ZWT非线性热粘弹性本构关系的研究与应用

回顾和介绍了源于高分子材料非线性热粘弹性本构特性研究的ZWT（朱玉唐）本构模型。该模型揭示了高聚物在跨越准静态到冲击动态8个量级应变率范围和大应变下的本构非线性来自纯弹性响应而其率相关响应基本呈线性;发现准静响应和高应变率响应分别由各自的特征松弛时间控制,而各自的影响域仅为4．5个量级应变率;在同时考虑湿度效应后发展了非线性热粘弹性本构模型,并建立了相应的时间／速率与温度间的互换／等效关系;实验证实ZWT方程对热固性塑料、热塑性塑料和高聚物基复合材料都适用,并可推广到混凝土;在研究了材料内部损伤在冲击大变形下的率相关抽伤学化律后,进一步提出了计及损伤率型演化的ZWT方程和相应的双变量（应变、应变率）动态破坏准则;基于ZWT方程研究了粘弹性波的弥散和衰减特性,指出存在一个由高应变率松驰时间占统治地位的“有效传播时间”或“有效传播距离”;进而一方面提出了一个确定高聚物在高应变下粘弹性本构方程的反问题解法,另一方面把传统的SHPB弹性压杆技术推广到粘弹性压杆,从而可对低波阻抗材料进行冲击试验研究。     

有限变形的三维粘弹性本构模型(英文)

遗传积分形式与弹性元件和粘壶串并联表示的微分形式可以描述高聚物小变形情况下的粘弹性特性.文章以这些小变形的本构模型为起点,推出有限变形下的本构模型.一个有限变形过程分解成一系列微小变形子过程.小变形子过程中,应力的转动变化由弹性本构方程确定,主应力的变化由弹性元件和粘壶串并联结构的模型确定,这样提出了一个满足客观性原理的有限变形的粘弹性本构模型.模型材料参数随应变率而变,所以模型适合于从准静态到冲击载荷的较宽应变率范围.作为应用,计算了简单剪切有限变形,就建议的模型与现有的模型进行了比较,结果表明建议的模型能够描述高聚物有限变形情况下的粘弹性性质.     

碳酚醛各向异性本构关系和波传播

通过理论和实验研究相结合的方法,建立了碳酚醛材料的横观各向同性粘塑性本构关系,并对其一维应变波的传播问题进行了典型的数值计算,总结和揭示了其本构方程和应力波传播的若干规律和特点。     

“固体中非线性弹塑性加-卸载波和粘弹性波的传播”荣获2006年度教育部高等学校自然科学奖一等奖

由我校王礼立教授等完成的“固体中非线性弹塑性加-卸载波和粘弹性波的传播”成果荣获2006年度教育部高等学校自然科学奖一等奖．该成果在加-卸载边界的传播规律及其描述方法、应力波诱导的表面裂纹损伤区产生规律等方面取得了重大突破，建立了新的弹塑性纵波和横波相耦合的传播理论和梁在横向冲击下的新的动态剪切失效的“移行剪切铰”理论，首创船撞桥柔性耗能防护装置应力波分析设计，[第一段]     

环氧树脂在高应变率下的热粘弹性本构方程和时温等效性

在—20℃～100℃的温度范围内用SHPB实验技术研究了环氧树脂在高应变率(10~2～10~3s~(-1))和直到7.5％大应变下的粘弹性力学行为。提出了一个简单实用的非线性热粘弹性本构方程,并发现存在一种时温等效性。在加卸载全过程中,理论计算值与实验结果相当符合。     

混凝土的动态损伤演化

在实验研究的基础上,建立了混凝土的类似于位错运动热激活机制的率型损伤演化律,将ZWT方程推广应用到混凝土类材料,提出了混凝土计及损伤演化的率型非线性粘弹性本构关系。数值拟合表明理论预示与实验的吻合性相当好。     

长期荷载作用下含粘弹性界面层合板的力学行为

采用状态空间法研究了含弱界面斜交铺设复合材料层合板的力学行为. 选用Kelvin-Voigt粘弹性本构关系模拟结构的界面特性. 为了考察长期荷载作用下层合结构依赖于时间变量的力学响应, 通过递推关系在时间域内构建了一组关于层间滑移量的状态微分方程, 从而得到了结构中各物理量在任意时刻的弹性力学精确解. 通过与其他学者研究结果的比较, 验证了本研究方法的准确性和有效性. 研究结果表明, 层间弱粘结会严重影响复合材料层合结构的力学特性, 降低结构的承载力和整体刚度.     

