单轴应变：本构关系——它的内容、方法和意义

论述了单轴应变加载下固体中偏应力的基本含义和偏应力在本构关系研究中的意义。指出了加载-卸载波剖面测量在本构关系研究中的重要作用。建立了测量金属材料在平面冲击压缩下的剪切模量的基本方法,对表征固体材料弹性特性的剪切模量在冲击压缩状态下的物理含义做出了解释。根据剪切模量的一般性定义,建立了描写受冲击材料的准弹性-塑性卸载特性的有效剪切模量与纵波声速和横渡声速的关系。通过同时测量受冲击材料中的追赶稀疏波速度和波后粒子速度,获得了LY12铝在20～110GPa冲击压力和无氧铜在41～104GPa冲击压力下的声速和剪切模量,以及从冲击压缩状态卸载时沿着准弹性卸载路径的声速和有效剪切模量。 对目前广泛使用的描写单轴应变下固体材料的加载-卸载响应特性的SCG本构模型进行了分析,指出该本构关系的局限性,认为这种本构关系原则上不能用来描写受冲击材料的卸载过程。根据LY12铝和无氧铜的实验研究结果,对SCG本构关系中的剪切模量方程进行修正,讨论了修正的物理含义。修正后的方程与实验测量结果符合很好,在此基础上提出新的加载本构方程。 根据铝和铜沿着准弹性卸载路径的声速测量结果,提出了描写受冲击压缩固体的准弹性卸载的有效剪切模量方程和相应的屈服强度方程。建立了单轴应变下包含加载-卸载过程的新的本构方程。根据本文的实验测量结果,给出了铝合金和无氧铜卸载本构方程的解析形式,确定了相关参数。 依据文中提出的加载本构和卸载本构方程,对实验测量的6发LY12铝的波剖面、美国5发6061-T6铝合金的加载-卸载波剖面及冲击波衰减数据,进行了数值模拟计算和预测。计算中采用与本文测量相同的卸载本构参数,计算结果与实验结果符合很好,再现了这些波剖面的准弹性-塑性卸载行为和冲击波衰减行为。对3发无氧铜波剖面的计算模拟,也获得了令人满意的结果。 最后,从现象学出发,对发生在冲击波阵面内的弹-塑性屈服过程进行了分析,对固相区冲击波后材料的状态不在屈服面上的原因进行解释。     

聊聊动态塑性和黏塑性

固体力学研究者致力于具有应力-应变本构关系（以下简称为形变型本构关系）的变形体的力学响应研究,而流体力学研究者致力于具有应力-应变率本构关系（以下简称为流动型本构关系）的流动体的力学响应研究。当涉及结构和材料的动态塑性时,到底应该用“塑性变形”还是“塑性流动”来表示？本文从宏观塑性本构理论和微观位错动力学机理两个角度,分别讨论并指出塑性本构关系属于流动型黏塑性率相关本构关系,且同时适用于加载和卸载;因而不应该用应力-应变图来描述塑性加-卸载过程。弹塑性本构关系则是一种形变型和流动型本构关系的耦合。     

温度对冲击相变波传播的影响

冲击加载下,相界面的传播是一热力耦合过程。相变波阵面不仅是力学和物质间断面,也是温度界面。为考虑温度对相变波传播的影响,本文首先建立了相界面上的热传导方程和热力耦合的相变本构方程,然后采用一维特征线理论和有限差分数值计算相结合的方法,分析了温度界面和相变波的基本相互作用规律,进而给出了连续温度梯度下和绝热冲击下相变波传播规律。结果表明,温度对相变波传播的作用主要体现在两个方面,一方面是作为温度界面将与各类间断面相互作用,另一方面冲击相变波阵面后区域热力学状态变化影响卸载波结构。其原因在于相变方式（可逆、不可逆）和相变阈值应力具有强烈的温度相关性。     

