梯度多孔材料单轴压缩弹塑性变形的宏微观数值分析

针对闭孔的密度梯度多孔材料,建立含球形孔洞的三维数值分析模型,研究其单轴压缩力学行为。首先,研究密度梯度对多孔材料宏观力学行为(如弹性模量和屈服强度)的影响;其次,研究密度梯度与材料局部力学性能的关系,得到了沿梯度方向弹性模量和屈服强度的分布规律;最后,讨论梯度多孔材料单轴压缩变形局部化机制。结果表明:当梯度材料与均质材料的总体相对密度相同时,梯度材料的宏观弹性模量和屈服强度均低于均质材料水平,其宏观应力-应变关系曲线降低;梯度多孔材料沿梯度方向的力学性能发生急剧变化,等效弹性模量沿梯度方向呈线性分布,屈服强度呈非线性曲线分布,导致沿梯度方向应力、应变呈现高度的不均匀性;多孔材料的变形局部化产生于孔隙率较大的薄弱位置,再逐渐向孔隙率较小的位置发展。由此可知,孔隙率的梯度变化影响多孔材料的力学性能,通过改变孔隙率的分布可实现材料预期的力学性质。     

三维DIC在铸铁拉伸试验中的应变测量精度研究

基于三维数字图像相关方法(3D-DIC)的拉伸实验研究了铸铁的拉伸力学性能,分别得到了应力—应变曲线、弹性模量、抗拉强度、延伸率等拉伸力学性能参数.将3D-DIC应力—应变的测试结果与目前实验中使用广泛的接触式引伸计方法的实验结果作了对比,得到两者的应力—应变曲线基本重合,弹性模量相差不超过4%.此外,还对3D-DIC和机械引伸计的应变绝对误差和相对误差作了详细比较,实验表明3D-DIC在铸铁拉伸力学性能测试中具有足够的应变测量精度,完全可以取代传统引伸计成为一种有效的非接触式变形测量手段.     

典型非金属材料的动静态应力-应变曲线测量

为测试聚碳酸酯(PC)和聚甲醛(POM)两种工程材料在中、低应变率下的动静态拉伸力学性能,本文采用液压伺服加载设备结合数字图像相关方法(DIC)进行了试验研究,测量得到了动静态应力-应变曲线。结果表明,PC材料断裂应力具有较强的应变率敏感性,适用于吸能构件;POM材料断裂应力应变均具有较强的应变率敏感性,适用于结构性构件。结合微观结构图像,分析其拉伸过程中细微观结构变化,为典型粘弹塑性材料(PC)和脆性材料(POM)宏观力学行为提供了微观解释。本文试验曲线为这类材料结构的数值仿真分析提供了试验数据。     

基于三维DIC方法的高强钢拉伸力学性能测定

高强度钢在建筑等工程领域发挥着极为重要的作用,因此准确测定其力学性能具有至关重要的意义.鉴于传统机械引伸计在小尺寸试样变形测试中的不便性,利用三维数字图像相关(3D-DIC)方法,对8.8级螺栓和Q690钢这两类试样在单轴拉伸试验全过程中的变形进行了测试,分别得到了应力—应变曲线、弹性模量、屈服强度、强度极限、断后延伸率和断面收缩率,由于试样在屈服阶段应变增加而应力基本不变,因此同时研究了该阶段中试样从弹性变形演化到塑性变形的发展规律.实验结果表明三维DIC在小尺寸试样力学性能测试方面具有很强的优越性,可用来灵活地测量变形并研究变形的演化规律.     

