基于爆炸切割试验的有机玻璃本构模型参数反演

为了获取爆炸切割数值模拟中有机玻璃（PMMA）的材料本构模型参数,建立了一种基于神经网络的有机玻璃Johnson Holmquist ceramics (JH-2)本构模型参数反演方法：基于从爆炸切割试验和现有研究得到的JH-2本构模型经验参数,确定本构模型参数的调整区间;使用LS-DYNA数值模拟软件对2.5 mm宽爆炸切割索切割14 mm PMMA平板过程进行数值模拟并收集平板损伤数据集;建立PMMA平板本构模型参数与损伤数据之间的神经网络模型;通过训练完成的神经网络模型对PMMA平板的JH-2本构模型参数进行反演。为验证通过反演参数的可靠性,进行了4.2 mm宽爆炸切割索切割19 mm PMMA平板试验和有限元数值模拟,计算结果中的平板损伤情况与实验结果相差较小,表明通过反演获得的JH-2本构模型参数能较好地应用于PMMA平板爆炸切割数值模拟。传统材料参数获取方法,该参数反演方法相较于可以通过较少的试验及测试,获得比较准确的材料本构模型参数。     

泡沫橡胶材料的超弹性本构模型

借助不可压橡胶类材料应变能函数,通过引入泡沫材料孔隙度,推导出了泡沫橡胶的本构方程。基于泡沫橡胶材料的单轴压缩实验结果,拟合确定了本构模型的参数,模型预测结果与实验结果吻合的比较好。     

混凝土材料动态本构参数的分阶段计算反求技术

基于不同应变率下的分离式Hopkinson压杆实验,提出了一种混凝土材料动态本构参数的分阶段反求方法。该分阶段反求方法中,结合不同的实验模型对未知参数进行敏感性分析,并依据敏感程度对参数进行分类,每类参数对应于1组实验,再利用反求方法分阶段确定各类参数,在每一类参数反求时均将上一次反求结果作为已知条件。结果表明,该分阶段反求方法充分利用所有实验的测量响应信息,能快速获取混凝土本构中较难确定的关键参数,为参数的确定提供了一种有效的途径。     

异种不锈钢激光焊缝材料的动态本构关系

利用等应变测试法获取了304及316L激光焊接焊缝材料的准静态应力应变曲线,发现焊缝材料 具有明显的细晶硬脆化趋势。利用SHTB技术对304、316L及焊接构件材料高温动态力学性能进行了研究。 根据动态实验数据对不锈钢304及316L母材应变率及温度相关的Johnson-Cook本构方程参数进行了拟合。 利用LS-DYNA建立了SHTB动态拉伸实验数值模型,发现了在应力波加载初始阶段由于结构效应及材料 阻抗不匹配引起的应力不平衡现象。通过动态实验与数值模拟相结合的方法确定了焊缝材料的应变率相关 本构参数。     

110甲基乙烯基硅橡胶材料参数的确定

应用INSTRON5544对110甲基乙烯基硅橡胶材料进行了单轴大变形压缩的力学特性测试。本文根据已有的Mooney-Rivilin模型和Yeoh模型的本构关系,采用泰勒级数展开的办法获得了基于小变形的本构关系表达式。利用本文所得本构关系,将实验数据进行了非线性拟合处理,得到了相应的Mooney-Rivilin模型和Yeoh模型的材料参数。拟合所得的名义应力-应变曲线与实测的名义应力-应变曲线吻合较好。利用非线性拟合所得的Mooney-Rivilin模型和Yeoh模型的材料参数,应用ABAQUS软件进行有限元分析计算。通过有限元的分析计算,验证了Mooney-Rivilin模型和Yeoh模型材料参数的正确性与可行性。     

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基于群体与适应度的概念，应用改进的PSO算法，从随机解出发，提出了基于PSO 算法的本构模型参数识别方法. 该方法解决了橡胶类材料大应变时硬化现象的本构模型参数 的确定这一难题. 首先通过单轴拉伸本构模型实验，在针对硬化实验曲线存在拐点的情 况下，应用PSO算法进行拟合，最后利用简单剪切实验进行验证. 结果表明该方法科学可行， 且具有速度快、精度高、易于收敛等优点. 并且有效地解决了本构模型参数识别的困难，可 广泛应用于各种复杂材料.     

