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。     

聚氯乙烯弹性体静动态力学性能及本构模型

为揭示聚氯乙烯弹性体在静、动态载荷下的力学性能,采用万能材料试验机和改进的分离式霍普金森压杆实验装置获得了材料在应变率为0.001、0.01、0.1、1 510、2 260和3 000 s⁻¹下的应力应变曲线,并以屈服强度为整形器优选参数,对比了紫铜、铜版纸和铅等3种整形器材料的整形效果。使用修正的ZWT非线性黏弹性本构模型描述聚氯乙烯弹性体在静、动态载荷下的力学性能。结果表明：聚氯乙烯弹性体在静态载荷下具有应变率效应和显著的超弹性特性,动态载荷下表现出较明显的应变率效应和较强的抗变形能力,且静动态载荷下的力学行为受应变历史影响较大。3种整形器材料中铜版纸的整形效果最好。修正后的ZWT非线性黏弹性本构模型能够得到统一参数的本构表达式,且各应变率下的拟合结果与实验结果具有较好的一致性。

     

泡沫铝本构行为研究进展

作为泡沫金属的典型代表, 泡沫铝是一种集结构性和功能性于一体的新型材料, 随着生产工艺的提高及国民经济的发展, 泡沫铝在航空航天、交通运输、建筑工程、机械制造等领域的应用日趋深入和广泛. 工程中复杂的载荷工况, 对泡沫铝本构模型的准确性及实用性提出了更高的要求. 国内外学者对泡沫铝进行了大量的试验研究及有限元数值分析工作, 随着各种研究和数值分析本构模型的提出、验证及修正等, 人们对泡沫铝的力学性能及其应用的认识逐渐提高. 本文首先简要概述了泡沫铝力学性能的试验研究及有限元数值分析的进展, 然后重点综述泡沫铝本构行为的国内外研究进展及现状. 最后, 针对目前存在的问题, 讨论并展望了泡沫铝本构行为的研究发展趋势. 完善本构模型表征所需的特征参量, 将各向异性或横观各项同性材料假定引入模型构建体系, 明确静水压缩响应及单轴压缩响应在材料强化中的权重, 建立例如随动强化般更加真实且准确反映泡沫铝强化过程的强化准则, 将应变率效应研究成果引入本构模型中等是现有泡沫铝本构模型体系中的重要研究方向.      

泡沫铝本构行为研究进展

作为泡沫金属的典型代表, 泡沫铝是一种集结构性和功能性于一体的新型材料, 随着生产工艺的提高及国民经济的发展, 泡沫铝在航空航天、交通运输、建筑工程、机械制造等领域的应用日趋深入和广泛. 工程中复杂的载荷工况, 对泡沫铝本构模型的准确性及实用性提出了更高的要求. 国内外学者对泡沫铝进行了大量的试验研究及有限元数值分析工作, 随着各种研究和数值分析本构模型的提出、验证及修正等, 人们对泡沫铝的力学性能及其应用的认识逐渐提高. 本文首先简要概述了泡沫铝力学性能的试验研究及有限元数值分析的进展, 然后重点综述泡沫铝本构行为的国内外研究进展及现状. 最后, 针对目前存在的问题, 讨论并展望了泡沫铝本构行为的研究发展趋势. 完善本构模型表征所需的特征参量, 将各向异性或横观各项同性材料假定引入模型构建体系, 明确静水压缩响应及单轴压缩响应在材料强化中的权重, 建立例如随动强化般更加真实且准确反映泡沫铝强化过程的强化准则, 将应变率效应研究成果引入本构模型中等是现有泡沫铝本构模型体系中的重要研究方向.     

