不同本构模型对橡胶制品有限元法适应性研究

为确定不同本构模型对橡胶制品进行非线性有限元分析的适应性,采用HyperMesh 和ABAQUS软件建立了橡胶标准试件和防尘罩制品的非线性有限元模型. 根据标准试件单轴拉伸试验数据,利用ABAQUS软件拟合了Mooney--Rivlin, Ogden 及Yeoh 3 种本构模型的特征参数,并给出了试件和制品轴向拉伸和压缩工况有限元分析结果. 实测试验与有限元分析结果对比发现:在应变不大于100% 时,两参数的Mooney--Rivlin本构模型计算误差较小;在应变大于100% 时, 用Yeoh 和Ogden 本构模型计算误差较小. 该结论对大变形橡胶元件的非线性特性理论分析具有实际意义.     

基于仿真和智能算法骨骼肌超弹性本构参数的反演方法研究

从事高强度的体力工作者经常会发生肌肉软组织的损伤, 因此对骨骼肌的变形特性和应力分布的研究受到了越来越多的重视. 获取正确的本构参数对于生物软组织的力学行为的研究至关重要, 而本构参数的确定本质上是一个逆过程, 具有很大的挑战性. 本文分别采用K近邻(K-nearest neighbor, KNN)模型和支持向量机回归(support vector machine regression, SVR)模型并结合非线性有限元仿真, 提出了两种确定骨骼肌本构参数的反演方法. 首先建立了骨骼肌压缩的有限元模型, 对其压缩条件下的变形特性进行了有限元仿真, 得到了相应的变形特性及应力分布规律, 同时也建立了骨骼肌组织的名义应力和主伸长之间非线性关系的数据集. 其次, 分别利用KNN模型和SVR模型搭建了针对骨骼肌组织进行本构参数反演的机器学习智能算法, 对相应的数据集进行训练, 结合单轴压缩实验的实验数据预测了材料的本构参数. 最后, 对分别基于KNN模型和SVR模型对骨骼肌超弹性本构参数的误差结果进行了分析, 通过引入相关系数$R$和决定系数$R^{2}$对采用两种反演方法的有效性进行数值上的验证. 结果表明, 利用KNN模型和SVR模型结合有限元仿真是确定骨骼肌超弹性本构参数的有效、准确的方法, 该方法也可进一步推广到其他类型的非线性软组织的本构参数反演.      

基于Auricchio F本构模型的SMA垂直曲力学行为分析

描述了Auricchio F形状记忆合金(SMA)的本构模型.基于该模型的本构方程,应用非线性有限元分析方法,对SMA垂直曲的力学行为进行分析,为正畸临床提供理论参考指导.     

基于机器学习软骨细胞的时间依赖性力学行为及本构参数反演

探究软骨细胞机械负载下的力学特性对于理解软骨细胞的正常和病理状态以及骨性关节炎的病因至关重要. 基于软骨细胞有限元计算模型的力学响应与其本构参数之间的高度复杂非线性, 本文提出了分别利用双向深度神经网络TW-Deepnets模型和随机森林RF模型并结合有限元方法来识别软骨细胞本构参数的两种反演方法. 首先, 建立了软骨细胞的无侧限压缩实验有限元模型, 收集MSnHS本构参数空间点与对应的有限元计算模型的压缩反作用力响应数据集. 其次, 结合贝叶斯超参数优化算法搭建了用于软骨细胞本构参数反求的TW-Deepnets模型和RF模型, 对有限元收集的数据进行训练, 并利用单个软骨细胞受到50%压缩程度下的实验数据对软骨细胞的MSnHS本构参数进行了反求. 最后, 通过与实验曲线的对比验证了所提出的反演方法的有效性, 并引入决定系数R2对两种模型的预测准确性进行了对比评估, 检验了模型对各本构参数的预测性能, 分析了MSnHS本构模型中各参数影响软骨细胞力学响应的重要性占比. 结果表明, 本研究提出的本构参数反演方法能够有效获取软骨细胞的本构参数值, 从而准确描述软骨细胞的时间依赖性力学特性, 该方法也可进一步推广到生物细胞在静态或动态负载条件下的复杂参数反演问题.      

