循环荷载作用下聚丙烯纤维再生混凝土受压性能试验研究

为研究循环荷载作用下聚丙烯纤维再生混凝土(PFRAC)的力学性能，以粗骨料取代率、纤维掺量、加载速率为变化参数，设计了78个圆柱体试件进行单轴循环受压试验。通过试验观察PFRAC的破坏形态，获取了应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变、刚度退化等重要指标，研究了不同变化参数对其力学性能指标的影响规律，得到了循环荷载作用下聚丙烯纤维对再生混凝土的阻裂机理。结果表明：循环荷载作用下PFRAC主要发生斜向劈裂破坏；随着聚丙烯纤维掺量的增加，试件表面主裂缝宽度减小；循环荷载下PFRAC试件受压应力-应变曲线包络线与单调受压应力-应变曲线相似；聚丙烯纤维的加入可显著改善PFRAC循环荷载下的力学性能，随着纤维掺量的增加，峰值应力、弹性刚度比先增大后减小；纤维掺量为0.9%时的纤维改性效果最优，峰值应力和峰值刚度比分别提高了4.4%和7.4%。     

不同应变率下聚乙烯材料的压缩力学性能

为了研究聚乙烯材料在不同应变率下的压缩力学性能，通过准静态实验和动态实验获得聚乙烯材料不同应变率下的应力应变曲线，分析发现:聚乙烯的弹性模量和屈服强度随应变率增大而增大，具有明显的黏弹塑性；聚乙烯材料进入塑性阶段，其应力应变曲线在不同应变率下具有相近的变化趋势，即塑性切向模量近似相同。根据聚乙烯材料的压缩力学性能，建立了弹性区、屈服点和塑性区的分段本构模型。该模型的屈服点和塑性段与实验结果吻合较好，由于弹性段采用线弹性模型，与实验结果存在一定偏差，可近似描述材料的弹性行为。     

63Sn-37Pb钎料合金在非比例循环加载下的非弹性流动特性研究

基于63Sn-37Pb钎料舍金在多种非比例应变循环加载下的实验结果,通过考察材料的非弹性应变率与偏应力之间的夹角随累积非弹性应变的变化规律,对63Sn-37Pb钎料合金的非弹性流动特性进行了定量分析。分析结果显示：在相同的非比例加载路径下,当加载等效应变幅值相同时,等效应变率越高,非弹性应变率与偏应力之间夹角平均水平越低,当等效应变率相同时,等效应变幅值越大,相应的夹角平均水平越低;在保持时间范围内,非弹性应变率方向与偏应力方向趋于一致;当非比例路径形状不同时,其非弹性应变率与偏应力之间的夹角随累积非弹性应变的变化趋势明显不同。研究表明,材料的非弹性流动特性强烈依赖于等效应变幅值、等效应变率、保持时间、非比例路径形状。     

硬质聚氨酯泡沫力学特性的静水压力加载实验方法研究

泡沫材料在多轴载荷下的力学性能是工程中非常关心的问题。利用土壤的三轴压缩试验装置,通过试验方法的改进,提出了一种体应变测定和修正的方法,对硬质聚氨酯泡沫材料的静水压力特性进行了研究,得到了一些有价值的数据和结论。研究表明:在准静态静水压加载条件下,该材料的应力-应变曲线明显地分为弹性段、塑性段和压实段,且屈服强度比单向压缩时略大、压实应变略小。最后通过不同高度的试样对比试验,对聚氨酯泡沫材料的不均匀变形和弯曲的原因进行了分析和比较,指出了试验时应该注意的问题。     

