低密度开孔泡沫蠕变松弛特性分析

利用三维Voronoi模型和有限元方法分析了胞壁材料具有粘弹特性的低密度开孔泡沫的蠕变和应力松弛行为.采用了三参量标准线性固体模型来描述胞壁材料的粘弹特性.所得结果表明.低密度开孔泡沫具有与其胞壁材料相同的松弛时间,当相对密度较低时(低于1%)开孔泡沫的松弛模量与胞壁材料的松弛模量和泡沫相对密度平方成正比.此外,计算结果还表明,低密度开孔泡沫在较小的初始应力条件下具有与其胞壁材料相同的延迟时间.其蠕变柔度与胞壁材料的蠕变柔度和泡沫相对密度平方倒数基本成正比.但随着初始应力值的增大,泡沫的延迟时间将会显著增加.     

硅泡沫的超弹压缩和应力松弛的不确定性表征

硅泡沫垫层材料由于制备过程中的发泡随机性,在实验测试中往往表现出单轴压缩和应力松弛性能的分散性。本文基于二阶Hyperfoam超弹性本构模型和二阶Prony应力松弛级数模型,由实验数据的规律性,从不确定性量化角度引入各材料参数的相关性,将多参数不确定性转化为单个参数不确定性,分别建立了形式简单且能够表征不确定性因素的超弹压缩和应力松弛本构模型。在此基础上,分别联合实验统计的单值压缩数据和单值松弛数据,反演出了完整的超弹性本构曲线和应力松弛曲线,与实验结果吻合较好,误差不超过2%,合理地预测了材料的压缩和松弛性能演化规律,并为数值模拟提供了直接的材料参数输入条件。     

多孔材料中应力波的传播

针对多孔泡沫混凝土实验应力应变曲线的基本特点,提出并建立了一种可以考虑孔隙压实过程的材料本构模型及其数学形式.通过典型算例,分析了应力波在多孔材料中传播的耗散效应,指出多孔材料中的孔隙在被压实过程中能有效吸收应力波能量、降低应力波强度,在引起应力波衰减的诸因素中,孔隙压实所起的作用更大更显著.     

多孔泡沫牺牲层的动态压溃及缓冲吸能机理研究

本文对强动载荷下多孔泡沫牺牲层的动态压溃行为及缓冲吸能机理进行了研究. 基于刚性-理想塑性-锁定(R-PP-L)及刚性-塑性硬化(R-PH)两类多孔泡沫材料本构, 建立了强动载荷下多孔泡沫牺牲层动态响应的理论分析模型, 分析了一维冲击波在多孔泡沫牺牲层中的传播规律; 利用Voronoi方法建立了多孔泡沫牺牲层的二维细观有限元模型, 获得了冲击载荷下多孔泡沫牺牲层的变形模式和动态响应曲线, 讨论了多孔泡沫材料的层间界面效应对多孔泡沫牺牲层缓冲吸能的影响. 研究结果表明, 考虑多孔泡沫材料塑性硬化影响的理论分析模型能够预测入射波在远端的反射及对多孔泡沫牺牲层的二次压缩过程和端部应力增强现象; 相比较存在界面的多孔泡沫牺牲层, 连续设计的多孔泡沫牺牲层可增强其缓冲吸能能力, 但在界面处增加设计刚性面板则能够降低界面胞元不完整对缓冲吸能的影响; 相同冲量载荷下, 端部应力峰值随冲击能量增大而增大, 而端部冲击波的反射可能是端部应力增强的主要诱因.      

填充硅橡胶的泡沫铝复合材料的力学性能

用渗流法向开孔泡沫铝-硅合金和泡沫纯铝中充填硅橡胶获得含硅橡胶的泡沫材料, 在材料试验机和SHPB上对含硅橡胶的复合材料进行动态与准静态压缩实验。实验结果表明:含硅橡胶的泡沫复合材料只有弹性段和塑性段两个阶段,具有更高的应变率敏感性,其应力-应变曲线抖动幅度比较大。     

宽γ辐照剂量范围内硅泡沫本构模型研究

基于实验和理论建模研究了白炭黑增强硅泡沫材料在γ辐照剂量范围为0~1000kGy作用后的单轴压缩力学行为。实验结果表明辐照导致硅泡沫出现明显硬化现象,初始杨氏模量和固定应变下应力幅值均随γ辐照剂量近似线性增加。辐照后硅泡沫泡孔结构完整,硅橡胶基体中高分子交联反应占主导,且交联密度随辐照剂量线性增大。基于实验分析结果,实现了Ogden Hyperfoam超弹本构模型参数与辐照剂量的关联。结果表明初始剪切模量参数与辐照剂量成线性关系,硬化指数和泊松比参数与辐照剂量无关。基于应力应变实验数据拟合得到模型参数,并与未参与拟合的实验数据对比,验证了模型的准确性,表明该模型能够表征宽辐照剂量范围内硅泡沫的压缩力学行为。     