平板撞击下C30混凝土中冲击波的传播特性

采用1级气炮加载技术和锰铜应力计多点测试技术,开展了C30混凝土在平板撞击条件下的冲击压缩实验研究。基于锰铜应力计实测的应力波形,研究了混凝土中冲击波的传播特性,结果显示冲击波的应力峰值随传播距离呈现明显的衰减特性,衰减过程可分为2个阶段。在早期阶段,卸载波没有赶上前面传播的冲击波,冲击波应力峰值衰减较慢,主要是混凝土材料的本构粘性效应所引起的;而后期阶段应力峰值的快速衰减则归因于混凝土材料的本构粘性效应、后续的来自飞片自由面的反射波追赶卸载、边侧稀疏波卸载及波传播的几何弥散效应的共同作用;另外,冲击波在混凝土中传播的升时也随着传播距离逐渐增大,即由强间断波逐渐转化为弱间断波。     

在弹-粘塑性材料中平面波传播的初步研究

在材料的应力应变关系中,本文对剪切部分的线性弛豫近似和线性硬化效应作了简化讨论,其中对动态和静态的加载、卸载过程讨论的更多一些,从而得到一个适合于弹-粘塑性材料以及加载、卸载过程都可用的本构关系,并将其用于一维平面波的传播过程,计算了飞板碰靶后应力、应变的分布,结果同等人的工作相符。     

一种基于位错机制的动态应变时效模型

动态应变时效是由位错与溶质原子的相互作用引起的，只考虑位错与位错芯内的溶质原子（位错芯气团）的相互作用，在位错热激活运动机制的Zerilli-Armstrong热粘塑性本构模型的基础上，加以改进，并加入位错和位错芯片团的相互作用的影响，建立了一种可定量描写动态变变时效现象的本构模型，所得到的本构模型以Zerilli-Armstrong模型为基础，不仅可以描写动态应变时效现象，还可以描写金属在很大温度（77K－1000K）和应变率（10^-4-10^4s^-1)范围内的力学行为，本构模型对钽的拟合和预测与实验结果有较好的吻合。     

带尾翼的翻转型爆炸成形弹丸的三维数值模拟

利用LS-DYNA三维动力有限元程序对三点起爆的翻转型EFP形成过程及三个尾翼进行了数值模拟。计算结果与实验结果的比较表明:数值计算结果和实验结果吻合较好,可为弹丸优化设计提供重要参考依据。对药型罩材料分别选择Johnson-Cook和Steinberg两种本构模型进行了数值模拟。计算结果表明:药型罩材料的本构模型选取对形成的尾翼效果有一定影响,Steinberg本构模型与实验结果符合更好。     

在弹-粘塑性材料中平面波传播的初步研究

在材料的应力应变关系中,本文对剪切部分的线性弛豫近似和线性硬化效应作了简化讨论,其中对动态和静态的加载、卸载过程讨论的更多一些,从而得到一个适合于弹-粘塑性材料以及加载、卸载过程都可用的本构关系,并将其用于一维平面波的传播过程,计算了飞板碰靶后应力、应变的分布,结果同等人的工作相符。     

爆炸力学数值模拟中本构建模问题的讨论

就爆炸力学数值模拟中的本构建模问题的有关内容作了讨论,包括:波传播研究与材料的动态特性研究的相互依赖、容变律与畸变律的解耦与耦合、率型本构关系与失效准则、应变率效应与温度效应的等效性、加载本构关系与卸载本构关系以及流变过程与损伤演化过程的耦合等,并展望了今后的有关发展动向。     

显式方法精确模拟形状记忆合金循环荷载下的变形行为

本文提出全新的有限弹塑性J2流方程,用来显式、精确地模拟SMAs（形状记忆合金）材料在循环加载-卸载条件下从塑性逐渐转变为伪弹性的变形行为．首先,改进流动法,使得本构方程耦合屈服中心的移动和屈服面的增大,并改进背应力演化方程,使模型可以产生强烈的包辛格效应,从理论上具备模拟SMAs独特变形行为的能力;其次,构造全过程下的统一硬化函数显式表达式,代入本构方程后能得到符合要求的形函数;再次,利用选定的数据点构造统一光滑的上屈服函数,再利用上下屈服应力之间的一种线性关系,推导得到下屈服阶段的形函数;最后,只需要给定一个参数就可以得到单个循环结果,利用拉格朗日插值方法构建参数随循环次数变化的函数,就可以模拟任意循环荷载下的变形行为．通过模型结果和实验数据对比证明新方法的有效性．     