猪肝动态力学性能及本构模型研究

在交通事故中,腹部器官常因冲击载荷作用而受到伤害,严重时甚至危及生命.肝损伤是腹部损伤中最为常见的一种,致死率很高,了解肝脏的动态力学性能对于事故中肝脏的损伤评估及防护设计有着重要的意义.从新鲜的猪肝组织中取肝实质部分制作试样,利用英斯特朗材料试验机对其进行两种加载率(0.004 s~(-1),0.04 s~(-1))和两种加载方向(垂直肝脏表面和平行于肝脏表面)的准静态压缩试验,并压缩至破坏.利用改进的分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)实验装置沿平行于肝脏表面方向进行三种高应变率(1 300 s~(-1),2 400 s~(-1),4 500 s~(-1))的动态压缩试验.结果表明:所有应变率下的猪肝压缩应力应变曲线都呈非线性凹向上特征,初始阶段应力值很低,应变约30%后应力幅值显著增大;准静态压缩时,两种应变率(0.004 s~(-1),0.04 s~(-1))和两种加载方向下肝脏组织破坏应力和破坏应变等力学性能无显著不同,平均破坏应变为48%,平均破坏应力为0.45 MPa.高应变率下肝脏组织的流动应力明显高于准静态下的流动应力,表现出一定的率敏感性.采用Yeoh型超弹性本构模型描述猪肝组织准静态力学性能,基于黏超弹性模型理论,提出了一个能描述肝脏组织从低应变率到高应变率范围力学性能的率相关本构模型,该模型与实验结果有很好的一致性.     

变温下橡胶材料力学性能的实验分析

利用Zwick020材料试验机研究了天然橡胶材料在不同温度条件下单向拉伸的大变形力学行为。得到了不同温度和不同加载速率条件下材料的应力-应变关系曲线和材料的破坏条件,由此分析了高温和低温的温度变化条件及加载速率对材料力学性能的影响,得出天然橡胶材料在大变形条件下的温度和加载速率敏感特性。同时利用实验结果拟合出材料的应变能函数,并应用热超弹性模型对材料进行了理论分析。结果表明,理论分析结果与实验结果仅在一定温度范围内吻合得较好,因为材料软化或硬化,在很高或很低的温度情况下二者有一定差别。     

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。     

形状记忆合金伪弹性行为模拟

基于对伪弹性形状记忆合金(SMA)典型应力-应变曲线的特征分析,在原Graesser本构模型中增加简洁多项式来描述SMA应力诱发马氏体相变完成后在变形马氏体相下继续加载阶段的变形特征;并引入应变幅值与混相下SMA弹性模量的关系来改进不同应变幅值下卸载时SMA的应力-应变关系,从而提出了一种新的SMA一维本构关系模拟其伪弹性力学行为。该模型对直径为0.5mm的NiTi合金丝的拉伸加载、卸载试验曲线的模拟结果表明:改进本构模型与原Graesser模型相比,其能够准确地模拟SMA在不同应变幅值下加载和卸载应力-应变关系。此外,通过研究SMA本构模型的物理关系,推导出了控制SMA滞回曲线特征的关键参数fT与相变临界应力、弹性常数之间的明确关系,可利用该关系直接确定参数fT,摆脱了只靠试算获取该参数的传统做法,其准确性得到了试验验证。     

中高应变率下EPS泡沫的冲击压缩实验

用SHPB装置对三种密度的发泡聚苯乙烯(Expanded Polystyrene,EPS)材料进行了从300/s至1400/s共五个中高应变率下的冲击压缩实验。实验中采用波分离技术有效延长应力-应变曲线的测量范围,并简要介绍了其原理和具体实施办法。所有应变率下均获得了含有弹性段、平台屈服段和压实段完整三阶段的应力-应变曲线。曲线的重复性较好,应变率基本恒定。实验结果表明,相同密度EPS泡沫应力-应变曲线的屈服平台段长度随应变率的增加而增加,且趋于平缓。在相近应变率下,随EPS泡沫的密度增加,屈服应力增加,而变形及吸能能力减弱。     

