金属材料在复杂应力状态下的塑性流动特性及本构模型

工程应用中,金属材料和结构往往处于复杂应力状态。材料的塑性行为会受到应力状态的影响,要精确描述材料在复杂应力状态下的塑性流动行为,必须在本构模型中考虑应力状态效应的影响。然而,由于在动态加载下材料的应变率效应和应力状态效应相互耦合、难以分离,给应力状态效应的研究和模型的建立造成很大困难。通过对Ti-6Al-4V钛合金材料开展不同加载条件下的力学性能测试,提出了一个包含应力三轴度和罗德角参数影响的新型本构模型,并通过VUMAT用户子程序嵌入ABAQUS/Explicit软件。分别采用新提出的塑性模型和Johnson-Cook模型对压剪复合试样的动态实验进行了数值模拟。结果表明,新模型不仅在对材料本构曲线的拟合方面具有较强的优势,而且由该模型所得到的透射脉冲和载荷-位移曲线均更加准确。因此,该模型能够更精确地描述和预测金属材料在复杂应力状态下的塑性流变行为。     

考虑围压效应的冻结砂土动态本构模型研究

为描述主动围压作用下冻结砂土的动态力学特性,通过在朱-王-唐模型的非线性体上串联塑性体,建立了能够考虑围压效应的冻结砂土动态损伤本构模型;分析了损伤参数对应力-应变曲线特征、屈服点、峰值应力和峰值应变的影响规律,基于冻结砂土动力学试验数据确定了模型参数;通过将模型和试验数据进行对比,并对不同试验条件下模型的预测误差进行分析,验证了模型的适用性和准确性。结果表明,损伤参数对应力-应变曲线弹性阶段和屈服点无明显影响,而对塑性阶段和破坏阶段的影响较为显著,本构模型预测的应力-应变曲线与试验结果具有较好的一致性。模型能够预测围压引起冻结砂土塑性阶段占比大和屈服点明显的特征,且能够描述围压对冻结砂土动态强度的增强效应;不同负温和主动围压条件下,模型对峰值应力和屈服强度的预测效果优于峰值应变和屈服应变。     

A nonlinear constitutive model for magnetostrictive materials

A general nonlinear constitutive model is proposed for magnetostrictive materials, based on the important physical fact that a nonlinear part of the elastic strain produced by a pre-stress is related to the magnetic domain rotation or movement and is responsible for the change of the maximum magnetostrictive strain with the pre-stress. To avoid the complicity of determining the tensor function describing the nonlinear elastic strain part, this paper proposes a simplified model by means of linearizing the nonlinear function. For the convenience of engineering applications, the expressions of the 3-D (bulk), 2-D (film) and 1-D (rod) models are, respectively, given for an isotropic material and their applicable ranges are also discussed. By comparison with the experimental data of a Terfenol-D rod, it is found that the proposed model can accurately predict the magnetostrictive strain curves in low, moderate and high magnetic field regions for various compressive pre-stress levels. The numerical simulation further illustrates that, for either magnetostrictive rods or thin films, the proposed model can effectively describe the effects of the pre-stress or residual stress on the magnetization and magnetostrictive strain curves, while none of the known models can capture all of them. Therefore, the proposed model enjoys higher precision and wider applicability than the previous models, especially in the region of the high field.The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10132010 and 90405005)     

冲击载荷下猪后腿肌肉的横向同性本构模型

基于纤维增强复合材料连续介质力学理论及粘弹性理论,提出了猪后腿肌肉的率相关本构模型。 通过拟合以往研究中猪后腿肌肉的SHPB和SHTB实验应力应变曲线,确定了本构模型的相关参数。结果 表明:提出的本构模型既能描述猪后腿肌肉沿纤维方向的动态压缩力学性能又能描述其动态拉伸性能,理论 模型与实验模型有较好的一致性。该结果可为安全防护数值模拟提供一定的理论依据。     

K0超固结结构性黏土的本构模型

K₀固结黏土在自然界广泛分布, 其通常同时具有超固结性与天然结构性, 而K₀超固结性又与K₀正常固结性质存在很大差异. 为了有效的描述K₀超固结性质, 在结构性模型基础上, 做了如下三点改进, 使得原模型拓展为同时考虑K₀超固结特性与天然结构性影响的本构模型. (1)引入相对应力比来描述屈服面, 并引入初始各向异性转轴参量ξ来表达初始各向异性对屈服面在p-q空间的位置影响. (2)基于给定的屈服面方程, 推导得到变相应力比参量, 并将变相应力比引入到统一硬化参数中, 利用统一硬化参数可以有效描述初始各向异性固结黏土在剪切加载下的剪缩与剪胀, 应变硬化及软化现象. (3)引入反映结构性胶结强度性质的胶结参量p_e, 并给出p_e随塑性偏应变的衰减演化方程, 利用胶结参量可描述结构性黏土的剪胀特性. 预测与试验结果对比表明, 所提的K₀超固结结构性模型可有效描述K₀超固结黏土的刚度提高效应, 黏土的包辛格效应, 结构性黏土胶结强度的损失现象以及结构性黏土的应变软化现象. 证明了所提模型的适用性以及合理性.      

