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。     

炭黑填充天然橡胶Mullins效应的仿真与计算分析

通过有限元分析软件Abaqus、Matlab数据拟合工具及单轴拉伸试验,研究了Yeoh本构模型、Ogden本构模型及伪弹性理论模型对炭黑填充天然橡胶的Mullins效应仿真效果及规律。结果表明,(1)对单轴拉伸主加载曲线的拟合,Ogden模型精度更高,而Yeoh模型随着炭黑含量的增加在小变形处的拟合效果变差;(2)提出了伪弹性参数与伸长比之间的关系,找到了一种快速计算伪弹性参数的方法,且精度良好,极大地提高了计算效率。     

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。     

基于横观各向同性超弹性理论的短纤维增强橡胶本构模型的建立与应用Establishment and application of short fiber reinforced rubber constitutive model based on transversely isotropic hyperelastic theory

提出了一种能够表征短纤维增强橡胶的横观各向同性超弹性本构模型,并结合试验体系,对其在数值分析中的应用方法和效果进行了研究。基于连续介质力学理论,建立了横观各向同性材料的应变能函数,推导得到不同变形形式下的应力应变关系,给出材料参数辨识试验方法,并成功应用于某短纤维增强橡胶测试中,得到表征其超弹性特性的相关材料参数。利用有限元软件ANSYS对不同纤维排布方向的单轴拉伸和平行纤维方向的平面拉伸进行仿真计算,并对比相应试验数据,以验证材料参数的可靠性。最后基于已验证的本构模型,建立了某铣槽装备减振环仿真模型,并对其进行了校核计算。研究结果表明,本文提出的本构模型能够有效表征短纤维增强橡胶的静态力学特性并且方便嵌入现有的有限元软件中,具有材料参数少、测试简便和结果准确等特点,工程实用性强。     

基于横观各向同性超弹性理论的短纤维增强橡胶本构模型的建立与应用

提出了一种能够表征短纤维增强橡胶的横观各向同性超弹性本构模型,并结合试验体系,对其在数值分析中的应用方法和效果进行了研究。基于连续介质力学理论,建立了横观各向同性材料的应变能函数,推导得到不同变形形式下的应力应变关系,给出材料参数辨识试验方法,并成功应用于某短纤维增强橡胶测试中,得到表征其超弹性特性的相关材料参数。利用有限元软件ANSYS对不同纤维排布方向的单轴拉伸和平行纤维方向的平面拉伸进行仿真计算,并对比相应试验数据,以验证材料参数的可靠性。最后基于已验证的本构模型,建立了某铣槽装备减振环仿真模型,并对其进行了校核计算。研究结果表明,本文提出的本构模型能够有效表征短纤维增强橡胶的静态力学特性并且方便嵌入现有的有限元软件中,具有材料参数少、测试简便和结果准确等特点,工程实用性强。     

基于实验的心肌被动力本构模型

在狗心脏外科手术和心肌力学性能试验的基础上,对心肌力学性能实验数据进行处理和拟合,并应用有限元方法对心肌的单拉实验、松弛实验进行数值模拟和计算. 得到不同心肌位点的本构模型的非线性弹性和黏性参数,从而发展了心肌被动力的非线性黏弹性本构模型,体现了心脏力学行为的非均匀性和黏弹性. 在理论模型和试验数据的基础上,开发了有限元软件ABAQUS的VUMAT材料子程序,应用于数值心脏的仿真研究.      

沙漠砂混凝土力学性能及应力-应变本构关系试验研究

为了研究沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土力学性能的影响,试验设计了132个试块,其中66个标准立方体试件和66个标准棱柱体试件;通过立方体抗压强度试验、劈裂拉伸强度试验、轴心抗压强度试验、弹性模量试验,研究了沙漠砂替代率从0%～100%变化时沙漠砂混凝土的基本力学性能,并提出了沙漠砂混凝土应力-应变本构方程和损伤本构方程。研究结果表明:随沙漠砂替代率的增加,沙漠砂混凝土立方体抗压强度、劈裂拉伸强度、轴心抗压强度均呈现先减小后增加再降低的趋势;弹性模量、能量耗散能力、延性性能呈现先增加后减小的趋势;其应力-应变全过程曲线的形状与普通混凝土相似,都经历了弹性、弹塑性、屈服破坏的3阶段;应力-应变本构方程和损伤本构方程的计算结果均与试验结果吻合较好。     

双相钢板料的单向拉伸断裂失效研究(Ⅱ)——弧长法非线性有限元分析

为了获得docol800DP双相钢板料的等效塑性应变和应力三轴度在单向拉伸断裂失效过程中的变化历程,对其拉伸过程进行了弧长法非线性有限元分析。根据试验得到的材料参数建立了双相钢单向拉伸试件的有限元模型,考虑大变形引起的几何非线性和塑性强化引起的材料非线性,模拟了试件拉伸变形的全过程。计算结果表明:弧长法可较好地模拟试件变形的全程,计算得到的典型变形阶段、集中性失稳带的分布及方向与试验结果吻合很好;发生失稳变形时的应变与理论分析结果一致。最后,给出了起裂点处失效参数的变化历程,为定量化研究双相钢材料的断裂失效模型提供准确的数据支持。     

冲击载荷下钨合金圆台试件绝热剪切变形局部化的数值模拟

采用有限元计算编码ABAQUS模拟了钨合金圆台试件在冲击载荷下的变形和剪切局部化行为.计算采用二维轴对称应变条件下的绝热模型.钨合金的本构方程采用热粘塑性形式的Johnson-Cook模型.为了得到不同尺度的变形信息,计算中用了两种网格;先用粗糙网格分析试件变形局部化的概貌;接着,用细密网格(在变形局部化区域,网格尺寸达到10μm)分析绝热剪切带的形成和发展.有限元模拟得到的绝热剪切带位置和方向与实验一致.计算结果表明,绝热剪切带的形成和发展与试件的应力状态密切相关.     