混凝土结构动态安全分析的重要基础──混凝土动态力学性能

混凝土结构在爆炸与冲击载荷下的安全分析通常应计及两种最基本的动力学效应，即结构的应力波效应和材料的应变率效应。然而混凝上结构中的应力波传播特性实际上又依赖于混凝土在高应变率下的率型本构关系。本文回顾讨论了这方面的研究进展情况，包括混凝土弹性摸量，抗压强度，断裂应变等重要强度参数对应变率的相关性，特别强调混凝上率型本构夫系的研究、以及计及损伤演化的重要性。最后指出研究中存在的问题，及今后的发展趋势。     

国产航空有机玻璃在冲击载荷下的热粘弹性力学响应

本文以鸟撞高速飞机风档问题为背景,对国产航空有机玻璃3~#PMMA在从准静载荷的应变率(10~(-4)S~(-1))直到冲击载荷的高应变率(10~3S~(-1))范围,和环境温度从-60℃到+100℃范围内的力学性能进行了系统的实验研究,并建立了相应的非线性热粘弹性本构方程。理论预示与实验结果符合。另外还对3~#PMMA低温及高应变率冲击脆化现象进行了讨论,发现与这一现象相一致,3~#PMMA在高应变率冲击条件下的玻璃化温度有明显的提高。     

金属损伤演化方程和层裂准则的确定

文中由唯象分析和细观统计相结合的方法给出了一种新的损伤演化方程．对两种金属，在试验结果和内变量理论的基础上得到了计及损伤的热-粘塑性本构关系．用有限差分数值计算研究了应力波传播规律、损伤发展及层裂．通过自由面速度历史的数值模拟，并基于计算结果与试验结果间的最佳一致性，得到了损伤演化方程和层裂准则中的材料参数．     

介质层中电磁波的能量中心运动方程

用广义变分法处理了介质层中电磁波的传播问题。把介质界面处的电磁波视为一个受约束的系统。采用广义变分基于在坐标变换下约束系统的变换性质，推导了两个介质界面附近电磁波的一些性质．由这些性质导出了电磁波能量中心运动方程。显示出每个界面都存在横向移动。     

非相对论性等离子体纵振荡的色散关系

从等离子体动力论方程出发,通过对由原色散函数表示的色散方程进行数值计算来研究非相对论性等离子体纵振荡的色散关系.得到了除朗缪尔波、离子声波和离子等离子体波外其它纵波的色散曲线和拟合色散关系.在对色散曲线进行拟合时,得出了曲线中不同部分的最佳拟合式.     

混凝土材料的平板撞击实验与数值模拟研究

通过实验和数值模拟研究了混凝土材料在强冲击载荷（平板撞击）下的动态特性.采用内径57mm的一级轻气炮实验结合高阻锰铜压阻计的动态测试技术,得到了C40混凝土试样的原始电压-时间波形曲线,并换算得到相应的应力-时间波形;分析应力波传播速度,得到材料的最大应变率约为55.40×10s-1,压力峰值区间为0.340~2.702GPa.实测结果表明：不同位置处的压力在快速上升至峰值后均随时间衰减,且冲击波峰值随传播距离快速衰减,呈现出明显的粘弹性特征和耗散特性.并利用LS-DYNA程序对混凝土试样的平板撞击实验过程进行了数值模拟,模拟的应力-时间曲线与实测压力波形走势完全一致,峰值很接近,整体吻合较好.     

有底坡淤泥质床面上波浪传播的波要素变化

从理论上分析了线性波在有底坡的淤泥质床面上传播时波要素的变化规律．采用粘弹性体模型进行数值计算，并讨论了波高衰减的非线性特性以及泥层厚度对衰减律的影响，得出了一些有意义的结论．     

锥杆中应力波传播的放大特性

从变截面杆中一维应力平面波的无量纲控制方程组出发,采用特征线数值解法分析了应力波在锥形杆段中的传播特性,讨论了无量纲参数和对透射波放大系数和波形的影响,为应力波放大器的合理设计提供了理论依据。在Hopkinson压杆装置上对锥杆中的应力波传播进行了实验研究。理论分析计算和实验研究结果一致地表明原先由Leftheris提出的计算公式和有关结论是错误的。     

基于复合材料层合板理论的路面动力响应研究

根据层合板理论,将路面视为Winkler粘弹性地基上宽度为B的无限长厚板,研究了交通荷载下混凝土路面的动力响应,也同时考虑运动荷载速度的影响.运用Fourier级数和Fourier变换技术得到了运动荷载作用下路面动力响应积分形式的解答,并利用数值Fourier逆变换得到运动荷载响应的计算结果,分析了荷载速度对位移和弯矩响应的影响.     

国产航空有机玻璃(PMMA)的非线性应力松弛行为研究

实验测定了国产航空有机玻璃PMMA在室温(20℃)、3—20.45％应变量范围内的应力松驰曲线。将用于表述中低应变率下加卸载循环的应力—应变行为的非线性本构理论,也即以考虑弹性和粘弹性变形的标准线性体和考虑塑性变形的活化粘壶作串联耦合的本构模型扩展应用到应力松弛状态,给出了相应的本构理论方程。对实验测得的应力松弛曲线进行数值拟合计算,吻合结果良好。表明所提出的本构模型也适用于描述PMMA的非线性应力松弛行为。得到了平衡态的应力一应变曲线,曲线的单调变化,表明不存在屈服极大值及以后的应变软化效应。     

平面冲击波试验弹托边侧效应研究

试验在一级气体炮上进行，采用LS-DYNA中的J-C本构模型及S—C—G本构模型进行了数值模拟．计算结果表明：采用不同本构模型数值模拟的飞片与靶的速度历史明显不同，计及弹托的边侧效应比不计及弹托的边侧效应严重得多，且回收的飞片及靶的严重变形也归结于弹托的边侧效应．