宽γ辐照剂量范围内硅泡沫本构模型研究

基于实验和理论建模研究了白炭黑增强硅泡沫材料在γ辐照剂量范围为0~1000kGy作用后的单轴压缩力学行为。实验结果表明辐照导致硅泡沫出现明显硬化现象，初始杨氏模量和固定应变下应力幅值均随γ辐照剂量近似线性增加。辐照后硅泡沫泡孔结构完整，硅橡胶基体中高分子交联反应占主导，且交联密度随辐照剂量线性增大。基于实验分析结果，实现了Ogden Hyperfoam超弹本构模型参数与辐照剂量的关联。结果表明初始剪切模量参数与辐照剂量成线性关系，硬化指数和泊松比参数与辐照剂量无关。基于应力应变实验数据拟合得到模型参数，并与未参与拟合的实验数据对比，验证了模型的准确性，表明该模型能够表征宽辐照剂量范围内硅泡沫的压缩力学行为。     

油套管特殊螺纹密封面接触应力松弛行为研究

开展了P110T油套管材料的单轴拉伸高温蠕变试验,分析了P110T材料在不同温度、不同拉应力作用下的蠕变力学特性;运用约束最小二乘法建立了P110T材料蠕变速率的解析解数学模型,并根据材料松弛与蠕变的特征关系建立了P110T材料松弛力学规律的数学模型;采用实例分析的方法,得到了P110T油套管特殊螺纹密封面松弛应力的变化规律。结果表明,在相同初始接触应力条件下,温度越高,应力松弛变化现象越明显;在相同温度条件下,初始接触应力越高,密封失效所需的时间越长。     

多孔介质中气泡的生成机理及流动特性研究

根据组成多孔介质的颗粒直径、颗粒排列方式、孔喉比、束缚水饱和度,将多孔介质简化为一簇变截面毛管组成的毛管束.利用质量守恒原理和动量定理,推导出单个孔隙单元内液相压力梯度和壁面剪切应力的计算公式,得到泡沫稳定流动状态时多孔介质中的压力分布以及泡沫当量直径的计算方法.通过对喉道处气泡的受力分析,推导了截断再生气泡的当量直径计算公式.利用长U型填砂管对多孔介质中稳定泡沫的流动特性进行了实验研究.研究结果表明:稳定泡沫流动时多孔介质中的压力分布呈线性下降,孔喉结构和泡沫干度是影响泡沫封堵能力的主要因素.     

硅锰合金扭簧应力松弛行为研究

研制了矩形截面扭簧应力松弛试验装置并进行了多组高温实验;提出了可动位错密度函数,结合现有应力松弛位错理论提出了新的硅锰合金弹簧钢扭转应力松弛动力学方程;利用ABAQUS二次开发接口CREEP子程序,实现了将新的应力松弛动力学方程转化为基于隐式有限元法的修正时间硬化蠕变模型,对400℃下的硅锰合金弹簧钢扭转应力松弛行为进行了数值模拟;模拟结果表明,修正的时间硬化蠕变模型与试验结果吻合,扭簧表面的Von Mises应力随时间变化规律与试验中的扭矩随时间变化规律一致。     

多孔硅橡胶有限变形的粘弹性行为

针对孔隙度较大（孔隙度大于50％）的硅橡胶材料在有限变形时的粘弹性行为，从建立描述材料粘弹性特征的松驰函数和变形特征的应变能函数出发，提出了适合多孔隙、可压硅橡胶材料的非线性粘弹性力学行为的本构关系，松驰函数和应变能函数可解耦为等容和体积变形两部分，并引入了拟时间的概念来反映变形对材料特征时间的影响，利用硅橡胶材料的单轴压缩松驰实验与材料模型进行了对比，讨论了多孔硅橡胶的等容变形和体积变形对应力松驰的影响。     

Finite deformation of a polymer: experiments and modeling

The response of a polymer (polytetrafluoroethylene) to quasi-static and dynamic loading is determined and modeled. The polytetrafluoroethylene is extremely ductile and highly nonlinear in elastic as well as plastic behaviors including elastic unloading. Constitutive model developed earlier by Khan, Huang and Liang (KHL) is extended to include the responses of polymeric materials. The strain rate hardening, creep, and relaxation behaviors of polytetrafluoroethylene were determined through extensive experimental study. Based on the observation that both viscoelastic and viscoplastic deformation of polytetrafluoroethylene are time dependent and nonlinear, a phenomenalogical viscoelasto–plastic constitutive model is presented by a series connection of a viscoelastic deformation module (represented by three elements standard solid spring dashpot model), and a viscoplastic deformation module represented by KHL model. The KHL module is affected only when the stress exceeds the initial yield stress. The comparison between the predictions from the extended model and experimental data for uniaxial static and dynamic compression, creep and relaxation demonstrate that the proposed constitutive model is able to represent the observed time dependent mechanical behavior of polytetrafluoroethylene polytetrafluoroethylene qualitatively and quantitatively.     