钢－混凝土组合梁非线性有限元分析

提出了部分剪力连接钢-混凝土组合梁非线性有限元分析的简化模型，该模型同时考虑了钢、混凝土材料的非线性本构关系和剪力连接件的滑移非线性对组合梁刚度和强度的影响，推导了考虑滑移的剪力连接件单元刚度矩阵。利用该模型计算了连续组合梁的极限荷载、挠度、应力以及滑移，与已有的理论计算结果和实验结果吻合，证明本方法分析钢-混凝土组合梁非线性的可靠性和实用性。     

形状记忆合金热力学行为的模拟

基于塑性流动法则和马氏体相变动力学 ,引入马氏体体积分数和相变应力间的关系 ,对形状记忆合金的热力学行为进行了模拟 ,算例表明本文提出的形状记忆合金本构模型与实验结果比较吻合 ,且实施起来简单易行 ;最后还用该本构模型进行了有限元分析     

钢筋混凝土结构的三维有限元非线性分析

提出了一个简单的混凝土三维本构模型,结合两种钢筋分布模式编制了钢筋混凝土结构非线性分析的三维有限元程序,通过两个经典的算例对比分析,表明本文提出的混凝土本构模型能够有效地模拟结构的破坏荷载和破坏过程。     

描述非线性动力响应的砂质土本构模型

本文提出描述非线性响应的砂擀土本构模型，由本构模型计算所得到的理论曲线与实验曲线发接近此模型能广泛地用于土工问题的弹一塑性有限元分析中。     

采用瓣叶复合材料的生物心脏瓣膜的力学分析

采用微观组织结构分析及宏观复合材料分析结合的方法,分析了猪主动脉瓣的非线性复合材料性质,提出了一种适用于猪主动脉瓣的非线性复合材料本构模型,用提出的非线性复合材料本构模型,对闭合承载状态下的等厚度与变厚度几何模型的猪主动脉瓣的应力分布及变形进行了有限元数值模拟,发现：与各向同性瓣叶相比,单向增强复合材料的瓣叶不但具有较强的承载能力,而且具有较大的柔软性。     

钢方管截面柱考虑损伤的滞回性能分析

结构钢本构关系的精度直接影响分析结果的可靠度.根据能量等效性假设、热力学第二定律,推出损伤材料的弹性本构方程;采用混合强化准则,考虑Bauschinger效应、屈服平台、硬化(软化)效应及损伤和损伤演化影响,建立了的结构钢弹塑性各向异性损伤本构关系.结合构建的本构关系,采用八节点超参数壳体单元,推导了用U.L.格式及Cauchy应力描述的板壳双重非线性有限元方程,并编制了计算程序.利用U.L.格式的壳体大挠度双重非线性有限元分析方法,对钢方管截面短柱进行面内拉压循环荷载作用下的滞回性能分析.     

各向同性超弹性本构模型数值计算及验证

现有多种形式的橡胶本构模型试图预测橡胶力学性质,其中部分模型已写入有限元软件中用于仿真计算,还存在较多拟合性较好的模型无法在有限元材料库中直接获得。本文详述了由不变量和主伸长率描写的各向同性超弹性本构模型的数值实现方法,并结合最新的本构模型开发了UHYPER和UMAT子程序。将UHYPER用于有限元实现对多孔橡胶板的拉伸仿真,对比仿真和试验结果,验证子程序的正确性以及评估本构模型预测复杂应变场的准确性;将UMAT用于单轴、等双轴和剪切拉伸的有限元仿真,对比仿真和本构模型理论结果,验证子程序的可靠性。结果表明,有限元仿真结果与理论结果拟合较好,子程序能够契合本构模型的力学描述,所述方法可以用于超弹性材料的数值计算。     

边坡稳定的剪切带计算

为了解决边坡稳定分析中剪切带有限元网格的依赖性问题,采用梯度塑性理论,从本构关系中引入特征长度入手,建立计算模型。提出了一种8节点缩减积分的梯度塑性单元,并采用梯度塑性理论推导了Drucker-Prager屈服准则的软化模型的有限元格式,在ABAQUS中进行了二次开发,嵌入了本文提出的8节点单元和本构模型,并用ABAQUS软件进行了边坡剪切带的计算。计算结果表明,本文提出的方法消除了经典有限元计算的网格依赖性问题,可以得到与单元剖分无关的稳定的剪切带宽度。本文所提出的方法可适用于其他场合的剪切带计算。     