三维机织复合材料的弹性性能预报模型

建立了基于等效响应比拟技术的三维机织复合材料弹性性能预报模型．首先将三维机织物的结构单元分解为4个子元(经纱、纬纱、填充纱和接结纱),用几何模型去估算这些子元的体积分数．然后依据不同的外载形式,将复合材料的应力-应变关系等效地表达为3组诸子元所组成的三维弹簧网络．根据刚度系数的物理意义,采用不同的弹簧网络连接形式,并按体积平均化方法获得材料总体刚度矩阵中相应的刚度系数,进而计算得到三维机织复合材料的9个弹性系数．该模型考虑了层内交织经纱、层间交织接结纱的弯曲以及材料内部纯树脂区对三维机织复合材料弹性性能的影响．试验结果与模型的理论预测值进行比较,表明这个模型是有效的。     

2D编织陶瓷基复合材料应力-应变行为的试验研究和模拟

本文对2D编织陶瓷基复合材料拉伸应力-应变行为进行了试验研究和理论模拟。将2D编织结构简化为：正交铺层结构和纤维束波动结构。基于基体随机开裂、纤维随机断裂的统计分布理论,得到正交铺层结构的应力-应变关系;基于体积平均方法,将纤维束波动部分分割为若干子单元;由于纤维束的波动使各子单元材料方向与加载方向不一致,因此考虑了各子单元的线性行为和非线性行为对材料响应的影响,同时引入强度分析模型,得到纤维束波动部分的应力-应变关系。结合正交铺层部分和纤维束波动部分的应力-应变关系,得到2D编织结构的应力-应变行为,理论与试验吻合较好。     

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.     

受损钢结构力学分析模型研究

通过对8组不同受损程度的Q235钢材进行力学性能实验研究,分析了不同损伤程度对钢材二次加载和卸载时加载弹性模量和卸载弹性模量的影响,提出了受损钢材的力学模型。基于受损截面的应力-应变关系,通过定义受损受弯构件截面的无损高度比K,推导了不同受损程度下构件截面的平均弹性模量和损伤指标的计算公式。用转动弹簧来模拟受损截面的力学性能,根据受损微段的应力-应变关系,推导了受损截面的弯矩-转角关系和截面转动刚度计算公式,提出了可用于受损钢结构力学分析的计算模型。算例分析表明,截面受损降低了结构的刚度,在实际工程应用时不容忽视。     

考虑夹杂相互作用的复合陶瓷夹杂界面的断裂分析

复合材料中夹杂含量较高时,夹杂间的相互作用能显著改变材料细观应力应变场分布,基体和夹杂中的平均应力应变水平也会发生较大变化,导致复合材料强度等力学性能发生显著变化. 为修正单一夹杂模型运用在实际材料中的误差,基于相互作用直推估计法,建立一种考虑含夹杂相互作用的夹杂界面裂纹开裂模型. 首先根据相互作用直推估计法,得到残余应力和外载应力共同作用下夹杂中的平均应力,再计算无限大基体中相同的夹杂达到相同应力场时的等效加载应力,将此加载应力作为含界面裂纹夹杂的等效应力边界条件,在此边界条件下求得界面裂纹尖端的应力强度因子,进而得到界面裂纹开裂的极限加载条件,并分析了夹杂弹性性能、含量、热残余应力、夹杂尺寸等因素对界面裂纹开裂条件的影响. 结果表明,方法能够有效修正单夹杂模型运用在实际材料中的误差,较大的残余应力对界面裂纹开裂有重要的影响,夹杂刚度的影响并非单调且比较复杂;在残余应力较小时,降低柔性夹杂刚度或者增大刚性夹杂刚度都有利于提高材料强度;扩大夹杂尺寸将导致裂纹开裂极限应力显著降低,从而降低材料强度.      