基于J-C模型的Q235钢的动态本构关系

采用万能材料试验机、分离式霍普金森压杆和拉杆系统,研究了Q235钢在常温至900 ℃的准静态和动态压缩及拉伸力学性能。基于实验结果,修正了Johnson-Cook（J-C）本构模型中的温度软化项,提出了Q235钢的修正J-C本构模型,并利用Taylor撞击实验和数值仿真验证了其动态本构关系。     

陶瓷材料动态压缩损伤本构模型

运用细观损伤力学理论,从动态压缩载荷下陶瓷材料内翼型裂纹的产生和扩展的损伤机理出发,建立了陶瓷材料的弹脆性动态损伤本构模型,给出相应的损伤演化方程.假设裂纹成核满足Weibull分布,讨论了成核分布参数、原始缺陷尺寸对材料动态断裂应力、断裂应变的影响,并用动态损伤演化模型计算了冲击载荷下AD90陶瓷的动态应力应变曲线,计算结果和实验结果符合很好.     

聚氨酯泡沫铝动力学性能实验及本构模型研究

为了改进泡沫铝的动态吸能性能,将聚氨酯填充到开孔泡沫铝中制备成复合材料。通过霍普金森杆(SHPB)冲击实验,研究包含相对密度、应变、应变率和聚氨酯含量等影响因素的聚氨酯泡沫铝材料的动力学性能,并建立了动态本构模型。实验结果表明,聚氨酯泡沫铝的动态弹性模量与相对密度无关,屈服强度和流变应力与应变率和泡沫铝的相对密度成正比;聚氨酯泡沫铝的屈服强度与泡沫聚氨酯质量增加近似呈线性关系。所建立的动态本构模型在相对密度和应变率在一定的变化范围内与实验数据吻合较好。     

金属材料的率-温耦合响应与动态本构关系综述

金属材料在冲击、爆炸等高应变率加载下的塑性流动行为具有不同于静载下的率-温耦合性和微观机制。航空航天、航海、能源开采、核工业、公共安全、灾害防治等方面的金属结构设计与性能评估需要进行大量的动载实验和数值模拟,建立准确的材料动态本构模型是结构数值模拟可靠性的基础和关键。本文中,总结了金属材料的率-温耦合变形行为及内在机理,回顾了金属动态本构关系研究的起源与发展脉络,分别针对唯象模型、具有物理基础的模型和人工神经网络模型进行了详细介绍和横向比较。唯象模型和人工神经网络模型分别因易应用和高预测精度而受到青睐,基于物理概念的宏观连续介质模型可以描述体现内部演化的真实物理量,从而涵盖更大的应变范围,更好地反映应变率、温度和应变的影响机制。

     

立式瓦楞复合纸板的平面压缩本构模型

研究了立式瓦楞复合纸板静态和动态缓冲性能,提出其静态和动态本构模型.对A楞立式瓦楞复合纸板试样进行了静态压缩和动态冲击试验,得到其应力-应变曲线;提出立式瓦楞复合纸板静态本构方程,并利用静态压缩试验数据对静态本构方程进行了参数识别;研究应变率对本构方程的影响,进而提出动态本构方程,并通过动态冲击试验对动态本构方程进行了验证.结果表明:静态压缩和动态冲击试验中,立式瓦楞复合纸板的压缩过程均包括弹性阶段、屈服阶段、平台阶段、密实化阶段;静态本构模型的拟合误差为4.79％,动态本构模型的拟合误差为2.65％,都能较好地表示立式瓦楞复合纸板在压缩过程中的应力-应变情况.所提出的立式瓦楞复合纸板静态和动态本构模型为该新型材料的性能评价提供了理论支持,对其在缓冲包装中的推广应用具有重要参考价值.     

