含损伤材料的热粘塑性本构关系及其应用

对含损伤材料的热粘塑性本构关系进行了较全面和较系统的研究。首先对半径回归方法的本构公式给出了最一般性的严格证明,并讨论了其适用性和局限性。接着以应力空间中的屈服函数和Drucker公设为基础,以材料本构关系的内变量理论为工具,推导并建立了增量型热粘塑性本构关系的普适形式和计算流程。然后结合实践中最常用的几类本构模型,导出了所建立的增量型动态本构关系的具体形式,并简要总结了其各自的特点和意义。最后通过一些典型的波传播和高速冲击问题的算例,介绍了所建立的本构关系及计算方法的具体应用情况和效果,从而展示了其理论意义和应用前景。     

多晶金属弹粘塑性的取向元模型

基于“三维组集式本构模型”［１～３］，运用功共轭原理和场平均方法，发展了一种“取向元”概念——多晶聚集体内具有相同取向的滑移系集的一个体积平均意义上的代表性元素；由一维的率（粘性）敏感“取向元”，通过在取向空间里的积分，获得了三维的弹粘塑性本构方程式，并模拟了蠕变和松弛现象．与以往的粘塑性模型相比，本文模型不仅能同时考虑多晶金属材料的率相关性和路径相关性，而且由于引入了物理机制，因而具有较强的预测能力．数值算例也展示了该模型的合理性     

含损伤材料的热粘塑性本构关系和柱壳破裂研究

以含内变量的本构关系理论为基础 ,结合材料损伤演化方程 ,并考虑了温度和损伤对材料参数的影响 ,得到了增量形式的热粘塑性本构关系的普适显式表达式。然后使用Bodner幂函数型粘塑性模型 ,具体推导了其增量形式的热粘塑性本构方程。接着结合在实践中有重要意义的内部爆炸载荷作用下的柱壳破裂问题 ,建立了含损伤热粘塑性柱壳破裂问题的完备方程组 ,使用有限差分方法 ,完成了对问题的数值模拟 ,并对结果进行了分析。计算结果与实验结果符合良好。     

粘弹塑性本构理论及其应用

本文综述粘弹塑性材料力学行为的研究概况和近期进展,探讨粘弹塑性本构关系的研究途径和表达形式,阐述粘弹塑性理论研究的重要意义和广阔的应用前景。      

热粘塑性体的积分—微分型本构关系

应用ИЛЪЮШИН关于应力是五维偏应变空间变形历史的泛函的概念和Ｖａｌａｎｉｓ有关内时理论的描述，本文提出，对热粘塑性体，应力可设为应变、应变率和温度历史泛；并应用Ｍｉｌｌｅｒ和其它一些作者有关内变量演化方程的描述，由此建立了热粘塑性体的积分－微分型本构方程这一积分－微分型本构关系大体和Ｍｉｌｌｅｒ微分型模型等价。对１０２０钢的单轴本构响应进行了数值模拟，和Ｔａｎａｋａ与Ｍｉｌｌｅｒ的分析及一些实     

材料的弹粘塑性本构关系和应力波的演化

试验表明，大多数工程材料在冲击载荷作用之下的变形一般都同时包含有可恢复的瞬态性弹性变形和不可恢复的粘滞性塑性变形，即其本构关系可以用弹粘塑性模型来描述。本文从内变量理论出发，探讨了时率相关材料的弹粘塑性本构关系的一般特性，建立了增量型的弹粘塑性本构关系的一般理论框架和普适的表达式，并且对两种最常用的本构模型——Bodner-Partom模型和Johnson-Cook模型给出了在一维应变条件下的具体形式。通过计算和讨论一维应变粘塑性靶板中冲击波的衰减机制和应力波的演化规律，特别是考察各种粘塑性本构模型中的材料参数对冲击波的衰减和应力波的演化的影响，得出了一些可以直接应用或具有一定借鉴价值的结果，为研究应力波的其他衰减机制以及在人防工程中智能防护层设计时新材料的选取奠定了基础。     

一个考虑循环应变幅值历史效应的粘塑性本构模型

本文提出了一个考虑材料应变幅值历史效应的粘塑性本构模型。在该模型中，引入了三个具有不同演化速率的背应力演化方程；建立了非弹性应变幅值历史记忆模型，对各向同性变形阻力，引入了具有先前加载历史记忆的演化方程。将本文模型用于１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢循环变形行为描述中，其预言结果与实验结果吻合得很好，表明该模型能很好地描述材料的循环应变幅值历史下的循环变形行为。     