循环冲击作用下岩石应力应变曲线及应力波特性

利用研制的岩石动静组合加载实验装置进行循环冲击实验,研究了在循环冲击过程中岩石典型的 动态应力应变曲线及反射波和透射波的变化规律。结果表明:岩石在循环冲击过程中的动态应力应变曲线可 分为压密阶段、弹性阶段、内部裂纹扩展的加载阶段、第1卸载阶段和第2卸载阶段等5个阶段。在相同入射 波循环作用下,随着循环次数的增加,岩石的反射波峰值越来越大,反射波峰值出现的时间越来越迟,透射波 峰值越来越小,透射波峰值出现的时间越来越早,表明在循环冲击过程中岩石内部损伤逐渐累积,从而导致抵 抗外部冲击载荷的能力逐渐降低。     

短纤维增强对聚碳酸酯非线性粘弹性性能的影响

本文采用SHP B装置研究了聚碳酸酯和短玻璃纤维增强聚碳酸酯在10-4～103/秒应变率范围和有限应变条件下的非线性粘弹性力学行为。根据Coleman和Noll的材料本构关系理论和本文实验结果,提出聚碳酸酯的本构方程 m（e,（?））=E0e+e2+e3+E1 integral from n=0 to 1（（?）exp（-（t-）/1）d）+E2 integral from n=0 to 1（（?）exp（-（t-）/2）d+（?）） 并进而得到短纤维增强聚碳酸酯的一个相当简单的本构方程 frm=m（e,（?）） 在加卸载全过程,两种本构方程的理论计算值都能满意地与实验结果相一致。     

[100]LiF单晶在60 GPa以内冲击加载下的高压屈服强度特性

获取光学窗口自身的高压强度特性是开展材料高压高应变率冲击响应行为精密测量和数据反演的重要基础。利用平板撞击和双屈服面法,通过冲击-卸载、冲击-再加载原位粒子速度剖面精细测量和数据反演,获得了约60 GPa范围内[100]LiF屈服强度特性随冲击压力的变化规律。结果表明:在实验压力范围内,[100]LiF的屈服强度随加载压力的提高而显著提高,压力硬化效应显著;同时,LiF在冲击加载下的屈服强度高于磁驱准等熵加载结果,应变率硬化效应强于热软化效应。采用Huang-Asay模型确定了可描述冲击加载[100]LiF强度特性的本构模型参数,为LiF在强度、相变、层断裂等加窗测量实验中的深入应用和数据准确解读提供了重要支撑。     

无耦合条件下的多子系统静动态统一本构关系(上)--基本理论

引入了同步性的概念。按照是否同步对所有的内变量进行分组，得到了整个系统的子系统结构。证明了子系统间无耦合时各子系统内部一致性条件成立的判别准则，从而得到了可以统一描述子系统内部的时间相关、时间无关不可逆行为的内变量演化方程和加卸载准则。本构关系既适用于静态加载，也适用于动态加载。经典塑性本构关系、多屈服面本构关系及过应力型粘塑性本构关系只是本文的特例。     

形状记忆合金伪弹性行为模拟

基于对伪弹性形状记忆合金(SMA)典型应力-应变曲线的特征分析,在原Graesser本构模型中增加简洁多项式来描述SMA应力诱发马氏体相变完成后在变形马氏体相下继续加载阶段的变形特征;并引入应变幅值与混相下SMA弹性模量的关系来改进不同应变幅值下卸载时SMA的应力-应变关系,从而提出了一种新的SMA一维本构关系模拟其伪弹性力学行为。该模型对直径为0.5mm的NiTi合金丝的拉伸加载、卸载试验曲线的模拟结果表明:改进本构模型与原Graesser模型相比,其能够准确地模拟SMA在不同应变幅值下加载和卸载应力-应变关系。此外,通过研究SMA本构模型的物理关系,推导出了控制SMA滞回曲线特征的关键参数fT与相变临界应力、弹性常数之间的明确关系,可利用该关系直接确定参数fT,摆脱了只靠试算获取该参数的传统做法,其准确性得到了试验验证。     