强冲击荷载作用下混凝土材料动态本构模型

基于混凝土强冲击荷载作用下的实验研究,以修正Ottosen四参数破坏准则为流动法则,引入损伤,构造了一个塑性与损伤相耦合的动态本构模型用于描述混凝土材料的冲击特性.在该模型中,考虑了引起混凝土材料弱化的两种不同的损伤机制:拉伸损伤和压缩损伤.其中,拉伸损伤是由微裂纹的张开和扩展引起的,通过拉伸应变来控制;压缩损伤相关于微空洞体积分数比的演化,并通过微空洞塌陷引起的压缩应变来控制,由此压缩损伤和拉伸损伤就完全耦合了.通过模型计算模拟结果与实验结果比较发现,随着冲击速度的提高,混凝土的峰值应力显著增加,即混凝土材料的承载能力增大,同时混凝土内部产生显著的塑性变形.模拟曲线与实验曲线拟合良好,因而可以用该模型模拟混凝土材料在强冲击荷载下的动态特性.     

时间无关不可逆过程及不可逆系统的稳定性

在不可逆热力学框架内引入了四条基本假设,建立了宏观本构关系的新的逻辑系统．在假设3中通过引入一种新的运算,把内变量演化方程定义在时间的点集上．结合讨论C1ausius-Dubem不等式,得到了假设4,它把时间点集的性质与系统状态联起来．以此为基础,证明了一致性条件成立的判别准则和加卸载准则,并成功地解释了实验现象存在有一个应变速率的临界值,当加载应变速率低于该值时,材料的应力—应变关系基本上与速率无关;当高于该值时,则明显与速率相关、更富有力学含义地给出了不可逆系统稳定性的一种定义,并证明了判别稳定性的一个准则．此外,还得出系统稳定是不可逆行为与时间无关的前提条件．     

Criterion for judging satisfaction of consistency conditions in rate-dependent constitutive relations

Based on irreversible thermodynamics, the criterion for judging the satisfaction of consistency conditions in rate-dependent constitutive relationship is deduced by introducing four basic hypotheses. Formulas for solving internal variables are given. It makes the rate-dependent model applicable no matter whether the consistency conditions can be satisfied or not. This research was funded by the National Natural Science Foundation of China (No. 59739180) and the Foundation of National Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering of Dalian University of Technology (No. 9701).     

Constitutive potential for ductile damaged material and void growth rate

In this paper a general formula for plastic potential including isotropic ductile damage has been presented on the basis of the thermodynamics for irreversible process and intemal variable theory. With this formula the mass conservation law is satisfied and it also contains a series of unknow coefficients which are the function of macro equivalent stress and the average micro equivalent stress and an unknown function which is the function of two generalized forces. The approximate yield surface equation for isotropically damaged materials is developed. Using this equation the void growth rate is calculated for nonlinear material containing voids. The present results are in good agreement with the numerical results given by the cell model.     

The rational mechanics and thermodynamics of polymeric fluids based upon the concept of a variable relaxed state

The conceptual framework of polymer continuum mechanics based upon Eckart's idea of a variable relaxed state is developed. No constitutive models are explicitly used. The theory admits four constitutive functions only, the scalar specific internal energy, the vectorial heat flux, and two tensorial fluxes representing non-elastic stress and flow (slippage). The non-linearity of the constitutive relations includes self-induced anisotropy (Leonov) with Reiner-Rivlin's equation representing a special example for this. — The effectiveness of this non-linear theory is demonstrated by treating elongational flows of polymer melts.     

考虑温度效应的弹性损伤一般理论

现有的各种损伤理论基本上都是关于等温问题的,且在不同程度上依赖于某些经验假设.本文在严格的不可逆热力学理论基础之上,建立了考虑温度效应的弹性损伤一般理论.推导出热弹性各向同性与各向异性损伤材料全部本构方程的一般形式,其中包括应力-应变关系、熵密度方程、损伤对偶张量表达式、热-固-损伤耦合的热传导方程和损伤演化方程.它们的特殊形式包含了等温各向同性与各向异性弹性损伤的本构方程.     

关于岩石的本构关系

本文综述了近10年中有关岩石本构关系方面的主要研究成果,包括:岩石的强度理论;损伤理论;塑性理论及分布断裂力学理论。