基于高阶Cauchy-Born准则的单壁碳纳米管本构模型

提出了一种基于高阶Cauchy—Born准则建立单壁碳纳米管本构模型的方法。通过引入高阶变形梯度,合理地修正了传统Cauchy—Born准则在描述纳米管变形几何关系时所存在的缺陷。利用原子间相互作用势以及能量等效原理,得到了基于广义连续介质模型的单壁碳纳米管的本构关系。由此得到的本构参数不仅与变形梯度张量F,而且与其梯度F相关,因此是一种广义连续介质模型。利用这样的本构模型,本文还对单壁碳纳米管的杨氏模量进行了预测,并与采用其他方法得到的结果进行了对比,从而证实了所提出方法的有效性。     

对不可压黏弹材料非线性本构关系的探讨

运用张量分析,证明了适合描述不可压缩黏弹性材料非线性本构关系的3种理论：BKZ理论、Lianis理论和Chirstensen理论,运用到各向同性材料中它们的单轴拉伸具有一样的表现形式,同时也验证了3种理论在解释非线性本构关系时具有统一性．     

Kevlar29纱线动态拉伸力学性能与本构方程

为了能够清晰地表征芳纶纱线在不同应变率下的力学行为,进行了Kevlar29纱线的准静态和动态拉伸试验,结合分离式霍普金森拉杆理论和运动目标追踪法,获得了Kevlar29纱线在不同应变率下的应力-应变曲线,分析了纱线动态拉伸的变形与断裂过程,揭示了Kevlar29纱线力学性能的应变率效应;通过最小二乘法拟合得到了基于纱线应变率效应的黏弹性本构方程,分析了三元件和五元件本构模型的差异及适用性。结果表明：随着应变率升高,Kevlar29纱线的断裂应变减小,拉伸强度和韧性先增大后减小,拉伸模量先增大后趋于稳定;五元件黏弹性本构模型能够较好地表征纱线力学性能的应变率效应。     

短纤维增强EPDM包覆薄膜超弹性本构模型

短纤维增强三元乙丙橡胶(EPDM)包覆薄膜用于一种新型缠绕包覆工艺,主要解决复杂构型自由装填药柱外表面可靠性包覆问题.为了描述其在固体火箭发动机工作过程中产生的大变形、非线性和各向异性等力学行为,根据纤维增强复合材料连续介质力学理论,提出了各向异性超弹性本构模型.该模型中单位体积的应变能函数被解耦成两部分:表征各向同性的橡胶基体应变能和表征各向异性的纤维拉伸应变能,通过引入纤维方向对纤维应变能进行修正,给出了通过单轴拉伸、偏轴拉伸实验数据获取模型参数的具体方法.研究结果表明,该模型能够很好地预测材料在纤维方向0°~45°时的各向异性力学特性,并将预测结果与实验数据对比,误差在5%以下.所建立的各向异性超弹性本构模型准确性高、易于实现数值开发,在一定程度上能够为固体火箭发动机的装药结构完整性分析提供理论依据.     

骨骼肌收缩的本构模型:I被动行为

骨骼肌是人体运动器系的重要组成部分,是人体主动运动的唯一原动力,约占到人体体重的40%.详细阐述了目前骨骼肌被动行为研究的前沿成果,包括线弹性模型、超弹性模型以及黏弹性模型.这些模型从不同的侧面、以不同的理论来描述骨骼肌的被动行为,对骨骼肌在被动状态下的力学响应作出了较为精准的表达.本文对各种模型的缺陷和适用性也作了一些总结和讨论.     

高氮奥氏体不锈钢高温动态响应特性及本构关系

在293~873 K的环境下,采用分离式霍普金森杆装置对高氮钢试样进行了102~103 s-1应变率下的动态加载实验。结合准静态实验结果,分析了应变率和温度对材料塑性流动特性的影响。结果表明:高氮钢的动态力学行为具有很强的应变率敏感性和温度敏感性。当应变率达到400 s-1或更高时,流动应力随应变率的增加显著升高;在同一应变率下,流动应力随温度的降低明显升高。研究了温度和应变率耦合效应对材料塑性行为的影响,得出温度软化效应在高氮钢高温动态塑性变形中起主导作用。基于经典的Johnson-Cook（J-C）模型,通过对实验数据的分析,得出了高氮钢材料的修正J-C本构方程,经验证修正J-C方程预测结果与实验结果吻合。     