冲击载荷下瞬态温度的实时测量方法

将红外瞬态测温装置引入SHPB冲击实验,确定了不同材料试件的温度标定曲线,并实时测量了冲击下Al合金和伪弹性TiNi合金试样的表面温度。结果表明,2种试样温度变化都经历了加载过程的温度升高,主要不同在于卸载过程,Al合金卸载过程中温度保持最大加载温度不变,而TiNi合金试样卸载过程中温度降低,这反映了2种材料不同的物理变形过程和温度变化机制。直接红外测温的实验结果与根据能量守恒理论计算的温度较好吻合,说明采用的红外测温方法实时测量冲击瞬态温度是可行的。     

基于塑性体积应变的岩石损伤变形特性实验研究

为分析岩石塑性变形与损伤的关系,在定义岩石的初始损伤和临界损伤,提出塑性体积应变分析方法,从而以塑性体积应变为损伤变量,采用归一化方法建立岩石的损伤本构模型。采用递增循环加载实验确定岩石损伤本构模型中的弹性卸载模量和弹性应变比例系数两个参数。通过实验和理论分析得出:当荷载较小时,普通单轴压缩状态下岩石损伤随荷载的增加具有减小趋势,荷载超过一定数值后,岩石损伤才开始增加;单轴递增循环压缩状态下当循环荷载大于约35%峰值强度后,卸载后岩石的损伤具有增加的趋势,小于该荷载之前具有减小的趋势。整个加载过程的理论应力-应变曲线能很好地与实验结果相吻合,在循环加载区间理论结果还能体现出岩石实验结果中的回滞环。     

基于元件组合理论的砂岩动态损伤本构模型

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）系统,对砂岩进行不同速度下的冲击试验,得到砂岩的应变率效应特征以及典型的动态本构曲线。该曲线分为近似线弹性阶段、塑性阶段、塑性增强阶段和正向卸载阶段。通过组合模型的方法,构建了砂岩含损伤的动态本构模型,借助LS-DYNA软件中的用户材料子程序UMAT接口实现对本构模型的二次开发,并对砂岩在冲击速度为7.5、9.5、11.5和13.5 m/s 4种情况下的SHPB动态冲击压缩试验进行模拟。结果表明:所构建的模型可以很好地描述砂岩的应变率效应和应力-应变曲线弹性段,并且动态峰值强度、最大应变均与试验结果一致,应变率、峰值强度、最大应变与试验结果的相对误差不超过10%。所构建的砂岩动态本构模型能够准确地描述砂岩在冲击作用下的动态力学特性。     

混凝土材料冲击特性的研究

基于混凝土材料强冲击加载下的试验研究,提出了两种损伤型动态本构模型： 损伤型黏弹性本构模型和损伤与塑性耦合的本构模型. 通过模型计算结果与冲击试验结果的 比较可发现,随着冲击速度的提高,混凝土材料内部产生了显著的塑性变形,由此 损伤型黏弹性本构模型的应用就存在一些不足. 而损伤与塑性耦合的本构模型由于考虑了裂 纹扩展引起的材料强度和刚度的弱化,以及微空洞缺陷塌陷引起的塑性变形,因而能更好地 用于模拟强冲击载荷作用下混凝土材料的冲击响应特性.     

TiNi合金冲击相变过程中温度变化规律的实验研究

针对初始SME(shape memory effect)和PE(pseudo-elastic)状态TiNi合金试样,采用带有红外测温系统的SHPB冲击压缩装置,实时测量了冲击相变过程中两种材料试样表面瞬态温度,并根据实验结果计算了相应的温度变化。实验结果表明,冲击加载相变过程中,温度随相变应变的增大而升高,当应变最大时,温度最高;卸载过程中,对初始PE状态试样,温度降低,对初始SME状态试样,温度保持最高温度不变或降低,这同加载最高温度有关;卸载完成后,两种试样温度均高于其初始温度。计算温度结果表明,相变耗散功对加、卸载相变过程中温度变化的作用不可忽略。