基于试验与有限元耦合技术的延性材料全程单轴本构关系获取方法

摘 要: 材料拉伸直至断裂的全程单轴本构关系对材料大变形和断裂机理研究具有重要意义。传统拉伸试验获取的材料真应力-真应变曲线在试样颈缩后不可测。借助可以精确测量三维变形的DIC(Digital image correlate) 技术和有限元分析技术(Finite element analysis),本文提出了基于漏斗试样拉伸试验获取材料全程单轴本构关系的新方法,即TF(Test and FEA)方法。该方法将TF方法获取的材料全程单轴应力应变关系曲线作为有限元软件中的材料本构关系对漏斗试样拉伸变形过程进行模拟,其模拟载荷-位移曲线、漏斗根部直径-位移曲线和漏斗变形轮廓线等均与试验结果吻合良好,试样表面模拟应变也与DIC测试结果吻合, 根据不同半径漏斗试样模拟获得的全程真应力-真应变曲线保持良好一致性。最后,还对试样颈缩断面的力学行为进行了讨论,并给出了304不锈钢、汽轮机叶片材料2Cr12Ni4Mo3VNBN和 1Gr12Ni3Mo2VN、汽轮机转子材料30Cr2Ni4MoV的全程单轴本构关系模型参数、破断应力和破断应变。     

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 (backpropagation)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.     

火焰复合层对化学交联聚乙烯发泡材料力学性能的影响

化学交联聚乙烯发泡材料(Cross-linked polyethylene,XPE)具有优异的物理、化学与力学性能,被广泛应用于工业领域。本文通过对不同层数的XPE发泡材料进行加载-卸载试验与压缩循环试验,得到不同层数XPE发泡材料的应力-应变曲线,获得了弹性区与平台区分界点的应力与应变、平台区与强化区应力的数量关系。通过计算得出应力-应变环的面积,发现其能量耗散能力随加载次数增加呈现下降趋势。结果表明,单层XPE发泡材料的弹性区与平台区弹性极限应变、临界应力强度和应力环面积等性质与多层材料相比差别显著,而多层材料间力学性能的差异微小。这些特征表明,火焰复合层自身具有较大的刚度并对发泡材料孔壁有较强的约束,改善了XPE发泡材料的刚度、弹性模量及耗能能力等。     

Al2O3陶瓷材料应变率相关的动态本构关系研究

采用改进的SHPB实验方法对Al2O3陶瓷的动态力学性能进行了研究,得到了材料在较高应变率范围内的动态应力应变曲线。结果表明,Al2O3陶瓷为弹脆性材料,其动态应力应变呈非线性关系,在较高的应变率范围内,陶瓷材料的动态应力应变关系是应变率相关的;材料的初始弹性模量、破坏应力、破坏应变值随应变率的增大而增大。基于损伤力学的基本理论,给出了Al2O3陶瓷的一维损伤型线性弹脆性本构模型。根据SHPB实验结果确定模型中的参数,得到了Al2O3陶瓷应变率相关的损伤型动态本构方程。     

基于改进Drucker-Prager准则的GFRP管约束高强混凝土短柱单轴压缩分析模型

针对玻璃纤维增强聚合物(glass fiber reinforced polymer, GFRP)管约束高强混凝土短柱的受力特点，及传统Drucker-Prager (D-P)准则存在拉剪区偏大的问题，提出了一种改进的D-P型塑性约束高强混凝土短柱单轴压缩分析模型，其考虑GFRP管约束效应相关的混凝土硬化/软化规律和非关联流动准则，以提高GFRP管约束高强混凝土短柱单轴压缩下轴向和环向应力-应变曲线的预测精度。该模型在ANSYS软件中实现了GFRP管约束高强混凝土短柱力学性能的计算模拟，并与试验结果的对比表明：两者的应力-应变曲线吻合较好，提出的分析模型合理可靠。此研究可为GFRP管约束高强混凝土的设计提供理论参考。     