泡沫橡胶材料的超弹性本构模型

借助不可压橡胶类材料应变能函数,通过引入泡沫材料孔隙度,推导出了泡沫橡胶的本构方程。基于泡沫橡胶材料的单轴压缩实验结果,拟合确定了本构模型的参数,模型预测结果与实验结果吻合的比较好。     

闭孔泡沫铝的多轴唯象受压本构参数

基于显微计算机断层扫描影像信息, 逆向重建闭孔泡沫铝试件的三维细观有限元模型, 定量研究闭孔泡沫铝在多轴压缩载荷作用下的大变形力学行为. 讨论了泡沫金属唯象弹塑性本构参数的确定方法, 根据计算结果确定了3 个有代表性的泡沫材料本构模型的本构参数, 并验证了这些本构模型在描述多轴压缩应力状态下的精度. 研究表明, 对于单轴压缩, 3 个本构模型的屈服面均有很好的精度;对于静水压缩, 有限元软件"ABAQUS"的可压缩泡沫本构模型屈服面会发生严重偏离, 陈-卢本构模型"屈服面" 略微低估静水压缩的屈服应力, 而体积强化本构模型的屈服面有很好的精度.      

110甲基乙烯基硅橡胶材料参数的确定

应用INSTRON5544对110甲基乙烯基硅橡胶材料进行了单轴大变形压缩的力学特性测试。本文根据已有的Mooney-Rivilin模型和Yeoh模型的本构关系,采用泰勒级数展开的办法获得了基于小变形的本构关系表达式。利用本文所得本构关系,将实验数据进行了非线性拟合处理,得到了相应的Mooney-Rivilin模型和Yeoh模型的材料参数。拟合所得的名义应力-应变曲线与实测的名义应力-应变曲线吻合较好。利用非线性拟合所得的Mooney-Rivilin模型和Yeoh模型的材料参数,应用ABAQUS软件进行有限元分析计算。通过有限元的分析计算,验证了Mooney-Rivilin模型和Yeoh模型材料参数的正确性与可行性。     

A MICROMECHANICAL FRAMEWORK WITH AGGREGATE-MASTIC INTERFACE EFFECT FOR PREDICTING UNIAXIAL COMPRESSION CREEP OF ASPHALT MIXTURE

According to the elastic-viscoelastic correspondence principle, an elastic microme- chanical framework taking the inclusion-matrix interface effect into account is extended for predicting viscoelastic properties of asphalt mixture, which is simply treated as elastic coarse aggregate inclusions periodically and isotropically embedded in a viscoelastic asphalt mastic matrix. The Burgers model is adopted for characterizing the matrix mechanical behavior, so that the homogenized relaxation modulus of asphalt mixture in compression creep is derived. After a series of uniaxial compression creep tests are performed on asphalt mastic in different temperature and stress conditions in order to determine the matrix constitutive parameters, the framework presented is validated by comparison with the experiment, and then some predictions of uniaxial compression creep behavior of asphalt mixture in different temperature and stress conditions are given.     

超高分子量聚乙烯材料的应力松弛研究

采用实验方法研究超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料,在不同温度、应变率和初始应变的条件下进行单轴压缩应力松弛实验,得出松弛应力与时间成非线性关系,且温度越高、应变率越大、初始应变越小,则最终稳定的应力值越小的结论．采用时间分数阶粘弹性模型,结合Boltzmann叠加原理推导出UHMWPE材料在整个加载段及松弛段的应力响应函数,并与实验数据最小二乘拟合．结果表明,时间分数阶Scott-Blair模型能很好地描述UHMWPE材料的粘弹性行为．     

Numerical simulation of quasi-static compression on a complex rubber foam

A complex rubber foam under quasi-static compression is simulated using the finite element method(FEM). The present work sets up the phenomenological constitutive model for the silicon rubber. The computerized tomography(CT) technique is utilized to reconstruct the real complex foam geometries. The quasi-static uniaxial compression on the foam is simulated in ABAQUS. The present work obtains the stress response as the nominal strain nearly reaches 80% and the foam exhibits hyper-elastic behavior. The FEM results achieve good agreements with the data obtained from the multi-scale simulation and the tests as the nominal strain is less than 60%.