弹性应力波理论中的运动非线性问题

本文在线性应变条件下导出了应力波在弹性介质中传播的非线性的运动方程。文中指出方程的非线性性质是由变形运动本身的非线性性质决定的。故这类非线性问题可以称为弹性应力波理论中的运动非线性问题。文中对在有限变形下具有线性应力——应变关系的弹性材料,在一维应变下,对方程进行了简化并给出了一个求解的实例。计算结果表明,这种情况下存在着十分明显的非线性动态响应,在分析和计算中必须加以考虑。     

非线性弹性大变形材料梁的抗爆特性

从理论上探讨了非线性弹性大变形材料应用于抗爆结构的可行性，为此，基于等效结构体系的分析原理，将两端固定铰支梁的横向和纵向位移表示为三角级数形式，应用第二类Lagrange方程建立了非线性大变形材料梁的非线性分析方法，并且用ABAQUS有限元软件中的超弹性材料模型验证了所提出的方法的有效性。对典型的爆炸荷载作用下非线性弹性大变形材料梁的抗爆特性进行了分析，讨论了动力放大系数和材料性质及动荷载之间的关系。结果表明:与线弹性小变形材料相比，非线性弹性大变形材料具有优良的抗爆特性，结构的抗爆能力随结构变形的增大而显著提高。     

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。     

求解非线性大变形的超级单元法

引言分析大位移大应变非线性问题,其基本关系存在着三个困难,第一,位移和应变关系是非线性函数,第二,应力和应变关系也是非线性函数,如橡皮这样的材料,应力应变关系是复杂的非线性函数,一般可用三个应变不变量I_1,I_2,I_3的应变能函数表示出来.第三,如橡皮这种材料,在变形过程中,体积没有明显的变化.某些金属材料,如软钢,在发生大塑性变形时,可以略去弹性应变不计,根据位错理论,塑性变形是由于沿晶格面的滑移而引起的,它是一种畸变,只引起形状的改变而不导致体积的变化,     

生长对超弹性球壳变形和稳定性的影响

应用连续介质力学有限变形理论建立受内压作用不可压超弹性球壳大变形 问题的力学模型, 且运用基于变形梯度张量极分解的弹性体积生长理论分析生长对不可压 超弹性球壳变形和稳定性的影响. 通过对球壳变形与内压关系式的数值计算得到不同生长 条件下球壳的变形曲线和应力分布曲线及由生长引起的残余变形和残余应力分布. 计算结果 表明生长对球壳变形特性有明显的影响, 生长影响球壳可产生不稳定变形的临界壁厚和临界 内压, 且在某些情况下可改变球壳的稳定性. 生长在球壳中可产生一定的残余变形和残余应 力, 对球壳中的应力分布有一定的影响. 另外当生长的程度足够大时, 即便没有外力作用, 球壳仅在生长引起的残余应力作用下也可产生不稳定变形.     

正常及病态下静脉壁的力学特性分析

本文应用多束纤维加强超弹性复合材料应变能函数及厚壁圆筒模型,通过有限变形弹性理论研究了正常及病态下静脉壁在静脉压及轴向预拉伸作用下的变形和应力分布等力学特性,着重分析了静脉移植后自适应变化静脉壁在动脉压下的力学特性.首先利用超弹性材料厚壁圆筒模型得到了静脉壁在静脉压下的变形方程,给出了静脉压下静脉壁的变形和应力分布曲线,讨论了静脉壁的力学特性.给出了静脉移植后,正常和自适应变化静脉壁在动脉压下的变形和应力分布曲线,讨论了静脉移植后静脉壁的力学特性及其自适应性变化.然后给出了各种病态静脉壁的变形和应力分布曲线,讨论了材料参数的变化对静脉壁力学特性的影响规律.     

橡胶楔体与刚性缺口接触大变形分析

利用Ｋｕｏｗｌｅｓ与Ｓｔｅｒｎｂｅｒｇ提出的非线性弹性大变形应变能函数,对橡胶楔体与刚性缺口接触问题进行大变形渐近分析,推导了楔体尖端场的渐近方程,得到楔体尖端附近的应力应变场及应力的奇异性指数与橡胶楔体角度、刚性缺口角度及材料常数有关的表达式;楔尖附近同一半径上应力分量为常数,同时,利用非线性有限元理论编制了大变形有限元程序,考虑楔体尖端与缺口接触边界条件,计算得到了与分析解一致的结论,当缺口角     