多相机3D-DIC及其在高温变形测量中的应用

将基于双目视觉的三维数字图像相关方法 (Three-dimension digital image correlation,3D-DIC)与多相机同步采集系统相结合,形成基于多相机的3D-DIC系统。依据三维空间误差(Three-dimensional residual,3Dresidual)最小原则,确定各点对应的最佳双目视觉系统,获得物体全场三维变形。以四相机3D-DIC系统为例,与测量精度达10~20nm的电子散斑干涉测量系统同时对平板的离面位移进行测量,并对测量得到的离面位移最大值进行了对比分析。结果显示,荷载较小时,四相机3D-DIC与电子散斑干涉测量系统误差稍大,最大达到2.7%;荷载增大,物体变形增大时,两种测量系统结果基本相同。文中讨论了四相机测量系统的不稳定对实验结果的影响。利用该四相机3D-DIC系统对镍合金不锈钢材料在高温场中的变形进行测量,获得了物体的三维变形场,并分析了材料的膨胀系数,得到了试件的热应变-温度曲线和膨胀系数随温度变化的关系式。     

Membrane Curvatures and Stress-strain Full Fields of Axisymmetric Bulge Tests from 3D-DIC Measurements. Theory and Validation on Virtual and Experimental results

The bulge test is mostly used to analyze equibiaxial tensile stress state at the pole of inflated isotropic membranes. Three-dimensional digital image correlation (3D-DIC) technique allows the determination of three-dimensional surface displacements and strain fields. In this paper, a method is proposed to determine also the membrane stress tensor fields for in-plane isotropic materials, independently of any constitutive equation. Stress-strain state is then known at any surface point which enriches greatly experimental data deduced from the axisymmetric bulge tests. Our method consists, first in calculating from the 3D-DIC experimental data the membrane curvature tensor at each surface point of the bulge specimen. Then, curvature tensor fields are used to investigate axisymmetry of the test. Finally in the axisymmetric case, membrane stress tensor fields are determined from meridional and circumferential curvatures combined with the measurement of the inflating pressure. Our method is first validated for virtual 3D-DIC data, obtained by numerical simulation of a bulge test using a hyperelastic material model. Afterward, the method is applied to an experimental bulge test performed using as material a silicone elastomer. The stress-strain fields which are obtained using the proposed method are compared with results of the finite element simulation of this overall bulge test using a neo-Hookean model fitted on uniaxial and equibiaxial tensile tests.     

The Application of a Digital Computer to Mechanical Testing

A digital computer is being used to record raw data and to provide automatic data calculations for mechanical tests. The computer which is connected through an analog-digital converter to a universal testing machine and to a torsion tester, stores the raw loadstrain data, converts it to stress-strain data, and calculates any of the mechanical properties desired from the test. The computer can also provice a printout and a paper tape, both of which contain the stress-strain data points and the calculated data. In addition, the loadstrain data that are normally obtained from the test machine are still available. An oscilloscope display is obtained as the data are being recorded. Tests which are presently being performed using the computer are: tensile, compression, pin bearing, double shear and torsion. Data which are being recorded include: ultimate strength, offset yield strength, elastic and shear moduli, energy under the stress-strain curve, and a mathematical expression for the stress-strain curve. In addition to the mechanical load-strain curve provided by the test machine, the computer can provide a stressstrain curve and a listing of stress-strain data points.     

聚氨酯(PU)在力学性能测试中的摩擦效应与变形均匀性研究

作为防弹玻璃夹层材料,PU的动态力学性能一直受到学者们的关注。为准确表征其动态力学性能,本文采用ABAQUS有限元软件对不同摩擦系数下的单轴压缩试验进行数值仿真,分析试样加载端面的摩擦效应和几何尺寸对单轴压缩试验结果的影响;结合高速摄影技术(HSP)与数字图像相关技术(DIC)观测到试样在拉伸试验中的动态变形场和应变场,探讨标距段的应力均衡性;同时对PU材料在不同应变率下的单轴压缩、拉伸力学性能进行测试。结果表明:压缩试样的端面摩擦效应限制横向变形,影响了试样内部的受力分布,使得测量得到的应力值偏大;试样长径比越小,端面摩擦效应的影响越大;在单轴动态拉伸试验中,板状拉伸试样的标距段选取应当考虑两端倒角尺寸。通过测试PU的拉、压力学性能,发现材料具有显著的应变率敏感性。     

