裂纹纹尖弹塑性应力应变场的实验研究和数值分析

本文分别采用激光和白光DSCM(数字散斑相关测量)方法对聚碳酸脂材料的裂纹尖端弹塑性应力、应变场进行了实验研究，两种方法都取得了较好的结果,有限元计算采用了各向同性多线性随动强化的本构模型，较好地模拟了材料应力、应变曲线，并对裂纹尖端进行了有限元网格的细化,通过对实验结果和有限元计算结果的比较，可以发现两者具有相近的趋势。     

聚合物在高应变率下的动态力学性质实验研究

介绍了利用一种新型的落重和高速摄影实验系统对三种常见的聚合物（ＰＣ,ＰＥＫ和ＰＥＥＫ）在高压应变率下的力学性质的研究结果。所使用的实验系统在常规落重装置的基础上,增加了高速摄影系统,实现了应力和应变过程的同时测量。从而使得在一次实验中可同时获得应力和应变数据,避免了这类实验中常用的变形过程中体积不变的假设,使得结果更加可靠,并可验证材料的泊松比。给出了上述三种聚合物在常温下的真应力与自然应变的关系。结果表明,在室温下,当应变率约为１０００ｓ－１时,这三种材料的屈服应力分别为１２８ＭＰａ,２０４ＭＰａ,和１８０ＭＰａ。三种材料均具有很好的冲击韧性,断裂应变均在５０％以上。对不同环境温度下,ＰＥＥＫ的实验结果表明,随温度的增加,屈服应力将下降。     

可压缩粘弹性材料Ⅱ型动态扩展裂纹尖端场

为了研究粘性效应作用下的动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了可压缩粘弹性材料II型动态扩展裂纹的力学模型,推导了可压缩材料Ⅱ型动态扩展裂纹的本构方程.在稳态蠕变阶段,弹性变形和粘性变形同时在裂纹尖端场中占主导地位,应力和应变具有相同的奇异量级r-1/(n-1).通过渐近分析求得了裂纹尖端应力、应变和位移分离变量形式的渐近解,并采用打靶法求得了裂纹尖端应力、应变和位移的数值结果,给出了应力、应变和位移随各种参数的变化曲线.数值计算表明,弹性变形部分的可压缩性对Ⅱ型裂尖应力场影响甚微,而对应变场和位移场影响较大.裂尖场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制.当泊松比ν =0.5时,可以退化为不可压缩粘弹性材料Ⅱ型动态扩展裂纹.     

玻璃布—环氧层板动态力学性能和温度相关性的研究

在不同温度环境下,利用ＭＴＳ材料试验机,采用中等就变速度（１／Ｓ）,对玻璃布－环氧层板实施了冲击拉伸实验,测试了材料在不同温度、不同应变速率下的应力应变曲线,确定了杨氏模量、拉伸强度和泊松比等和学参数。实验结果表明,玻璃布－环氧反具有明显的应变率、温度效应;在室温以上温度环境下,该层板具有动态韧性。还分析讨论了复合材料拉伸试样设计的一些主要问题。     

负泊松比蜂窝材料的动力学响应及能量吸收特性

针对传统正方形蜂窝,通过用更小的双向内凹结构胞元替代原蜂窝材料的结构节点,得到了一种具有负泊松比特性的节点层级蜂窝材料模型。利用显式动力有限元方法,研究了冲击荷载作用下该负泊松比蜂窝结构的动力学响应及能量吸收特性。研究结果表明,除了冲击速度和相对密度,负泊松比蜂窝材料的动力学性能亦取决于胞元微结构。与正方形蜂窝相比,该负泊松比层级蜂窝材料的动态承载能力和能量吸收能力明显增强。在中低速冲击下,试件表现为拉胀材料明显的"颈缩"现象,并展示出负泊松比材料独特的平台应力增强效应。基于能量吸收效率方法和一维冲击波理论,给出了负泊松比蜂窝材料的密实应变和动态平台应力的经验公式,以预测该蜂窝材料的动态承载能力。本文的研究将为负泊松比多胞材料冲击动力学性能的多目标优化设计提供新的设计思路。     

骨细胞培养过程对羟基磷灰石力学性质影响的研究

采用数字图像相关方法研究骨细胞对人造羟基磷灰石力学性质的影响.采用了三种试样:羟基磷灰石试样、培养了骨细胞的羟基磷灰石试样、用戊二醛溶液浸泡的羟基磷灰石试样(与培养骨细胞同样环境但不培养骨细胞).研究得到了试样完整的应力-应变曲线;同时测出弹性模量和泊松比,还测量了压缩极限应力.实验结果表明试样的应力-应变曲线在断裂前呈良好的线性关系;戊二醛溶液不影响羟基磷灰石的弹性模量和泊松比,但会使压缩极限应力降低;骨细胞培养过程能使羟基磷灰石材料的弹性模量和强度增加(所培养的骨细胞约占表面积3.75%).对照显示,羟基磷灰石培养骨细胞后其弹性模量增加了15.2%,压缩极限应力增加了26.1%.     

