准脆性材料的弹塑性各向异性损伤耦合本构模型研究

针对准脆性材料的非线性特征：强度软化和刚度退化、单边效应、侧限强化和拉压软化、不可恢复变形、剪胀及非弹性体胀,在热动力学框架内,建立了准脆性材料的弹塑性与各向异性损伤耦合的本构关系。对准脆性材料的变形机理和损伤诱发的各向异性进行了诠释,并给出了损伤构形和有效构形中各物理量之间的关系。在有效应力空间内,建立了塑性屈服准则、拉压不同的塑性随动强化法则和各向同性强化法则。在损伤构形中,采用应变能释放率,建立了拉压损伤准则、拉压不同的损伤随动强化法则和各向同性强化法则。基于塑性屈服准则和损伤准则,构建了塑性势泛函和损伤势泛函,并由正交性法则,给出了塑性和损伤强化效应内变量的演化规律,同时,联立塑性屈服面和损伤加载面,给出了塑性流动和损伤演化内变量的演化法则。将损伤力学和塑性力学结合起来,建立了应变驱动的应力-应变增量本构关系,给出了本构数值积分的要点。以单轴加载-卸载往复试验识别和校准了本构材料常数,并对单轴单调试验、单轴加载-卸载往复试验、二轴受压、二轴拉压试验和三轴受压试验进行了预测,并与试验结果作了比较,结果表明,所建本构模型对准脆性材料的非线性材料性能有良好的预测能力。     

混凝土的弹塑性损伤双面本构模型

针对混凝土材料拉压应变空间下损伤机制的不同,结合连续损伤力学和塑性理论建立了一个全新的本构模型。该模型中损伤和塑性变形的演变由应变空间的同一个非弹性曲面来控制,但对拉压应变空间中非弹性曲面的演变分别采用了随动强化法则和各向同性演化规律。计算结果表明,该模型能较好地描述混凝土材料在单轴及多轴单调加载和低周反复荷载下的典型非线性特征。     

多轴加载下混凝土细观破坏模拟的强度准则探讨

实际工程结构中混凝土材料大多处于双轴或三轴的复杂应力状态,已有的细观力学数值研究工作大多针对单轴加载问题,对于双轴或者三轴加载条件下混凝土破坏模拟的研究相对较少。复杂受力条件下的混凝土材料破坏模拟中,细观组分强度准则选取的合理与否将成为混凝土破坏模式及宏观力学性能数值研究准确和成功与否的关键。本文旨在探讨单轴强度准则,如最大拉应变准则在多轴加载条件下混凝土破坏过程研究中运用的合理性。鉴于此,首先在细观尺度上建立了混凝土试件的二维随机骨料模型,分别采用弹性损伤本构关系模型及塑性损伤本构关系模型来描述细观组分(即砂浆基质)的力学性能,对双轴加载条件下混凝土的细观破坏过程进行数值模拟,对比了单轴强度准则和多轴强度准则下混凝土试件破坏路径及宏观应力-应变关系的差异。数值结果表明,简单的单轴强度准则难以反映双轴加载下混凝土内部应力状态的复杂性,不宜采用单轴强度准则来描述多轴加载下混凝土的破坏行为。     

超弹性镍钛形状记忆合金单轴相变棘轮行为的宏观唯象本构模型

超弹性镍钛形状记忆合金因其良好的力学性能以及独特的超弹性和形状记忆效应已广泛应用于土木工程、航空航天和生物医疗等多个领域,在实际服役环境中超弹性镍钛合金元件不可避免地会承受不同应力水平的循环载荷作用,亟待建立描述相变棘轮行为(即峰值应变和谷值应变随着正相变和逆相变循环的进行不断累积)的循环本构模型.为此,基于已有的超弹性镍钛形状记忆合金在不同峰值应力下的单轴相变棘轮行为实验研究结果,在广义黏塑性框架下,对Graesser等提出的通过背应力非线性演化方程反映超弹性镍钛形状记忆合金超弹性行为的一维宏观唯像本构模型进行了拓展,考虑了正相变和逆相变过程中特征变量的差异及其随循环的演化,以非弹性应变的累积量为内变量引入了正相变开始应力、逆相变开始应力、相变应变和残余应变的演化方程,同时通过峰值应力与正相变完成应力的比值来确定演化方程中的相关系数,建立了描述超弹性镍钛合金单轴相变棘轮行为的本构模型.将模拟结果与对应的实验结果进行对比发现,建立的宏观唯像本构模型能够合理地描述超弹性镍钛形状记忆合金的单轴相变棘轮行为及其峰值应力依赖性,模型的预测结果和实验结果吻合得很好.     