单向连续竹纤维增强聚合物的拉伸性能

描述了一种单向连续竹纤维增强聚合物试件的制作工艺过程:研究了该型竹纤维增强复合材料的拉伸力学性能。将该性能与单向连续玻璃纤维增强聚合物的拉伸力学性能进行了比较,发现竹纤维增强聚合物的拉伸模量要明显高于玻璃纤维增强聚合物的对应值,而其拉伸强度和玻璃纤维增强聚合物的相当。同时发现竹纤维增强聚合物的纵向延展性较小,呈现一次性单界面脆性断裂状况,相对地,连续玻璃纤维增强聚合物的拉伸断裂是多次多界面分段断裂。     

服役导线的力学性能退化研究

为更清楚地了解阳江35kV服役导线的运行状态,从分析导线断线原因出发,通过对老旧导线的单丝断裂强度、弹性模量、应力应变曲线、拉断力、抗拉强度等综合指标的测试与分析,研究服役导线的力学性能,由试验结果得出:35kV老旧导线钢芯的直径变化对于架空导线的外径变化有直接的影响,老旧导线的铝线直径变化较小,其外径增大1.67%~4.24%;钢单线的拉断应力仍能达到标准中规定值的106%,且伸长率也满足要求;部分铝线的抗拉强度低于95%;绞线拉断力仍能达到95%的计算拉断力。但是相同规格下的老旧导线的抗拉强度比新导线的抗拉强度低2%~18%。结果表明:阳江地区服役三十年以上的老旧导线在力学性能上仍能继续承载。     

基于ASME应变限制准则的小冲杆试验等效断裂应变

为更清楚地了解阳江35kV服役导线的运行状态,从分析导线断线原因出发,通过对老旧导线的单丝断裂强度、弹性模量、应力应变曲线、拉断力、抗拉强度等综合指标的测试与分析,研究服役导线的力学性能,由试验结果得出：35kV老旧导线钢芯的直径变化对于架空导线的外径变化有直接的影响,老旧导线的铝线直径变化较小,其外径增大1.67％~4.24％;钢单线的拉断应力仍能达到标准中规定值的106%,且伸长率也满足要求;部分铝线的抗拉强度低于95%;绞线拉断力仍能达到95%的计算拉断力。但是相同规格下的老旧导线的抗拉强度比新导线的抗拉强度低2%~18%。结果表明：阳江地区服役三十年以上的老旧导线在力学性能上仍能继续承载。     

三维五向编织复合材料渐进损伤分析及强度预测

基于五向编织复合材料连续体细观结构单胞,提出了材料的三维渐进损伤分析模型,采用非线性有限元方法并结合均匀化平均思想,建立了三维五向编织复合材料的强度预测胞元模型.经研究典型编织角材料在拉伸载荷作用下细观损伤的发生及演化过程,分析了材料的细观失效机理,获得了材料的宏观拉伸应力应变曲线和极限破坏强度,并详细探讨了工艺参数编织角对材料宏观力学性能的影响规律.     

热障涂层高温失效行为的正射投影-单相机三维数字图像相关实验研究

热障涂层(Thermal Barrier Coating,TBC)作为一种隔热材料,可降低发动机高温部件的表面温度,提高涡轮发动机的整体性能。涂层服役过程中,TBC陶瓷层的失效将导致高温部件中的金属基底直接暴露于恶劣的高温环境中,严重影响发动机的安全性。其高温服役环境下的力学性能研究是备受材料和力学工作者关注的问题。本文结合热障涂层高温检测的需求,实现了涂层-基底异质表面的高对比度高温散斑制作;发展了正射投影-单相机三维数字图像相关方法(正射投影-单相机3DDIC),构建了跨界面形函数,实现了涂层与基底的三维形貌及位移、应变的同时测量;基于涂层结构的高温拉伸实验结果,建立了依据涂层-基底应变方差差值的涂层失效判断方法,得到了热障涂层在室温(27℃)至1000℃的断裂极限应变。实验结果表明,正射投影-单相机3DDIC方法作为一种可靠测试方法,可以应用于涂层结构高温下的力学失效行为研究。