改进的Jones—Nelson物理非线性材料模型与橡胶复合材料层板分析

Ｊｏｎｅｓ－Ｎｅｌｓｏｎ模型是复合材料物理非线性应力应变关系的一种描述方法，它通过建立材料刚度与应变能密度的关系以及考虑纤维增强复合材料的物理非线性问题，非线性的材料矩阵只为应变能的子数，使得材料模型可以方便地应用地复杂应力状态下，通过 在大变形的应变应力变量和变泊松比概念，对Ｊｏｎｅｓ－Ｎｅｌｓｏｎ模型进行了改进，解决了材料特性的扩展问题和收敛问题，同时考虑了大变形中纤维铺设角度的重新取向，使其     

杆件有限变形时的泊松比

在有限变形时，对不同配对的应力与应变，如还采用小应变时的泊松比，则体积比会出现不合理现象，因此泊松比也要随应变而变     

关于负泊松比的材料力学课程教学拓展与探索

泊松比是材料力学课程教学中的重要力学概念与材料弹性常数之一。本文对现有材料力学课程中泊松比教学内容进行了拓展和补充,引入了负泊松比效应概念,并介绍了常见的负泊松比材料及其力学性能优势。重点基于内凹蜂窝超材料,详细介绍了实现负泊松比效应的超材料力学理论分析及其教学实践;并借鉴虚拟仿真实验概念,应用有限元数值分析方法,对超材料的负泊松比效应进行仿真分析与讨论,直观地展示了超材料的力学变形模式及其负泊松比效应。从而以此为切入点,加深学生对弯曲内力、挠度、应变和泊松比等重点知识的理解与实践运用。     

焊锡材料的应变率效应及其材料模型

采用分离式霍普金森压杆和拉杆实验,研究了含铅Sn37Pb、无铅Sn3.5Ag和Sn3.0Ag0.5Cu3种焊锡材料在600~2200s^{-1}应变率下的力学性能,得到了它们在不同应变率下的应力应变曲线. 根据实验数据建立了3种焊锡材料的应变率无关弹塑性材料模型和率相关Johnson-Cook材料模型,并用于模拟板级电子封装在跌落冲击载荷下焊锡接点的力学行为. 结果表明,高应变率下无铅焊料比含铅焊料对应变率更敏感,其抗拉强度为含铅焊料的1.5倍,其韧性也明显高于含铅焊料;在跌落冲击过程中,焊锡接点经历的应变率可达到1000s^{ -1}左右;给出的率相关Johnson-Cook材料模型能预测出比率无关的弹塑性模型更合理的应力应变结果.      

焦散线法对双折射材料断裂性能的研究

提出了双折射材料Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹问题焦散线的形成原理,讨论了μ(=K_I/K_I)及光学各向异性系数ξ对焦散线形状及其几个特征量的影响,得到了双折射材料应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ的求法.以聚碳酸脂、环氧树脂为例,确定了它们在不同裂纹及不同载荷条件下的应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ.     

激光光通量位移计在Hopkinson杆中的应用

简要介绍了激光位移测试技术的基本原理及实现方案,准静态和动态标定结果表明该系统可以用 于动态测试。给出了激光光通量位移计在Hopkinson杆实验中的3种应用:(1)用激光光通量位移计可以监 测试样的横向变形,从而得出试样的动态泊松比;(2)在动态断裂实验中,激光光通量位移计可以监测裂尖张 开位移,结合应变片的信息可以得出试样的动态断裂能;(3)将激光光通量位移计和石英晶体应力计相结合可 以直接在试样两端得到应力应变信息,用来测量超软材料在中应变率下的力学响应。     

负泊松比材料和结构的研究进展

负泊松比材料和结构具有特殊的力学性能,在单轴压力(拉力)作用下发生横向收缩(膨胀).其在抗剪承载力、抗断裂性、能量吸收和压陷阻力等方面比传统材料更有优势,因而负泊松比材料在医疗设备、传感器、防护设备、航空航海及国防工程等领域有广泛的应用前景,但目前负泊松比材料的应用与普及仍面临一些挑战.本文广泛讨论了国内外关于负泊松比材料的研究成果并介绍了负泊松比材料的最新进展,将负泊松比材料大体概括为以下4类:天然负泊松比材料、胞状负泊松比材料、金属负泊松比材料、多重和复合负泊松比材料.主要介绍了各种负泊松比材料的内部结构、负泊松比机理、力学性能以及在各行各业的新发明、新应用.针对目前负泊松比材料研究理论和实验成果多,而实际应用仍然较少的情况,指出了负泊松比材料的缺点及其推广所面临的挑战.目前负泊松比材料面临的主要问题是制造成本高、孔隙率大而承载力不足以及仅适用于小应变情况等.本文针对此情况详细介绍了金属负泊松比材料及其设计和制作的方法,改善负泊松比材料的不足并推广其应用.      