一种描述形状记忆合金拟弹性变形行为的本构关系

本文给出一种描述形状记忆合金拟弹性变形现象的本构关系,可用于多晶材料在一般应力状态下及单晶材料在单轴应力下的变形情况。该本构关系采用弹性应变与相变应变迭加形式,物理意义明显,形式简洁。对 Cu-Zn-Sn 合金及 Ti-Ni 合金材料的变形行为进行了模拟计算,结果与实验值有较好的吻合。     

一种描述形状记忆合金拟弹性变形行为的本构关系

本文给出一种描述形状记忆合金拟弹性变形现象的本构关系,可用于多晶材料在一般应力状态下及单晶材料在单轴应力下的变形情况。该本构关系采用弹性应变与相变应变迭加形式,物理意义明显,形式简洁。对 Cu-Zn-Sn 合金及 Ti-Ni 合金材料的变形行为进行了模拟计算,结果与实验值有较好的吻合。     

复杂加载下混凝土的弹塑性本构模型

混凝土材料在不同应力路径下或复杂加载条件下会表现出差异性显著的应力应变关系,在小幅循环加载条件下,其应力应变关系会表现出类似于弹性变形的滞回曲线.在不同应力水平下,混凝土的应力应变关系以及破坏特性都具有静水压力相关特点,即随着静水压力增大,各向异性强度特性弱化.此外,混凝土受压及受拉破坏机理不同,因而对应于混凝土硬化损伤亦有不同,即可分为受压硬化损伤,受拉硬化损伤及两者的混合硬化损伤类型.基于Hsieh模型,对该模型进行了三点改进.（1）针对小幅循环加载下混凝土无塑性变形的试验规律,而模型中在应力水平较低的循环加载条件下始终存在塑性变形的预测问题,采用在边界面模型框架下,设置了应力空间的弹性域,初始屈服面与后续临界状态屈服面几何相似的假定.（2）基于广义非线性强度准则将原模型采用变换应力方法将其推广为三维弹塑性本构模型,采用变换后模型可合理的考虑不同应力路径对于子午面以及偏平面上静水压力效应形成的影响,并避免了边界面应力点奇异问题.（3）分别对拉压两种加载损伤模式建议了相应的硬化参数表达式,可分别用于描述上述加载中产生的应变软化及强度退化行为.基于多种加载路径模拟表明:所建立的三维弹塑性本构模型可合理地用于描述混凝土的一般应力应变关系特性.      

混凝土材料损伤耦合的非线性粘弹性本构关系

根据不可逆热力学原理和推广的Onsager原理建立了内变量演化的非线性方程;采用迭代方法得到了非线性方程的迭代解,并根据Lipschitz条件给出了迭代解的收敛条件。由此,建立了一维应力条件下的非线性粘弹性本构关系。将这一本构关系推广至三维应力情况,并考虑了状态方程和损伤演化,在剪切诱导材料粘性的前提下建立了混凝土损伤耦合的非线性粘弹性本构关系。在该关系式中：损伤演化方程与混凝土的粘性应变积累相关;状态方程服从三次多项式的形式。实验结果表明：此模型能够比较好地表征混凝土材料在达到强度极限前后的强化与软化的特征。     

混凝土黏塑性动力损伤本构关系

从静力弹塑性损伤本构关系的基本框架出发, 综合考虑塑性应变与损伤 演化的率敏感性, 建立了能够较为全面地描述混凝土在动力加载条件下非线性性能的混凝土 黏塑性动力损伤本构模型. 为了考虑塑性应变的率敏感性, 基于Perzyna理论推导了有效应 力空间黏塑性力学基本公式, 采用改进的Perzyna型动力演化方程, 将损伤静力演化方程推 广到动力加载情形. 基于并联弹簧模型, 从概率论的角度推导给出了一维损伤静力演化方程, 并基于能量等效应变的基本概念将其推广到多维损伤演化. 利用数值模拟, 计算得到了 混凝土在不同应变率下的应力应变全曲线, 同时得到了一维动力提高因子和二维动力强度包 络图, 数值结果与试验结果的对比表明了该模型的有效性.     

有机玻璃在高应变率下的损伤型非线性粘弹性本构关系及破坏准则

对两种有机玻璃高应变率下的大变形和破坏行为进行了实验研究,通过改进文献[2]本构关系的非线性弹性项并引入损伤参量,建立了一个适用于更大变形范围、能描述应力平台及本构失稳的损伤型非线性粘弹性本构方程。相应地,从临界损伤量概念出发,提出以应变和应变率为控制变量的破坏准则。不论是本构关系还是破坏准则,理论计算均与试验结果吻合良好。     

混凝土化学-力学耦合作用的非局部损伤模型

提出了混凝土化学损伤和力学损伤的耦合模型.用损伤变量表示的本构关系模拟混凝土力学性能.分析了化学侵蚀下混凝土损伤发展过程.研究表明,应力软化造成混凝土局部损伤是结构失效的根源.局部化学损伤出现的时候,平衡微分方程不能满足.为了解决这个问题,采用了非局部损伤模型.试验和有限元计算结果表明,混凝土化学-力学耦合作用的非局部损伤模型能够较好地描述受化学侵蚀与荷载共同作用的损伤状态.     

