一种陶瓷脆性材料动态本构参数的计算反求方法

提出了一种利用反射波和透射波响应反求陶瓷脆性材料动态材料本构参数的方法.通过数值模拟分析哑铃形试件在加载和测试中能有效地消除动态应力波的应力集中,从而得到有效的动态压缩强度,因此该文利用哑铃形得到的可靠反射波和透射波响应做反求输入信息.应用遗传算法,根据反射波和透射波响应反求材料本构参数,避免了应力波效应和应变率效应解耦的问题,不必分离结构响应和材料响应,从而快速地获取参数.     

用HJC本构模型模拟混凝土SHPB实验

运用Holmquist-Johnson-Cook (HJC) 本构模型对混凝土的SHPB实验进行了数值模拟。解决了罚函数算法中罚因子合理数值的选取问题。利用模拟结果按SHPB两波法重构了试样的应力应变曲线。分析了混凝土材料的SHPB实验得到应力应变曲线的有效段范围和各段的力学规律。通过比较实际混凝土材料SHPB实验和数值模拟得到的应力应变曲线，发现两者体现的力学行为很相似，即HJC模型是描述该类材料的一种合理本构模型。模拟了试样不同平行度公差下的SHPB实验，发现在一定应变率范围内其影响程度远大于试样应力(应变)不均匀性。     

粘塑性薄壁管中复合应力波的传播特性研究

以本构关系一般理论为基础,导出了计及材料功硬化效应和应变率硬化效应的粘塑性薄壁管的本构关系及管中复合应力波的控制方程,应用有限差分方法研究了在压扭复合冲击载荷作用下粘塑性薄壁管中复合应力波的传播特性与演化规律,分析了复合应力波的耦合效应以及薄壁管中粘塑性参数和功硬化效应对复合应力波传播与演化规律的影响,并对有关现象进行了分析和解释。     

实现材料高应变率拉伸加载的爆炸膨胀环技术

设计了新型的爆炸膨胀环实验加载装置，加载装置中采用爆炸丝线起爆方式，避免了传统装置中对碰爆轰波加载时的应力不均匀性。利用新型的爆炸膨胀环实验技术研究了无氧铜材料的动态性能，利用激光位移干涉仪测量了试样环的径向速度历史，处理数据获得了无氧铜材料的流动应力-塑性应变-应变率的关系，为进一步利用爆炸膨胀环实验技术研究材料在高应变率拉伸加载时的本构关系奠定了基础。     

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。     

应变率历史对应力应变曲线的影响

利用普通SHPB实验系统、双试件SHPB实验系统，对一特种钢材进行了不同应变率历史的动态压缩实验，获得了不同应变率历史所对应的应力应变曲线。通过量化平均应变率相同的情况下不同应变率历史所对应的应力应变曲线的差别，以及量化应变率历史的恒定程度，初步分析了应变率历史对应力应变曲线的影响。研究结果表明:特别是在较高平均应变率下，应变率历史对试件材料的应力应变曲线有明显的影响，在材料动态本构关系研究中应当考虑应变率历史的影响。     

爆炸力学数值模拟中本构建模问题的讨论

就爆炸力学数值模拟中的本构建模问题的有关内容作了讨论,包括:波传播研究与材料的动态特性研究的相互依赖、容变律与畸变律的解耦与耦合、率型本构关系与失效准则、应变率效应与温度效应的等效性、加载本构关系与卸载本构关系以及流变过程与损伤演化过程的耦合等,并展望了今后的有关发展动向。     

一种新形式的钢纤维混凝土冲击动态本构关系及材料参数的确定

采用?75 mm大口径SHPB系统进行了钢纤维体积率为0%、0.75%、1.5%三种混凝土材料动态性能实验，得出了不同钢纤维含量、不同应变率下的材料应力-应变关系曲线，实验结果表明:随着纤维含量及应变率的增加，钢纤维混凝土材料的峰值应变、峰值应力都随之提高，并在峰值应力之后出现应力的应变软化现象。以此实验结果为基础，提出了一种依赖于应变和应变率相关函数的新型非线性黏塑性动态本构关系，并通过对实验曲线的三步逐次最小二乘优选模拟，得到了相应的材料参数。结果表明，该本构关系对实验数据的模拟效果较好。     

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。     

平板撞击下C30混凝土中冲击波的传播特性

采用1级气炮加载技术和锰铜应力计多点测试技术,开展了C30混凝土在平板撞击条件下的冲击压缩实验研究。基于锰铜应力计实测的应力波形,研究了混凝土中冲击波的传播特性,结果显示冲击波的应力峰值随传播距离呈现明显的衰减特性,衰减过程可分为2个阶段。在早期阶段,卸载波没有赶上前面传播的冲击波,冲击波应力峰值衰减较慢,主要是混凝土材料的本构粘性效应所引起的;而后期阶段应力峰值的快速衰减则归因于混凝土材料的本构粘性效应、后续的来自飞片自由面的反射波追赶卸载、边侧稀疏波卸载及波传播的几何弥散效应的共同作用;另外,冲击波在混凝土中传播的升时也随着传播距离逐渐增大,即由强间断波逐渐转化为弱间断波。     

含损伤材料的热粘塑性本构关系及其应用

对含损伤材料的热粘塑性本构关系进行了较全面和较系统的研究。首先对半径回归方法的本构公式给出了最一般性的严格证明,并讨论了其适用性和局限性。接着以应力空间中的屈服函数和Drucker公设为基础,以材料本构关系的内变量理论为工具,推导并建立了增量型热粘塑性本构关系的普适形式和计算流程。然后结合实践中最常用的几类本构模型,导出了所建立的增量型动态本构关系的具体形式,并简要总结了其各自的特点和意义。最后通过一些典型的波传播和高速冲击问题的算例,介绍了所建立的本构关系及计算方法的具体应用情况和效果,从而展示了其理论意义和应用前景。     