一种新形式的钢纤维混凝土冲击动态本构关系及材料参数的确定

采用?75 mm大口径SHPB系统进行了钢纤维体积率为0%、0.75%、1.5%三种混凝土材料动态性能实验,得出了不同钢纤维含量、不同应变率下的材料应力-应变关系曲线,实验结果表明:随着纤维含量及应变率的增加,钢纤维混凝土材料的峰值应变、峰值应力都随之提高,并在峰值应力之后出现应力的应变软化现象。以此实验结果为基础,提出了一种依赖于应变和应变率相关函数的新型非线性黏塑性动态本构关系,并通过对实验曲线的三步逐次最小二乘优选模拟,得到了相应的材料参数。结果表明,该本构关系对实验数据的模拟效果较好。     

负泊松比材料和结构的研究进展

负泊松比材料和结构具有特殊的力学性能,在单轴压力(拉力)作用下发生横向收缩(膨胀).其在抗剪承载力、抗断裂性、能量吸收和压陷阻力等方面比传统材料更有优势,因而负泊松比材料在医疗设备、传感器、防护设备、航空航海及国防工程等领域有广泛的应用前景,但目前负泊松比材料的应用与普及仍面临一些挑战.本文广泛讨论了国内外关于负泊松比材料的研究成果并介绍了负泊松比材料的最新进展,将负泊松比材料大体概括为以下4类:天然负泊松比材料、胞状负泊松比材料、金属负泊松比材料、多重和复合负泊松比材料.主要介绍了各种负泊松比材料的内部结构、负泊松比机理、力学性能以及在各行各业的新发明、新应用.针对目前负泊松比材料研究理论和实验成果多,而实际应用仍然较少的情况,指出了负泊松比材料的缺点及其推广所面临的挑战.目前负泊松比材料面临的主要问题是制造成本高、孔隙率大而承载力不足以及仅适用于小应变情况等.本文针对此情况详细介绍了金属负泊松比材料及其设计和制作的方法,改善负泊松比材料的不足并推广其应用.     

基于数字图像相关方法的TiO_2/PI纳米杂化薄膜低温力学性能研究

开展基于数字图像相关方法的材料低温变形测试技术的应用性研究,对材料低温力学性能的研究工作具有重要意义。本文首先将数字图像相关方法与低温拉伸系统相结合,建立了一套适用于测量低温环境下薄膜材料全场变形的测试系统。利用该系统测量了纯铜薄膜在-100℃~20℃范围内的热变形,实验结果与文献数据吻合良好,验证了该系统具有较高可靠性与准确性。其次,利用该系统对不同TiO_2含量的二氧化钛/聚酰亚胺(TiO_2/PI)纳米杂化薄膜进行低温(-60℃~18℃)单轴拉伸实验,获得了不同含量TiO_2/PI纳米杂化薄膜低温应力-应变曲线、弹性模量及泊松比,结果表明:不同含量的TiO_2/PI薄膜随温度降低,其应力-应变曲线线性趋势加强,弹性模量均有不同程度的提高,随着TiO_2纳米颗粒的引入和含量的增加,TiO_2/PI薄膜弹性模量也有明显提高;而TiO_2/PI薄膜泊松比随温度的下降和TiO_2颗粒的引入,均有不同程度的降低,但纯PI薄膜泊松比的降低随温度的下降并不显著。     

泡沫金属的微惯性效应和动态塑性泊松比

采用三维Voronoi技术和显式有限元方法来研究闭孔和开孔两种泡沫金属的动态塑性泊松比问题和微惯性效应。细观数值模拟的结果表明:塑性泊松比随着轴向应变的增加而下降,塑性泊松比的峰值随着冲击速度的增加而下降;相对密度增加时,泡沫金属塑性泊松比增加;微惯性对平台应力的影响不大。该数值模拟结果能够解释侧向约束情况下闭孔泡沫金属的压溃应力随着加载速率的提高而下降的实验现象。     

正交各向异性材料电阻应变测量的横向效应修正

本文讨论了电阻应变片测量正交各向异性材料应变的横向效应修正。将测量各向同性测量的表观弹性模量、表观泊松比推广应用于正交各向异性材料，得出了一组与广义虎克定律形式上相同的计算式，并讨论了横向效应对应力测量精度的影响。     

水泥砂浆石在准一维应变下的动态力学性能研究

以改进的SHPB被动围压试验方法 ,研究了水泥砂浆石在准一维应变下的动态力学响应。分析讨论了试验结果与围压套筒材料性质、几何尺寸等的关系。得到了水泥砂浆石的动态泊松比、动态杨氏模量、动态压缩强度。分析了试验中的摩擦力效应及其对围压下轴向应力应变关系的影响 ,完成了对材料弹性常数的修正。     

双层多功能布的动静态力学性能及本构关系

针对双层多功能布的物理特性,利用材料试验机和分离式Hopkinson压杆装置,展开了准静态和动态条件下材料的单轴抗压实验,获得了材料在不同应变率下的应力应变曲线和材料的失效应力、应变。实验结果表明：双层多功能布的动态失效强度明显高于准静态失效强度,而且随着应变率的增加,其动态失效强度呈现增加的趋势,即该材料具有明显的应变率硬化效应。对应力应变曲线进行拟合,给出了材料的动静态粘弹性本构关系。并对双层多功能布在不同应变率下的失效应变及材料的损伤结果进行了初步的分析。