应力历史对颗粒材料强度和变形特征影响的离散元模拟

主要关注了颗粒材料前期所受的应力历史对其后期宏观力学响应的影响。该应力历史由一段等比例加载应力路径以及卸载垂直方向应力至与水平方向围压相同的卸载段描述。具体工作为:基于PFC2D双轴压缩数值实验,调查了应力历史对颗粒样本的强度、变形特征、细观参量如组构的影响,得出颗粒样本的偏应力-应变、体积应变曲线及其发生破坏时的名义应变云图。数值结果表明:高低围压下样本分别发生剪切破坏和弥散破坏,高围压下弹性阶段的刚度受应力历史影响较大,而低围压下样本在刚进入塑性至应力峰值点阶段的弹塑性刚度变化较为明显。随着应力历史中等比例加载系数的增大,剪胀加快,变形局部化范围有所不同;另一方面,颗粒形状的不规则性会增强颗粒材料的各向异性,导致样本强度更高。     

高弹态未硫化橡胶在不同变形模式下的循环加卸载力学行为

对高弹态未硫化橡胶实施了不同变形模式(单轴拉伸和压缩)的循环力学实验，以考察其黏超弹性响应以及应变率对力学行为的影响。结果表明，材料的拉伸、压缩性能与加载速率和变形历史均有着显著的相关性。对于循环拉伸变形，应力-应变曲线的非线性特征较为明显，材料表现出类似于屈服的性质，且随着循环次数和变形量增加，迟滞损耗的积累趋势逐渐减弱；而对于循环压缩变形，应力-应变关系接近线弹性，且随着循环次数和变形量增加，材料刚度和迟滞损耗积累的趋势都逐渐增强。针对上述实验结果，在经典的Bergstrom-Boyce模型中引入损伤变量，对未硫化橡胶的应变率相关性和Mullins效应进行表征。理论计算结果表明，这种非线性黏超弹模型能够较好地描述未硫化橡胶在不同载荷条件下的变形响应与应力软化特征。     

猪后腿肌肉的冲击压缩特性实验

波形整形技术使试样满足应力均匀条件和恒定应变率加载,石英片检测试样两端的应力均匀性, 获得微弱的透射信号。对开始加载阶段径向惯性效应带来的轴向应力附加值给予了计算修正,得到了肌肉在 不同加载方向和不同应变率下的应力应变曲线。结果发现:肌肉材料的应力应变曲线呈现粘弹性材料所具有 的凹向上特征,由最小显著差数法进行统计分析,发现猪后腿肌肉的力学性能对应变率和加载方向都敏感。 沿纤维方向压缩时肌纤维易发生压缩失稳,强度比垂直纤维方向低。     

显式模拟类橡胶材料Mullins效应滞回圈

通过显式、直接的方法提出一个多轴可压缩应变能函数,用来模拟类橡胶材料在加载-卸载作用下,由于Mullins效应而产生的应力-应变滞回圈.本文的创新点在于将表征能量耗散的变量引入到应变能函数.新的弹性势具有以下两个特点:第一,在加载情况下,新引入的变量不会对弹性势产生任何影响,因此,只要给出合适的形函数显式表达,3个基准实验,包括单轴拉伸和压缩,等双轴拉伸和压缩,以及平面应变,都可精确模拟;第二,新引入的变量在卸载情况下将被激活.在不同的卸载应力下,变量将发生改变,从而影响弹性势,使其最终产生不同的应力-应变关系卸载曲线,与对应的加载曲线共同构成应力-应变滞回圈.通过对Mullins效应实验数据进行分析和研究,得出了卸载形函数在不同卸载应力下变化的规律,并预测不同卸载应力下的应力-应变关系.最后,我们将得到精确匹配实验数据的数值模拟结果,从而证明本文方法不仅可以精确匹配至少3个基准实验,还可以模拟和预测类橡胶材料在加载-卸载作用下由于Mullins效应而产生的滞回圈.     

水泥砂浆在主动围压下的动态力学性能

水泥砂浆等脆性材料的力学性能与所受围压的大小密切相关。为了研究水泥砂浆在围压下的动态力学性能,研制了适于分立式Hopkinson压杆加载的主动围压装置,最大预加载主动围压大于30 MPa。实验得到了水泥砂浆在不同围压、不同应变率下的轴向应力应变曲线,发现材料在围压作用下抗压强度和韧性大大提高并且整体进入了伪塑性,而材料的应变率效应也是显著的。