软土的各向异性损伤对剪切带形成的影响

在软土各向异性弹塑性损伤模型的基础上,把小应变模型扩展到有限应变模型,推导出不排水平面应变条件下的剪切带形成条件,分析K0固结状态下各向异性损伤对剪切带形成的影响.以上海软土为例,分析临界状态参数β=0.9时,损伤变量D1,D2的不同组合的剪切角和简单剪切模量与有效平均主应力比(g/p')的关系曲线.计算结果表明,损伤变量越大,越接近不稳定状态,垂直方向损伤对剪切带的影响比水平方向的强烈. 特别指出无论土为横观各向同性损伤的情况,还是各向异性损伤的情况,在本文研究的条件下,不稳定状态(g/p'为最小值)相应两个剪切角约在50°和130°,这对研究弹塑性损伤对剪切带形成与变化有指导意义.     

有限变形塑性理论中的本构不等式和正交法则

本文系统地介绍了率无关材料的有限变形塑性本构理论中的本构不等式和正交法则,并对正交法则成立的条件,正交法则成立时的材料本构形式及其对参考构形和应变度量的依赖关系等基本问题作了必要的讨论.     

非等温条件下非比例循环粘塑性本构描述

为了描述在非等温非比例循环加载下的循环变形行为，本文提出了一个考虑材料非比例循环附加硬化效应、非比例循环加载历史效应和温度历史效应的粘塑性本构模型．在该模型中，引入了具有三种不同演化速率的背应力演化方程；定义了新的非比例度；为了反映非比例循环历史和温度历史的影响，引入了表现各向同性变形阻力Ｑａｓｍ，并对各向同性的表现变形阻力引入了具有先前加载历史记忆的演化方程．将本文模型用于１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢高温循环变形行为描述，其预言结果与实验结果吻合得很好．     

颗粒材料剪切流动状态转变的环剪试验研究

颗粒材料的剪切流动行为广泛地存在于滑坡、泥石流等自然灾害以及矿物原料传输、泵送等工业过程中.颗粒材料在不同体积分数、剪切速率和应力约束下会表现出不同的流动状态并发生相互转化.对颗粒材料在剪切流动过程中力学特性的研究有助于加深理解其发生不同流动状态的内在机理,为解决相应的颗粒材料问题提供理论依据.为此,本文研制了颗粒材料剪切流动的中型环剪仪,并对颗粒材料在不同法向约束应力和剪切速率下的剪切应力和体积膨胀率进行了测试.结果表明,剪切应力和体积膨胀率均随剪切速率的增大而增大,但增长速率在临界剪切速率处发生转变,使其随剪切速率的平方呈分段式线性增长.通过对颗粒材料在不同剪切速率和惯性数下有效摩擦系数变化趋势的分析,讨论了颗粒材料由慢速流向快速流转化的基本规律,以及在临界剪切速率处发生流动状态转化的内在条件.此外,通过对不同法向应力下临界剪切速率以及快速流动下运动规律的测试,发现临界剪切速率随法向应力的增加而减小,即法向应力可促进颗粒材料由慢速流向快速流的转化,但在快速流动状态下的有效摩擦系数对法向应力不敏感.以上对颗粒材料在不同剪切速率、法向应力下流动状态的环剪试验研究有助于揭示其发生不同流动状态转化的内在机理.      

泡沫流体的剪应力与法向应力差

本文在同时考虑表面张力与粘性力的情况下,以三维模型—长菱形十二面体及泡沫的应力张量表达式为基础,得出了泡沫的剪应力及法向应力差表达式,并通过计算机进行了求解,讨论了泡沫粘度、泡沫大小等因素对剪应力及法向应力差的影响。 实验使用了 RMS-605 大型流交仪、RV-2 流变仪及毛细管流变仪测定泡沫流变特性。消除了表面滑移影响后得到的剪应力与法向应力表数据与理论结果较接近,说明理论模型具有一定的实用价值。     

韧性材料的剪切带状分叉

本文从两个位移变量入手分析了平面应变条件下的剪切带状分叉从而放弃了分叉时体积不变的约束。文中论证了分叉时材料将伴随有局部性的体积变化,应变软化,即材料性质的分叉突变。文中还用摄动法近似分析了材料缺陷可能造成的影响。     

剪切带状分叉的力学条件

在已论证过的应变软化效应对形成剪切带状分叉的作用的基础上,本文研究了:(1)什么受力情况最易激发剪切带(2)采用什么力学模型和参数可以模拟材料中的曲线型带状分叉。     