混凝土高温动态力学特性与本构方程

混凝土材料是多相复合材料,高温动荷载作用下其力学行为非常复杂。为此,对混凝土在爆炸、火灾等高温环境中力学特性的研究,有利于减小混凝土结构在爆炸及火灾事故中的损失。文中首先利用分离式霍普金森压杆试验装置(SHPB)设计出一套混凝土高温试验方案,然后基于15组试验工况对混凝土在温度为16℃至650℃范围内,加载撞击速度分别为5m/s、7m/s和12m/s时进行了SHPB试验,获得了与之对应的应力应变曲线。试验结果表明,混凝土应变率增强效应与高温弱化效应相互耦合,致使混凝土受温度的影响显著大于其应变率。最后,由试验结果以经典损伤理论模型为基础,根据混凝土高温动态力学特性,构建了一个统一的方程来描述混凝土高温动态应力应变关系的全过程,并且该本构方程计算结果与试验数据吻合良好。     

铜合金微塑性成形力学性能及其本构关系

对不同晶粒大小、不同特征尺寸的H62黄铜箔进行微拉伸实验,分析试样晶粒大小和特征尺寸对材料变形行为的影响.随着晶粒尺寸的减小,试样拉伸屈服应力逐渐增大,晶粒尺寸对屈服应力的影响满足Hall-Petch细晶强化关系;屈服强度随厚度的减小先减弱而后增强,随宽度的减小而增强;晶体塑性理论、表面层模型可以解释延伸率、抗拉强度随比表面积的增大而减小的现象.在实验数据的基础上通过修正双线性模型建立H62黄铜箔微塑性成形本构模型.     

短纤维增强三元乙丙橡胶横观各向同性黏-超弹性本构模型

短纤维增强三元乙丙橡胶包覆薄膜,是一种应用于固体火箭发动机缠绕包覆装药的新型复合材料.为了描述其在工作过程中受振动、冲击等载荷作用时的力学行为,基于黏弹性理论和纤维增强连续介质力学理论,提出了一种考虑应变率强化效应的横观各向同性黏-超弹本构模型.模型中应变能函数被分解为超弹性应变能和黏性应变能,其中超弹性应变能包括表征各向同性的橡胶基体应变能和表征各向异性的纤维拉伸应变能,黏性应变能采用表征橡胶和纤维黏性响应的宏观唯象模型.选取表征各应变能的函数形式,经过数学变换、替代、叠加,求解确定最终的应力应变形式,明确模型参数获取的具体步骤,将预测结果与实验结果对比分析,准确性较高.研究表明:该模型能有效预测材料在低应变率下纤维方向为0?～45?的非线性率相关力学特性;模型形式易于实现有限元开发,对固体火箭发动机装药结构完整性分析具有参考价值.     

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。     

基于横观各向同性超弹性理论的短纤维增强橡胶本构模型的建立与应用Establishment and application of short fiber reinforced rubber constitutive model based on transversely isotropic hyperelastic theory

提出了一种能够表征短纤维增强橡胶的横观各向同性超弹性本构模型,并结合试验体系,对其在数值分析中的应用方法和效果进行了研究。基于连续介质力学理论,建立了横观各向同性材料的应变能函数,推导得到不同变形形式下的应力应变关系,给出材料参数辨识试验方法,并成功应用于某短纤维增强橡胶测试中,得到表征其超弹性特性的相关材料参数。利用有限元软件ANSYS对不同纤维排布方向的单轴拉伸和平行纤维方向的平面拉伸进行仿真计算,并对比相应试验数据,以验证材料参数的可靠性。最后基于已验证的本构模型,建立了某铣槽装备减振环仿真模型,并对其进行了校核计算。研究结果表明,本文提出的本构模型能够有效表征短纤维增强橡胶的静态力学特性并且方便嵌入现有的有限元软件中,具有材料参数少、测试简便和结果准确等特点,工程实用性强。     

宏微观渐进展开损伤本构模型及其在碳纤维增强复合材料中的应用

基体开裂、纤维拔出、界面剥离等是碳纤维增强复合材料常出现的局部各向异性损伤现象,这些损伤逐渐扩展,削弱了材料的强度和刚度,影响材料的承载能力.对此利用宏微观摄动理论对位移进行双范围渐进展开,在微观位移中引入损伤应变,通过计算损伤应变集中因子,得到了含损伤的均质化损伤弹性常数(宏观有效刚度矩阵),用平均法和混合法检验了无...     

Modeling and analysis of functionally graded carbon nanotube reinforced composite structures: A review

功能梯度碳纳米管增强复合材料是一种新一代的先进复合材料.在这种材料中,碳纳米管作为增强体在空间位置上梯度排布.功能梯度碳纳米管增强复合材料的力学行为已成为近年来材料科学与工程科学的研究热点.本文对功能梯度碳纳米管增强复合材料结构的建模与分析的研究进展进行评述,集中讨论功能梯度碳纳米管增强复合材料梁、板、壳在各种载荷条件下,边界条件下和环境条件下的线性和非线性弯曲、屈曲和后屈曲、振动和动力响应.文中所列成果可以看作是进一步研究的基石.最后,提出需要进一步研究的方向.     