双向加载条件下尼龙6-橡胶复合材料的应力松弛研究

在双向测试系统上进行了不同纵向应变与不同横向应变的双向松弛实验,研究了在双向拉伸载荷作用下单向尼龙6-橡胶复合材料的应力松弛特性．为了预测尼龙6-橡胶复合材料的应力松弛规律,提出了一个松弛型本构模型．当试件承受双向拉伸载荷作用时,将松弛型本构模型获得的理论曲线和实验数据进行了对比,二者取得了较好的一致性．     

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.      

Computational modelling of the stress-softening phenomenon of rubber-like materials under cyclic loading

When a rubber specimen is subjected to cyclic loading, not only non-linear behaviour but also damage-induced stress-softening phenomena (the Mullins effect) have been observed. Applications of a continuum damage mechanics model and Ogden and Roxburgh's pseudo-elastic model to describe the Mullins effect in elastomers have been considered. Both models together with Gao's elastic law were implemented to describe the mechanical behaviour of rubber-like materials including the stress-softening phenomenon. Two sets of experimental data (a simple tension test and a simple tension and pure shear test) are used to validate the constitutive models. Model parameters are estimated via an inverse technique. Computational results show that both constitutive models together with Gao's elastic law can describe the typical Mullins effect. From engineering point of view, the pseudo-elastic model has the advantages that (i) the model is simple and practical, since it considers that the stress-softening function is only activated on unloading or reloading paths, (ii) the model with a slight modification of the damage variable is very stable in finite element calculations, and (iii) the numerical results agree very well with experimental data in both simple tension and pure shear deformation. Two applications illustrate the capability of combining the pseudo-elastic model with Gao's elastic law in describing the Mullins effect. It is emphasized that both models are applicable to multiaxial states of stress and strain because both models are energy-based and not strain-based.     

功能材料双轴拉伸十字板试件的优化设计

在对Demmerle和Boehler提出的一个基于试件实验区应力标准差的数学判据进行修正的基础上,将这一判据应用于有限元方法中,通过 ABAQUS有限元软件计算出试件实验区的应力分布,结合Powell优化设计方法,实现了对各向同性形状记忆合金材料双轴拉伸十字板试件的最优化设计.优化设计所得试件的应力位移分布图与原有的Kelly试件迸行了比较,结果表明经过优化的试件在满足双轴试验要求方面有了明显的改进.同时验证了在各向同性材料下优化所得的试件同样适用于各向异性材料.最后,对形状记忆合金相变过程在试验区中引起的应力应变变化进行了数值模拟,其结果表明优化试件完全能够满足记忆合金材料双轴实验的要求.     

动态拉伸试验中试样应变测试的有效性分析

为了评估将试样通过胶粘连接到加载杆的Hopkinson杆装置所获得试样应变的有效性,对四种强度刚度差异较大的纤维增强复合材料进行了动态拉伸试验。试验时,试样通过环氧胶和杆夹层粘接,试样的应变分别按照Hopkinson杆一维应力波理论计算和试样上应变计直接准确测量得到。结果证明：对小变形碳纤维复合材料,按一维应力波理论计算的应变与试样上直接所测应变值偏差超过100%;对较大变形的GFRP和KFRP层合板,两者偏差小于40%。说明采用Hopkinson杆一维应力波理论计算的试样应变不准确。为修正不准确性,一是通过大量数据分析建立按一维应力波理论计算值与直接测量应变之间的关系式,用此式可使此试验装置获得有效的试样应变;二是借助ABAQUS有限元模拟分析得出粘胶层以及试样过渡弧段的变形,用一维应力波理论计算的应变减去此变形,也可获得有效的试样应变。     

A plasticity and anisotropic damage model for plain concrete

A plastic-damage constitutive model for plain concrete is developed in this work. Anisotropic damage with a plasticity yield criterion and a damage criterion are introduced to be able to adequately describe the plastic and damage behavior of concrete. Moreover, in order to account for different effects under tensile and compressive loadings, two damage criteria are used: one for compression and a second for tension such that the total stress is decomposed into tensile and compressive components. Stiffness recovery caused by crack opening/closing is also incorporated. The strain equivalence hypothesis is used in deriving the constitutive equations such that the strains in the effective (undamaged) and damaged configurations are set equal. This leads to a decoupled algorithm for the effective stress computation and the damage evolution. It is also shown that the proposed constitutive relations comply with the laws of thermodynamics. A detailed numerical algorithm is coded using the user subroutine UMAT and then implemented in the advanced finite element program ABAQUS. The numerical simulations are shown for uniaxial and biaxial tension and compression. The results show very good correlation with the experimental data.     

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%.