动脉壁静态非线性力学性质的实验和理论研究

在动脉血管壁力学实验及已有的拟弹性理论研究基础上,提出了一个理论模型来分析具有残余应力动脉壁的非线性力学性质． 在动脉壁被模拟为均质、正交各向异性、不可压缩和具有初应力材料的前提下,建立了一个表达有残余应力动脉壁静态三维非线性拟弹性性质的ｅ指数型本构方程． 动脉壁本构方程中的十个拟弹性参数是用我们的动脉实验数据及所发展的多曲线联合逼近算法数据拟合来确定．     

高应变率下航空透明聚氨酯的动态本构模型

采用低阻抗分离式霍普金森压杆对航空透明聚氨酯进行了高应变率下的动态力学性能测试,得到的应力应变曲线表现出了显著的非线性黏弹性特征。基于本构理论和实验数据,构建了航空透明聚氨酯的松弛时间应变相关的超黏弹性本构形式。该本构模型由2部分组成:一部分表征准静态下的超弹性行为,另一部分描述非线性应变率的相关特性。利用超黏弹性本构模型对不同应变率下航空透明聚氨酯的动态应力应变曲线进行拟合,拟合曲线与实验曲线一致性良好。     

微振激励下黏弹性阻尼器微观链结构力学模型

减小微振动对高精密仪器至关重要,利用黏弹性阻尼器进行微振动抑制是一个新兴而又具有挑战性的课题.本文采用分子链网络模型方法分析了黏弹性材料的微观分子链结构,综合考虑材料分子链结构中的网络链和自由链对黏弹性材料力学性能的影响,提出一种基于材料微观分子链结构的微振激励下黏弹性阻尼器力学模型.模型分别采用标准线性固体模型和Maxwell模型来描述网络链和自由链中单个链的力学性能,并分别采用8链网络模型和3链网络模型考虑两种类型分子链的综合效应,引入温频等效原理描述温度对微振激励下黏弹性阻尼器力学性能的影响.该模型能够描述温度和频率对黏弹性阻尼器动态力学性能的影响,并能够反映黏弹性材料的微观结构与材料力学性能的关系.为验证所提模型的有效性及考察黏弹性阻尼器在微振激励下的耗能能力和动态力学性能,在微振条件下对黏弹性阻尼器进行了动态力学性能试验.研究结果表明黏弹性阻尼器具有较好的微振耗能能力,其动态力学性能受温度和频率影响较大,所提的力学模型能够精确地描述微振激励下黏弹性阻尼器动态力学性能随温度和频率的变化关系.      

Kevlar/环氧树脂层合材料的动静态力学性能及本构关系

利用MTS和SHPB装置开展了Kevlar / 环氧树脂层合材料动静态力学性能实验研究,详细讨论了应变率和纤维铺设方式的不同所引起的材料力学行为的差异。根据实验结果提出了一种经验型本构模型,该模型不仅考虑了材料的应变率硬化、损伤软化效应,还通过增强系数的引入描述了纤维铺设方式对材料力学性能的影响。     

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。     

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.      

ELASTO-PLASTIC CONSTITUTIVE MODEL OF SOIL-STRUCTURE INTERFACE IN CONSIDERATION OF STRAIN SOFTENING AND DILATION

The behavior of soil-structure interface plays a major role in the definition of soil-structure interaction. In this paper a bi-potential surface elasto-plastic model for soil-structure interface is proposed in order to describe the interface deformation behavior,including strain softening and normal dilatancy. The model is formulated in the framework of generalized potential theory,in which the soil-structure interface problem is regard as a two-dimensional mathematical problem in stress field,and plastic state equations are used to replace the traditional field surface. The relation curves of shear stress and tangential strain are fitted by a piecewise function composed by hyperbolic functions and hyperbolic secant functions,while the relation curves of normal strain and tangential strain are fitted by another piecewise function composed by quadratic functions and hyperbolic secant functions. The approach proposed has the advantage of deriving an elastoplastic constitutive matrix without postulating the plastic potential functions and yield surface. Moreover,the mathematical principle is clear,and the entire model parameters can be identified by experimental tests. Finally,the predictions of the model have been compared with experimental results obtained from simple shear tests under normal stresses,and results show the model is reasonable and practical.     

由Bezier曲线构造的聚合物熔体剪切黏度模型

为提高聚合物熔体剪切黏度模型的描述精度,提出了一个基于二次Bezier 曲线的黏度模型. 模型采用分段函数描述,在对数坐标系中,低剪切速率时的牛顿区和高剪切速率时的幂律区采用线性函数,介于二者之间的过渡区采用二次Bezier 曲线. 通过牛顿区和幂律区的直线延长线构造Bezier 曲线的控制多边形,从而保证三段曲线的光滑过渡. 模型可以明确给出任意温度下低剪切速率时牛顿区的结束点,以及高剪切速率时幂律区的开始点. 拟合算例表明,所提出模型的拟合精度明显高于Cross-Arrhenius 黏度模型.      