循环硬化材料本构模型的隐式应力积分和有限元实现

针对新发展的、能够描述循环硬化行为应变幅值依赖性的粘塑性本构模型,讨论了它的数值实现方法。首先,为了能够对材料的循环棘轮行为（Ratcheting）和循环应力松弛现象进行描述,对已有的本构模型进行了改进;然后,在改进模型的基础上,建立了一个新的、全隐式应力积分算法,进而推导了相应的一致切线刚度（Consistent Tangent Modulus）矩阵的表达式;最后,通过ABAQUS用户材料子程序UMAT将上述本构模型进行了有限元实现,并通过一些算例对一些构件的循环变形行为进行了有限元数值模拟,讨论了该类本构模型有限元实现的必要性和合理性。     

金属韧性断裂的细观研究

对三点弯曲试件裂尖及断裂过程分别用 Prandtl-Reuss本构、Gurson本构方程作了大变形弹塑性有限元分析 ,并比较了二者的结果。对裂尖应力分布 ,应变分布和裂尖处空穴演化作了初步研究。计算模拟结果表明裂尖空穴化区域是一个很小量级的区域 ,采用 Gurson本构方程来研究裂尖“过程区”比采用 Prandtl-Reuss本构方程分析“过程区”来的合理 ,更接近材料实际断裂过程。     

聚合物熔体三维挤出胀大的数值模拟

采用有限元方法分析K-BKZ本构方程描述的聚合物熔体的三维挤出胀大.对于本构方程中偏应力张量的计算,首先给出质点的运动轨迹,分段求出局部的变形梯度张量,再求出整体的变形梯度、Cauchy-Green应变张量和 Finger应变张量,沿轨迹采用分段高斯积分计算应力.把应力作为方程的右端项,给出迭代方法,求解非线性方程组.并根据自由面处的边界条件,迭代得出出口处自由面的最终位置.对轴对称流道和矩形流道进行分析计算,并把结果与二维分析和实验结果进行了比较,显示方法是可行的.     

化学-力学耦合理论与数值方法

该文研究了化学场中的质量扩散与力学耦合问题,构造了化-力耦合情况下的力学本构关系与质量扩散的本构关系,并由这些本构关系和化学场、力学场的控制方程,得到化-力场耦合的有限元方程.通过数值算例,详细分析了由应力场引起的质量重分布和由化学场引起的结构变形.研究表明,力学与化学之间存在明显的相互作用,并采用有限元数值方法进行了分析.     

Study of work hardening models for single crystals using three dimensional finite element analysis

A comparative study of some hardening models that have been proposed for single crystals is presented in this paper. These models are compared by simulating the deformation of FCC single crystals under uniaxial tension using the finite element method. During large deformation of single crystals, multiple-slip systems can be activated resulting in a three-dimensional deformation. Therefore, three-dimensional finite element models have been used for the simulation. A rate dependent constitutive model was implemented into a non-linear large deformation finite element program to simulate the deformation of single crystals. The hardening laws are compared in order to study their ability to predict the three stages of hardening observed experimentally in FCC single crystals.     

Characterization of macroscopic tensile strength of polycrystalline metals with two-scale finite element analysis

The objective of this contribution is to develop an elastic-plastic-damage constitutive model for crystal grain and to incorporate it with two-scale finite element analyses based on mathematical homogenization method, in order to characterize the macroscopic tensile strength of polycrystalline metals. More specifically, the constitutive model for single crystal is obtained by combining hyperelasticity, a rate-independent single crystal plasticity and a continuum damage model. The evolution equations, stress update algorithm and consistent tangent are derived within the framework of standard elastoplasticity at finite strain. By employing two-scale finite element analysis, the ductile behaviour of polycrystalline metals and corresponding tensile strength are evaluated. The importance of finite element formulation is examined by comparing performance of several finite elements and their convergence behaviour is assessed with mesh refinement. Finally, the grain size effect on yield and tensile strength is analysed in order to illustrate the versatility of the proposed two-scale model.