超弹性材料本构关系的最新研究进展

超弹性材料是工程实际中的常用材料, 具有在外力作用下经历非常大变形、在外力撤去后完全恢复至初始状态的特征. 超弹性材料是典型的非线性弹性材料, 其性能可通过材料的应变能函数予以表征. 近几十年来, 围绕应变能函数形式的构造, 已提出许多超弹性材料本构关系研究的数学模型和物理模型, 但适用于多种变形模式和全变形范围的完全本构关系仍是该领域期待解决的重要问题. 本文从3个不同角度, 对超弹性材料本构关系研究的最新进展进行了总结和分析: (1)不同体积变化模式, 包含不可压与可压两种; (2)多变形模式, 包含单轴拉伸、剪切、等双轴以及复合拉剪等多个种类; (3)全范围变形程度, 包含小变形、中等变形到较大变形范围. 超弹性材料本构关系研究的最新进展表明, 为了全面描述具体材料的实验数据并在实际问题中应用超弹性材料, 需要建立适合于多种变形模式和全变形范围的可压超弹性材料的完全本构关系. 对实际超弹性材料完全本构关系的建立及可压超弹性材料应变能函数的构造, 笔者还提出了相应的实施步骤和研究方法.      

STATE OF THE ART OF CONSTITUTIVE RELATIONS OF HYPERELASTIC MATERIALS 1)

超弹性材料是工程实际中的常用材料, 具有在外力作用下经历非常大变形、在外力撤去后完全恢复至初始状态的特征. 超弹性材料是典型的非线性弹性材料, 其性能可通过材料的应变能函数予以表征. 近几十年来, 围绕应变能函数形式的构造, 已提出许多超弹性材料本构关系研究的数学模型和物理模型, 但适用于多种变形模式和全变形范围的完全本构关系仍是该领域期待解决的重要问题. 本文从3个不同角度, 对超弹性材料本构关系研究的最新进展进行了总结和分析: (1)不同体积变化模式, 包含不可压与可压两种; (2)多变形模式, 包含单轴拉伸、剪切、等双轴以及复合拉剪等多个种类; (3)全范围变形程度, 包含小变形、中等变形到较大变形范围. 超弹性材料本构关系研究的最新进展表明, 为了全面描述具体材料的实验数据并在实际问题中应用超弹性材料, 需要建立适合于多种变形模式和全变形范围的可压超弹性材料的完全本构关系. 对实际超弹性材料完全本构关系的建立及可压超弹性材料应变能函数的构造, 笔者还提出了相应的实施步骤和研究方法.     

与温度相关的非均质圆筒的非线性耦合广义热弹性分析

基于能量守恒方程和L–S广义热弹性理论，借助状态空间技术和Newmark法求解了材料性质沿径向任意梯度分布同时又与温度相关的非均质圆筒非线性耦合广义热弹性问题。通过对材料性质与温度无关和相关功能梯度圆筒的算例分析，给出了在线性和非线性耦合下圆筒内温度和应力沿径向和随时间的变化关系，验证了本文解的正确性和有效性。数值结果表明，考虑材料性质是否与温度相关，能量守恒方程中耦合项是线性还是非线性，得到的温度与应力均存在不同程度的差异。本文解可方便地应用于不同边界条件和初始条件下圆筒的广义热弹性分析。     

三轴试验土样剪切破坏过程的判别

本文在土工三轴试验中应用土样全表面变形数字图像测量系统,通过跟踪包裹土样的橡皮膜表面的标记点,得到加载过程中其全表面的变形和应变分布。根据土样表面的应变分布和实测的应力应变关系曲线,可以得到每一时刻土样表面的应力分布。于是,土样表面剪切破坏开始出现的时刻和剪切破坏带贯穿的时刻可分别依据应变和应力判定。依据应变,将橡皮膜上各点的轴向应变的拐点最晚出现的时刻作为剪切带完全贯穿的时刻;依据应力,将全部点中某一个或几个点最早达到峰值应力的时刻作为剪切带开始出现的时刻;土样各点相继达到应力峰值的过程就是剪切破坏的过程。以剪切破坏的起始点和剪切带贯穿的点为分界,土样剪切破坏过程可以划分成三个阶段:破坏前阶段、破坏阶段和破坏后阶段,在不同阶段土样具有不同的变形特点和变形机理。     

层合板六参量几何非线性高阶剪切理论

提出了层合板六参量的高阶剪切变形理论的位移场假定,以考虑在大变形条件下层合板法向变形和厚度的变化。同时对ｖｏｎ Ｋａｒｍａｎ应变位移简化假设进行补充修改,考虑某些有限变形条件下被忽略小量的影响,建立了对应于该文六参量模型和更加适凳大变形分析的层合板几何非线性关系,平衡方程和边界条件。利用该文模型分析了橡胶复合材料简支板的大变形弯曲行为,并对比Ｒｅｄｄｙ五参量几何非线性简单高阶剪切变形层合理论解和弹     