冲击载荷下混凝土材料的动态本构关系

利用改装的杆径为 74mm的直锥变截面式大尺寸Hopkinson压杆对混凝土材料进行冲击压缩实验 ,系统研究了混凝土的应变率硬化效应 ,采用一种新的方法损伤冻结法对混凝土材料在冲击载荷下的损伤软化效应进行了系统研究 ,给出了冲击载荷下混凝土的损伤演化方程 ;在对数据进行合理分析的基础上 ,结合粘弹性本构理论 ,得到混凝土材料的损伤型线性粘弹性本构关系。     

半结晶聚合物损伤演化的实验表征与数值模拟

损伤本构模型对研究材料的断裂失效行为有重要意义, 但聚合物材料损伤演化的定量表征实验研究相对匮乏. 通过4种高密度聚乙烯(high density polythylene, HDPE)缺口圆棒试样的单轴拉伸实验获得了各类试样的载荷-位移曲线和真应力-应变曲线, 采用实验和有限元模拟相结合的方法确定了HDPE材料不同应力状态下的本构关系, 并建立了缺口半径与应力三轴度之间的关系;采用两阶段实验法定量描述了4种HDPE试样单轴拉伸过程中的弹性模量变化, 并建立了基于弹性模量衰减的损伤演化方程, 结合中断实验和扫描电子显微镜分析了应力状态对HDPE材料微观结构演化的影响. 结果表明缺口半径越小, 应力三轴度越大, 损伤起始越早、演化越快; 微观表现为: 高应力三轴度促进孔洞的萌生和发展, 但抑制纤维状结构的产生;基于实验和有限元模拟获得的断裂应变、应力三轴度、损伤演化方程等信息提出了一种适用于聚合物的损伤模型参数确定方法, 最后将本文获得的本构关系和损伤模型用于HDPE平板的冲压成形模拟, 模拟结果与实验结果吻合良好.      

Micromechanics-based elastic-damage analysis of laminated composite structures

Based on the micromechanics-based constitutive model, derived in our preceding work [Lee, H.K., Pyo, S.H., 2009. A 3D-damage model for fiber-reinforced brittle composites with microcracks and imperfect interfaces. Journal of Engineering Mechanics-ASCE, in press, doi:10.1061/(ASCE)EM.1943.7889.0000039.], incorporating a multi-level damage model and a continuum damage model, the overall elastic behavior and damage evolution of laminated composite structures are studied in detail. The constitutive model is implemented into the finite element program ABAQUS using a user-subroutine UMAT to solve boundary value problems of the composite structures. The validity of the implemented constitutive model is assured by comparing the predicted stress–strain curves with experimental data available in literature under uniaxial tension with various fiber orientations. The results show that the proposed micromechanics-based constitutive model accurately predict the overall elastic-damage behavior of laminated composite structures having different material compositions, thicknesses and boundary conditions.     

Stochastic damage model for concrete based on energy equivalent strain

Starting with the framework of conventional elastoplastic damage mechanics, a class of stochastic damage constitutive model is derived based on the concept of energy equivalent strain. The stochastic damage model derived from the parallel element model is adopted to develop the uniaxial damage evolution function. Based on the expressions of damage energy release rates (DERRs) conjugated to the damage variables thermodynamically, the concept and its tensor formulations of energy equivalent strain is proposed to bridge the gap between the uniaxial and the multiaxial constitutive models. Furthermore, a simplified coupling model is proposed to consider the evolution of plastic strain. And the analytical expressions of the constitutive model in 2-D are established from the abstract tensor expression. Several numerical simulations are presented against the biaxial loading test results of concrete, demonstrating that the proposed models can reflect the salient features for concrete under uniaxial and biaxial loading conditions.     

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.     

拉扭复合加载下循环应力应变关系的研究

以拉扭簿壁管试件为研究对象,根据多轴临界面上的应力应变特性及多轴疲劳临界面法的结果,结合单轴循环应力应变关系,研究了多轴比例与非比例加载下的循环应力应变关系,推导出多应力应变关系模型,经拉扭复合比例与非比例物载试验难证,其预测结果与实测值相符合。     

单轴压缩条件下混凝土细观损伤演化机理的CT试验研究

混凝土是一种非均质的材料,在细观层次上将混凝土看作由骨料、砂浆和两者之间的界面组成的三相复合材料.本文在对混凝土进行单轴压缩试验的基础上,根据CT扫描图像反映的细观破损过程,分析了基于CT数平均值变化规律的特点;将混凝土材料的损伤过程进行了分段,提出了损伤变量的提取方法.随后结合试验得到的宏观应力应变曲线,经过拟合得到...     

Estimation of deformation behavior of TRIP steels — smooth/ringed-notched specimens under monotonic and cyclic loading

Uniaxial tension tests were performed under a constant strain rate and various environmental temperatures from 77 to 373 K to identify the concrete form of the constitutive equation for TRIP steels. To elucidate the dependence of the martensitic transformation on the nonuniform deformation and to validate the proposed constitutive equation, the volume fraction of the martensite phase is predicted and measured using computational simulation and experimental procedures, respectively, for the uniaxial tension of bars with a ringed notch. The good correspondence between the local volume fraction of the martensite phase around the notch, obtained by both methods, verifies the validity of the proposed constitutive equation for the nonuniform deformation behavior. Subsequently, the computational simulations were performed to elucidate the deformation behavior of ringed-notched bars under compression and that of smooth/ringed-notched bars under cyclic loading.