直剪试验过程中剪切面上法向应力变化规律分析

首先推导出不同剪切位移下试样截面惯性矩表达式,然后计算得到试样剪切面上归一化最大、最小法向应力随剪切位移变化的关系曲线,发现两法向应力及其差值随剪切位移的增大而增大,随试样剪切面直径或剪切边长的增大而减小。当试样剪切面直径和边长相同时,圆形试样剪切面上的法向应力要比方形上均匀些。当试样剪切面为矩形,沿矩形长边方向剪切时,其上法向应力的分布要比沿短边方向剪切时均匀些。建议尽量使用剪切面为圆形的大样进行直剪试验。

     

颗粒摩擦对颗粒材料剪切行为影响的试验研究

通过对一种类似于土的颗粒材料--玻璃珠开展一系列室内直剪试验,研究颗粒间摩擦对颗粒材料剪切行为的影响. 试验一共考虑了4种不同的摩擦情况:干燥状态、用水浸润状态、完全淹没在水中和用油浸润状态. 分析试验结果发现,与干燥状态试样相比,用油浸润能明显降低试样的剪胀性和抗剪强度,而用水浸润和淹没在水中的方法没有产生显著的影响. 此外,通过在剪胀关系式中引入可变剪胀系数来考虑颗粒摩擦对颗粒材料剪胀性的影响,并从颗粒滑动与滚动的细观机理上初步解释了颗粒滑动摩擦角对临界状态摩擦角的影响规律.     

椭圆颗粒在剪切流中旋转特性的数值研究

研究颗粒在流体剪切作用下的运动特性是理解和预测颗粒悬浮流流动行为的关键.当流体的惯性不能忽略时,颗粒的运动往往变得非常复杂.本文采用格子Boltzmann方法对中等雷诺数下椭圆颗粒在剪切流中的旋转运动进行了模拟.首先,研究了雷诺数(0Re 170)的影响,结果表明当雷诺数低于临界值时,颗粒以周期性的方式旋转,角速度最小时对应的长轴方向随着雷诺数的增大而逐渐远离水平方向,而且这一倾角与雷诺数呈分段线性关系;当雷诺数大于临界值时,椭圆形颗粒最终保持静止状态,且静止时的转角与雷诺数呈幂函数关系,雷诺数越大,转角越小,椭圆的长轴越远离水平位置.其次,研究了椭圆颗粒的长短轴之比α(1α10)的影响,结果表明颗粒旋转的周期与α呈幂函数关系,α越大,颗粒旋转周期越小.此外,当α超过临界值时,颗粒也在水平位置附近保持静止状态,此时的转角与α也呈幂函数关系,α越大,转角越小.研究还发现,当雷诺数较大时椭圆颗粒在旋转过程中会产生过冲现象.     

绝热剪切损伤和破坏的数值模拟研究

绝热剪切破坏是冲击载荷作用下金属材料中经常出现的一种重要破坏模式,尽管已经在实验中观察到了绝热剪切带内部的损伤现象,但是在理论和计算模型中往往还只是考虑它的热软化效应,对与之伴随的损伤破坏效应却鲜有讨论.该文在前人实验的基础上,提出了一个适用于绝热剪切带内部微孔洞损伤发展的演化方程,并在本构方程中同时考虑了温度和损伤对材料的影响,成功地模拟出了绝热剪切带的热软化效应和损伤破坏效应.     

由夹芯梁弯曲谈剪切效应对许用弯矩的影响

利用弹性体轴向位移、横向位移与剪应变的几何关系,推导出了夹芯梁的弯曲正应力公式,并利用该式确定了夹芯梁的许用弯矩,从而克服了有关材料力学教材计算许用弯矩时,没有考虑剪切效应的不足。算例分析表明：该弯曲正应力公式计算精度较高;夹芯梁弯曲时,剪切效应对许用弯矩有一定影响。该结论对材料力学关于夹芯梁计算内容的教学有一定启发和指导作用。     

非充填岩石节理的动态剪切力学行为实验研究进展

岩石节理的动态剪切力学特性是岩体力学的基本问题之一,在地震工程、采矿工程、隧道工程等诸多领域有广泛应用。获取准确的岩石节理动态剪切力学参数是认识节理剪切力学行为的基础,国内外学者经过持续探索,研发了一系列动态剪切实验设备,形成了以传统定速直剪和循环剪切为主的实验技术体系。近几年发展的冲击直剪实验技术使这一体系更加完善。本文针对非充填岩石节理的动态剪切力学特性室内实验研究,首先系统阐述了相关实验技术的特点及其发展,然后总结了岩石节理动态剪切强度和变形特征的研究成果,最后提出值得进一步探索的问题。