基于Burgers模型考虑损伤的岩石蠕变全过程研究

岩石蠕变是一个显著的非线性问题，而经典的Burgers 模型是一种线性蠕变模型，必然不能全面地描述岩石蠕变的全过程．当岩石处于高应力水平下的加速蠕变阶段，岩石内部损伤会不断产生和累积，蠕变呈现出明显的非线性特征．为了更好地描述考虑损伤的岩石蠕变全过程，本文假定加速蠕变阶段的损伤演化方程，将损伤引入到Burgers 模型中，提出了一种非线性蠕变损伤模型．然后以乔后盐矿试件蠕变实测数据为分析案例，验证模型在应用于实际工程时的准确性和适用性．最后根据Origin 软件数值拟合的结果，表明本文所提出的非线性蠕变损伤模型能很好地描述岩石蠕变全过程，模型参数取值也在合理范围之内，模型拟合曲线与实验所得数据具有较好的一致性．     

考虑动水压力和流固耦合的库水-坝体-地基系统建模与动力分析

结合动水压力模型和罚函数耦合算法,考虑地基和坝体结构的接触以及边界效应,构建动水压力和流固耦合作用下的库水-坝体-地基地震响应分析模型和方法。通过与试验结果及解析解和实测数据对比,验证了本文模型和方法能准确反映系统地震荷载和分析整体耦合系统的动力响应,引入罚函数处理流固耦合界面能提高计算收敛速度。进一步以某重力坝工程实际为背景,验证本文构建的模型和方法适用于库水-坝体-地基耦合系统动力分析的可行性,并分析了地震作用下地基变形对系统动力响应的影响。     

对基于恢复时间的剪稀流变模型的进一步探讨及其对squalane油品流变特性的模拟

本文作者前期基于球-杆变形后恢复到原状态的时间,建立了新的形式较简单的流变模型,并模拟了黏度较高的聚合油PAO 650的摩擦系数曲线.本文中将该模型的应用范围进行了推广,模拟了黏度较低的squalane油品的流变特性.把该流变公式应用到点接触热流变弹流润滑的数学模型中,通过与试验测得的摩擦系数的比较确定了使用该模型时squalane油品的待定参数值,进而得到了点接触热流变弹流润滑的完全数值解.结果表明:解得的压力、膜厚和温度的变化规律均符合预期,且摩擦系数曲线与试验结果整体吻合性较好.新流变模型对高、低黏度的油品均能得到合理的流变特性曲线,说明作者的基于恢复时间的流变模型具有一定的正确性和可应用性.另外,由新模型计算得到的squalane油品的剪应力曲线呈现出一近似水平段,这也在一定程度上解释了流变试验文献中多次提到的极限剪应力现象.     

多晶纯钛在高应变率不同温度下的拉伸力学行为实验研究

利用MTS809和自行研制的旋转盘冲击拉伸试验机,对多晶纯钛进行了应变率为0.001s-1和300s-1、温度为298K至973K的拉伸试验和应变率为300 s-1不同温度下的冲击拉伸复元试验,得到了多晶纯钛的拉伸应力应变曲线和高应变率等温应力应变曲线。试验结果表明,多晶纯钛的拉伸力学行为具有应变率和温度相关性。采用修正的Johnson-Cook模型进行数值拟合,结果表明,该本构模型能较好地表征多晶纯钛在试验应变率和温度范围内的拉伸力学行为。     

一种预测颗粒增强复合材料界面力学性能的新方法

界面在颗粒增强复合材料中起到传递载荷的关键作用,界面性能对复合材料整体力学行为产生重要影响.然而由于复合材料内部结构较为复杂,颗粒与基体间的界面强度和界面断裂韧性难以确定,尤其是法向与切向界面强度的分别预测缺乏有效方法.本文以氧化锆颗粒增强聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料为研究对象,提出一种预测颗粒增强复合材料界面力...     

A model to describe the flow curves of concentrated suspensions of spherical particles

Summary The explanation for the very common phenomenon of linearity of double logarithmic plots of stress and shear-rate for shear-thinning concentrated suspensions, proposed in earlier papers, has been much extended. A definite model is proposed which, while not claiming to describe real systems in detail, leads to the linearity of the log-log curves and probably represents fairly well the actual behaviour of such systems as thick fresh dairy creams at low temperatures.     

基于六参数非均匀密度函数的伊万模型研究

伊万模型(Iwan model) 常用于描述连接的能量耗散和阻尼特性,来研究连接结构的非线性静动力学行为.本文提出了一个含截断幂律分布和双脉冲的非均匀密度函数的六参数伊万模型, 推导出六参数伊万模型的骨线方程,微、宏观滑移情况下的卸载方程和能量耗散的解析表达式,并讨论了模型参数对能量耗散的影响. 与已有的伊万模型相比,六参数伊万模型能够更好地描述连接结构的实验现象.