淬硬45钢在高温、高应变率下的动态力学性能及本构关系

在20℃~800℃的温度范围和10-3~104s-1的应变率范围内,采用电子万能试验机和分离式霍 普金森压杆,对淬硬45钢(45HRC)分别进行准静态实验和动态压缩力学性能实验,得到应力应变曲线。结 果表明:淬硬45钢的流动应力对应变率敏感性一般,但表现出较强的温度敏感性,随着应变率的增大而增大, 随着温度的升高而降低。采用以高斯函数表示温度效应的改进Johnson-Cook本构方程拟合了淬硬45钢在 高应变率和高温条件下的本构关系,拟合曲线与实验数据吻合较好。     

PBX-1炸药的力学性能和本构关系

PBX的力学行为对其安全性有重要影响。为研究PBX-1的力学性能,以PBX-1为研究对象,进行准静态力学实验和SHPB(分离式霍普金森压杆)实验研究。结果表明,准静态压缩实验中,试样的裂纹出现在与加载方向大约成45°的最大剪应力方向。SHPB实验中,在应变率100~1 500 s^-1范围内,随着应变率的提高,PBX-1炸药的动态屈服强度、动态压缩强度和破坏应变不断提高。动态屈服强度逐渐从静态的2.77 MPa增加至16.1 MPa;压缩强度从7.46 MPa增加至16.1 MPa,破坏应变从6.23%增加到26.4%。同时,基于Z-W-T模型,建立了一种含损伤的动态黏弹性本构模型,在330~1 500 s^-1应变率范围内具有较高的精度,可以较好地描述PBX-1炸药在达到破坏前的动态力学行为。     

Effect of CNT length and CNT-matrix interphase in carbon nanotube (CNT) reinforced composites

The load transfer mechanisms and effective moduli of single-walled nanotube (SWNT) reinforced composites are studied using a continuum model. A “critical” fiber length is defined for full load transfer by numerically evaluating the strain-energy-changes for different fiber lengths. The effective longitudinal Young’s modulus and bulk modulus of the composite are derived. The effect of the interphase is also discussed. The results indicate the fiber length is critical both to the load transfer efficiency and effective moduli of the composite. The SWNT-matrix interphase plays an important role in load transfer efficiency but affects the effective moduli only slightly.     

Uniaxial ratcheting of SS304 stainless steel at high temperatures: visco-plastic constitutive model

The uniaxial ratcheting of SS304 stainless steel at high temperatures (300, 600 and 700 °C) were analyzed experimentally, and described by a cyclic constitutive visco-plasticity model. The rate dependence of the material was accounted for by introducing a viscous term. The cyclic hardening and cyclic flow behavior of the material under asymmetrical stress-controlled cycling were described by the evolution rules of kinematic hardening back stress and isotropic deforming resistance. Under the isothermal condition, temperature effect was included by terms involving temperature in the evolution equations of isotropic deforming resistance. The effect of load history on ratcheting was also considered by introducing a fading memory function of the maximum inelastic strain amplitude and isotropic deformation resistance. After the material constants were determined from the experimental data, the uniaxial ratcheting of SS304 stainless steel was numerically simulated and compared with the corresponding experimental results at high temperatures. The predicted results agree well with the experimental ones.     

碳纳米管纤维及其传感器力电性能实验研究

基于UTM T150微纳米力学测试系统搭建了纤维力电耦合测试平台,并对碳纳米管纤维进行了多组力电耦合作用下的拉伸性能实验研究。通过观察分析碳纳米管纤维的电阻-应变曲线,发现其电阻变化与应变大小密切相关,随着应变的不断变大,碳纳米管纤维的电阻也在逐渐增加。基于此,设计制作了碳纳米管纤维柔性应变传感器,并将其贴在标准试件上分别进行了弯曲变形测试、单次/循环加载性能测试以及标定实验。结果表明:当对试件进行加载时,碳纳米管纤维柔性应变传感器的电阻会随着载荷的增大而增大;当载荷逐渐消失时,其电阻会逐渐减小直至回归初始电阻值附近。这表明碳纳米管纤维具备优异的电学与力学特性,并且利用它所制作的柔性应变传感器也有着较好的灵敏度与稳定性。     

DH36钢拉伸塑性流动特性及本构关系

对DH36钢在温度从293~800 K、应变率为0.001和0.1 s-1的拉伸塑性流动特性进行实验研究,通过端口形貌图对变形前后的试样进行了微观分析,结果表明：(1)在实验温度范围内,0.001和0.1 s-1的应变率下,第三型应变时效现象出现,随应变率的增加,时效发生的温度区域移向更高温度;(2)第三型应变时效的发生与合金原子在晶界和晶粒中大量的第二相析出强化有关联;(3)建立包含第三型应变时效现象的统一本构模型,通过比较该模型能够较好的预测DH36的塑性拉伸流动应力。