计与应用提供参考与借鉴。     

A viscoplastic study of crack-tip deformation and crack growth in a nickel-based superalloy at elevated temperature

Viscoplastic crack-tip deformation behaviour in a nickel-based superalloy at elevated temperature has been studied for both stationary and growing cracks in a compact tension (CT) specimen using the finite element method. The material behaviour was described by a unified viscoplastic constitutive model with non-linear kinematic and isotropic hardening rules, and implemented in the finite element software ABAQUS via a user-defined material subroutine (UMAT). Finite element analyses for stationary cracks showed distinctive strain ratchetting behaviour near the crack tip at selected load ratios, leading to progressive accumulation of tensile strain normal to the crack-growth plane. Results also showed that low frequencies and superimposed hold periods at peak loads significantly enhanced strain accumulation at crack tip. Finite element simulation of crack growth was carried out under a constant ΔK-controlled loading condition, again ratchetting was observed ahead of the crack tip, similar to that for stationary cracks.A crack-growth criterion based on strain accumulation is proposed where a crack is assumed to grow when the accumulated strain ahead of the crack tip reaches a critical value over a characteristic distance. The criterion has been utilized in the prediction of crack-growth rates in a CT specimen at selected loading ranges, frequencies and dwell periods, and the predictions were compared with the experimental results.     

湿热环境对挖补修理后复合材料层合板振动特性的影响

通过对湿热环境下阶梯挖补胶接修理后碳纤维/双马树脂(T300/QY8911)层合板振动特性的分析,探究了挖补修理后碳纤维/双马树脂层合板在不同湿热效应下的振动特性。基于Mindlin-Reissner板理论与最小势能变分原理,在考虑湿热效应前提下,推导了正交各向异性复合材料层合板的本构关系及四边简支条件下的自由振动控制方程;其次,利用ABAQUS软件建立了三维黏弹性有限元挖补修理模型,应用Fortran语言将湿热耦合下的应力-应变本构关系编入UMAT二次开发文件中,采用三维八节点五自由度等参单元进行了离散。通过与参考文献对照,验证了胶接修理后T300/QY8911层合板有限元模型和编译的湿热环境下UMAT子程序的合理性与有效性。算例结果表明:湿热环境对挖补修理后层合板固有频率的影响比对完整层合板严重;温度对材料性能的影响大于湿度;相比于材料性能变化对振动特性的影响,湿热残余应力对胶接修理后层合板振动特性的影响占主导;参考环境下,胶接修理后层合板的固有频率增大;湿应力对层合板固有频率的影响大于热应力。     

循环硬化材料本构模型的隐式应力积分和有限元实现

针对新发展的、能够描述循环硬化行为应变幅值依赖性的粘塑性本构模型,讨论了它的数值实现方法。首先,为了能够对材料的循环棘轮行为（Ratcheting）和循环应力松弛现象进行描述,对已有的本构模型进行了改进;然后,在改进模型的基础上,建立了一个新的、全隐式应力积分算法,进而推导了相应的一致切线刚度（Consistent Tangent Modulus）矩阵的表达式;最后,通过ABAQUS用户材料子程序UMAT将上述本构模型进行了有限元实现,并通过一些算例对一些构件的循环变形行为进行了有限元数值模拟,讨论了该类本构模型有限元实现的必要性和合理性。     

基于刚度损伤并考虑强度退化的钢筋模型

Clough本构广泛应用于现浇节点的滞回模拟中,针对原始Clough本构中的应力可能会超出材料自身极限强度的问题,提出了一种根据节点刚度损伤来推导钢筋本构的算法。该算法依次建立现浇节点刚度退化与构件中钢筋模量退化间的关系及梁端位移角与钢筋应变的关系,根据以上关系建立钢筋强度退化的表达式,并得到钢筋的本构模型。使用Fortran语言编写自定义纤维单元材料子程序,利用有限元软件ABAQUS进行两个算例验证,得到的模拟滞回曲线具有捏缩现象,形状与试验吻合良好,耗能和延性等方面可与试验接近,在峰值点位移角的预测方面也具备一定的优势,同时,本构在二维和三维模型中均有良好的收敛性,且精度较高,可以应用于实际工程中。     

SUPER-ELASTIC CONSTITUTIVE MODEL CONSIDERING PLASTICITY AND ITS FINITE ELEMENT IMPLEMENTATION

Based on the experimental results of super-elastic NiTi alloy, a three-dimensional super-elastic constitutive model including both of stress-induced martensite transformation and plasticity is constructed in a framework of general inelasticity. In the proposed model, transformation hardening, reverse transformation of stress-induced martensite, elastic mismatch between the austenite and martensite phases, and temperature-dependence of transformation stress and elastic modulus of each phase are considered. The plastic yielding of martensite occurred under high stress is addressed by a bilinear isotropic hardening rule. Drucker-Prager-typed transformation surfaces are employed to describe the asymmetric behavior of NiTi alloy in tension and compression. The prediction capability of the proposed model is verified by comparing the simulated results with the correspondent experimental ones. Based on backward Euler＇s integration, a new expression of consistent tangent modulus is derived. The proposed model is then implemented into a finite element package ABAQUS by user-subroutine UMAT. Finally, the validity of such implementation was verified by some numerical samples.     

A plasticity and anisotropic damage model for plain concrete

A plastic-damage constitutive model for plain concrete is developed in this work. Anisotropic damage with a plasticity yield criterion and a damage criterion are introduced to be able to adequately describe the plastic and damage behavior of concrete. Moreover, in order to account for different effects under tensile and compressive loadings, two damage criteria are used: one for compression and a second for tension such that the total stress is decomposed into tensile and compressive components. Stiffness recovery caused by crack opening/closing is also incorporated. The strain equivalence hypothesis is used in deriving the constitutive equations such that the strains in the effective (undamaged) and damaged configurations are set equal. This leads to a decoupled algorithm for the effective stress computation and the damage evolution. It is also shown that the proposed constitutive relations comply with the laws of thermodynamics. A detailed numerical algorithm is coded using the user subroutine UMAT and then implemented in the advanced finite element program ABAQUS. The numerical simulations are shown for uniaxial and biaxial tension and compression. The results show very good correlation with the experimental data.     

Constitutive relations for calculating the processes of quasistatic deformation,damage, and fracture of bodies (Including those with concentrators) made of filled polymer materials

We study composite polymer materials with a high degree of dispersion filling (several tens of percent in volume). A tensor generalization of the previously developed variant of the geroendochronic theory of viscoelastic materials is obtained, which allows us to pose and solve initialboundary value problems using this model. A numerical solution algorithm is proposed, which is realized as the UMAT subroutine for the ABAQUS finite element software package.