Wave patterns in a nonclassic nonlinearly-elastic bar under Riemann data

Recently there has been interest in studying a new class of elastic materials, which is described by implicit constitutive relations. Under some basic assumption for elasticity constants, the system of governing equations of motion for this elastic material is strictly hyperbolic but without the convexity property. In this paper, all wave patterns for the nonclassic nonlinearly elastic materials under Riemann data are established completely by separating the phase plane into twelve disjoint regions and by using a nonnegative dissipation rate assumption and the maximally dissipative kinetics at any stress discontinuity. Depending on the initial data, a variety of wave patterns can arise, and in particular there exist composite waves composed of a rarefaction wave and a shock wave. The solutions for a physically realizable case are presented in detail, which may be used to test whether the material belongs to the class of classical elastic bodies or the one wherein the stretch is expressed as a function of the stress.     

基于深度学习和细观力学的颗粒材料本构关系研究

颗粒材料的本构关系对岩土工程等众多领域至关重要. 不同于传统的唯象本构理论, 本文基于机器学习模型探索了一种细观力学理论指导下的数据驱动型颗粒材料本构关系预测方法. 根据Vogit均质化假设, 建立了小应变条件下颗粒材料应力?应变解析关系, 此关系唯一地确定了一组与颗粒材料本构行为相关的细观组构变量. 这些变量与反应颗粒材料宏观性质的主应力和主应变信息通过一系列离散元三轴压缩数值试验获得. 考虑到细观组构变量为内变量, 不能直接作为本构模型的输入. 本文基于有向图方法将颗粒材料微观结构信息隐式地包含在应力?应变的预测当中, 并采用门控循环单元(GRU)循环神经网络作为基础深度学习模型描述有向图中结点之间的映射关系. 通过将有向图从目标节点沿源节点展开, 整个应力?应变预测模型可由两个神经网络分别训练并组装而成. 将训练后的深度学习模型在全新的数据集上进行测试, 结果表明该训练策略能有效捕捉到颗粒材料在常规三轴任意加卸载, 等中主应力系数b的真三轴加载, 和等平均有效应力p的真三轴加卸载等复杂多轴加载工况下的应力?应变响应关系, 模型具有良好的内插和外推预测能力. 考虑到深度学习模型捕捉颗粒材料力学响应的能力及其开放式学习的特点, 充分结合数据驱动方法和理论本构模型可能是颗粒材料本构研究的一个重要方向.      

磁致伸缩材料的非线性本构关系

给出了磁致伸缩材料的两个非线性本构关系,即标准平方型和双曲正切型。在确定一维问题的本构系数时,基于已有的实验结果,引进一个材料函数,用来描述磁致伸缩材料的压磁系数随预应力变化的关系。将非 线性本构关系的理论模型计算结果与实验曲线对比,结果表明标准平方型本构关系在中低磁场下能精确地模拟实验曲线,而双曲正切型本构关系在高磁场时能反映材料的磁致应变饱和现象。讨论了在标准平方型本构的一般三维情形,给出了确定本构系数的方法。     

爆炸/冲击动力学学习研究中的若干疑惑

在爆炸/冲击动力学的学习研究过程中,“疑惑”是创新的前奏。本文中,与大家分享了我所经历的若干实例,包括:静力学平衡条件可以用于波传播分析吗？满足屈服条件（σ_eff=Y）就一定进入塑性了吗？ZWT方程的黏弹性松弛时间θ₁和θ₂为什么互相无关？有质量就有惯性吗？材料动态本构响应要考虑惯性效应吗？层裂是材料动态响应问题还是结构动态响应？塑性铰分析与波传播分析有相通的内在联系吗？     

饱和土中爆炸波传播问题的数值模拟

应用流体弹塑性力学的框架描述了爆炸荷载作用下饱和土介质的本构模型,包括体积压缩关系和强度关系。应用LS-dyna软件分析了三相饱和土介质中的爆炸波传播及其与结构的相互作用问题,并与先前完成的试验结果进行了对比,两者吻合较好。饱和土中爆炸波传播的一些特殊现象被重现,表明本构模型的描述是可行的。     

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。     

On the Formation of Discontinuities of Wave Fronts in a Saturated Granular Body

The paper deals with propagation of plane wave fronts in a solid with a non-linear relation between stress and deformation. The objective is to calculate the distance that a wave front covers before it loses continuity. The formulae derived for a general quasi-linear system of two equations are applied to the propagation of plane compression waves in dry and partially saturated granular bodies. In the case of a saturated body with gas bubbles, the influence of gas and capillary pressure on the stiffness of the body is taken into account. Numerical calculations relevant to soil mechanics are presented. For the numerical calculations a constitutive equation of the hypoplasticity theory for granular materials has been used. Received November 1, 1997     

Acoustomechanical constitutive theory for soft materials

Acoustic wave propagation from surrounding medium into a soft material can generate acoustic radiation stress due to acoustic momentum transfer inside the medium and material, as well as at the interface between the two. To analyze acoustic-induced deformation of soft materials, we establish an acoustomechanical constitutive theory by com-bining the acoustic radiation stress theory and the nonlinear elasticity theory for soft materials. The acoustic radiation stress tensor is formulated by time averaging the momen-tum equation of particle motion, which is then introduced into the nonlinear elasticity constitutive relation to construct the acoustomechanical constitutive theory for soft materials. Considering a specified case of soft material sheet subjected to two counter-propagating acoustic waves, we demonstrate the nonlinear large deformation of the soft material and ana-lyze the interaction between acoustic waves and material deformation under the conditions of total reflection, acoustic transparency, and acoustic mismatch.