一种适合橡胶类材料的非线性粘弹性本构模型

借助非线性流变模型建立大变形情况非线性粘弹材料的本构关系,考虑到大多数橡胶类材料具有的几乎不可压缩性,以及体积响应和剪切响应的流变性能不同,将变形梯度乘法分解为等容部分和体积变形部分,给出了一种适合橡胶类材料的非线性粘弹性本构模型,并模拟了粘滞效应。对于极快或极慢的过程,该模型退化为橡胶弹性理论;在小变形情况下退化为经典的广义Maxwell粘弹性材料。模型与热力学第二定律相容,适合于大规模数值分析。     

An incompressible rubber wedge under the tension of a line load at its tip

An analysis is made of the stress distribution and the deformation pattern near the apex of an incompressible rubber wedge under the tension of a concentrated force. The asymptotic method for the tip stress field is developed. The problem is treated as a plane strain case. Finally, the FEM numerical results agree with the theoretical ones.     

平面应变不可压缩橡胶圆柱的大变形

针对一类新的橡胶材料应变能函数，推导了受内压作用下不可压缩橡胶圆柱的大变形公式，给出了位移、应力的解析表达式（用积分形式表示）。建立了适用于分析非线性不可压缩橡胶材料的罚有限元列式，算例表明：位移与应力能很好地与理论解吻合，并提出了控制计算稳定的方法，特别是详细地讨论罚因子的选取及对计算结果的影响。     

Large deformation of incompressible rubber cylinder under plane strain

The large deformation of incompressible rubber cylinder under inner pressure is analyzed by a kind of new rubber materials strain energy function. The theory formulation for the displacement and stress is presented. The penalty finite element formulation is established in order to analyze nonlinear rubber materials, and the results of finite element method agree well with theoretical ones. A new method for controlling the calculating stability and convergence rates is put forward. The selection of the appropriate penalty factor and its influence on calculated results are discussed.     

Probabilistic and stochastic aspects of rubber hyperelasticity

The main aim of this work is to compare various models of rubber elasticity, i.e. neo-Hookean, Mooney-Rivlin, Yeoh, Gent, Arruda-Boyce as well as the Extended Tube model in terms of their application to the probabilistic analysis. Some discussions concerning failure analysis of the rubbers according to these models is provided also. Constitutive relations following these theories are tested for the case of uniaxial tension of the incompressible material, where deformation of a rubber specimen is treated as Gaussian random variable having a priori given expectation and standard deviations varying in some interval with bounds driven by various experimentation techniques. Probabilistic analysis is provided here in two alternative ways—via traditional Monte-Carlo technique as well as using higher order stochastic perturbation method implemented both in the symbolic computer algebra software. An application of non-Gaussian distributions relevant to the considered deformation, like lognormal one for instance has been also considered. This analysis includes computational determination of the first four basic probabilistic characteristics, i.e. expectation, coefficient of variation, skewness and kurtosis, and is provided to verify the resulting probabilistic distribution of the induced stress and its entropy. Some conclusions are drawn for the generalization of this method to other stress softening materials.     

A viscoelastic constitutive model of rubber under small oscillatory load superimposed on large static deformation

Summary  A viscoelastic constitutive equation of rubber that is under small oscillatory load superimposed on large static deformation is proposed. The model is derived through linearization of Simo's nonlinear viscoelastic constitutive model and reference configuration transformation. Most importantly, in this model, static deformation correction factor is introduced to consider the influence of pre-strain on the relaxation function. Natural statically pre-deformed state is served as reference configuration. The proposed constitutive equation is extended to a generalized viscoelastic constitutive equation that includes widely used Morman's model as a special case using objective stress increment. The proposed constitutive model is tested for dynamic behavior of rubber specimens with different carbon black content. It is concluded from the test that the assumption that the effects of static deformation can be separated from time effects, which is the basis of Morman's model, is only applicable to unfilled rubber. The viscoelastic constitutive equation for filled rubber must include, therefore, the influence of the static deformation on the time effects. The suggested constitutive equation with static deformation correction factor shows good agreement with test values. Received 4 January 2001; accepted for publication 13 June 2001     

橡胶类零件有限变形应力分析用的三维光弹性方法

在应力冻结法基础上，建立了橡胶类零件有限变形应力分析用的三维光弹性方法，被研究对象的拉格朗日应变可达１５％。用一个应力集中三维效应的实例说明了本方法的有效性。