一种土的非线性弹性本构模型参数的反演方法

旨在提出一种土的非线性弹性本构模型参数反演的方法。以现今普遍实行的地基载荷试验为基础,依据遗传算法的组合优化理论,采用正演计算和遗传算法优化相结合的方式,建立了土层非线性弹性本构模型参数反演的方法;并依据某黄土场地地基载荷试验数据,实施了黄土土层非线性弹性本构模型参数反演的全过程。计算结果表明,所建立的方法可以实现土层非线性弹性本构模型中相互关联的多个参数的组合优化,并在对初始值要求较低的情况下,可以获得良好的参数反演精度。从而为土的变形特性分析和土与其中及相邻结构的共同作用分析,提供了较好的土体本构模型参数的确定方法。     

基于机器学习软骨细胞的时间依赖性力学行为及本构参数反演

探究软骨细胞机械负载下的力学特性对于理解软骨细胞的正常和病理状态以及骨性关节炎的病因至关重要. 基于软骨细胞有限元计算模型的力学响应与其本构参数之间的高度复杂非线性, 本文提出了分别利用双向深度神经网络TW-Deepnets模型和随机森林RF模型并结合有限元方法来识别软骨细胞本构参数的两种反演方法. 首先, 建立了软骨细胞的无侧限压缩实验有限元模型, 收集MSnHS本构参数空间点与对应的有限元计算模型的压缩反作用力响应数据集. 其次, 结合贝叶斯超参数优化算法搭建了用于软骨细胞本构参数反求的TW-Deepnets模型和RF模型, 对有限元收集的数据进行训练, 并利用单个软骨细胞受到50%压缩程度下的实验数据对软骨细胞的MSnHS本构参数进行了反求. 最后, 通过与实验曲线的对比验证了所提出的反演方法的有效性, 并引入决定系数R2对两种模型的预测准确性进行了对比评估, 检验了模型对各本构参数的预测性能, 分析了MSnHS本构模型中各参数影响软骨细胞力学响应的重要性占比. 结果表明, 本研究提出的本构参数反演方法能够有效获取软骨细胞的本构参数值, 从而准确描述软骨细胞的时间依赖性力学特性, 该方法也可进一步推广到生物细胞在静态或动态负载条件下的复杂参数反演问题.      

含瓦斯煤的内时本构关系及其参数的实验研究

根据含瓦斯煤的力学实验结果，采用内蕴时间塑性理论建立了含瓦斯煤的本构关系，给出了本构关系中材料参数的确定方法，并进行了实验验证。     

Q235B钢动态本构及在LS-DYNA中的应用

采用万能材料试验机和分离式霍普金森拉杆（SHTB）装置,对我国钢结构建筑中最常用的Q235B钢进行准静态拉伸实验、高温拉伸实验和动态拉伸实验。基于实验数据对LS-DYNA常用的3种动态材料模型Cowper-Symonds本构模型、Johnson-Cook本构模型、Zerilli-Armstrong本构模型进行了拟合,通过Taylor杆实验对3种本构模型进行验证和对比分析。结果表明:Q235B钢具有较为明显的高温软化和应变率强化效应;Cowper-Symonds本构模型可以较好地适用于工程领域低速碰撞的模拟;Johnson-Cook本构模型可适用于较大应变率范围内的模拟;不推荐Zerilli-Armstrong本构模型在工程低速碰撞领域中使用。     

Optimizing material strength constants numerically extracted from taylor impact data

Advanced design requirements have dictated a need for the mechanical properties of materials at high strain rates. Mechanical testing for these data poses a significant problem for experimentalists. High-speed testing machines have a limited capability at rates approaching 10²/s. The split Hopkinson pressure bar is the most reliable alternative for rates approaching 10⁴/s. Plate impact experiments are capable of generating strain rates of 10⁸/s and higher. The Taylor impact test occupies a place of particular importance by providing data at strain rates on the order of 10⁴/s–10⁵/s. The issue at present is extracting the data. This paper provides a method for obtaining dynamic strength model material constants from a single Taylor impact test. A polynomial response surface is used to describe the volume difference (error) between the deformed specimen from the Taylor test and the results of a computer simulation. The volume difference can be minimized using an optimizer, with the result being an optimum set of material constants. This method was applied to the modified Johnson-Cook model for OFHC copper. Starting from a nominal set of material constants, the iterative process improved the relative volume difference from 23.1 percent to 4.5 percent. Other starting points were used that yielded similar results. The material constants were validated by comparing numerical results with Taylor tests of cylinders having varying aspect ratios, calibers and impact velocities.     

7A04铝合金的本构关系和失效模型

使用万能材料试验机、扭转试验机和Taylor撞击实验研究了高强铝合金7A04在常温至250 ℃的 准静态、动态本构关系和失效模型。基于实验结果,修改了Johnson-Cook强度模型中的应变强化项以及 Johnson-Cook失效模型中的温度软化项,并结合数值模拟标定了模型参数。实验结果表明,7A04铝合金的 应变和应变率强化效应不显著,失效应变随温度的增加、应力三轴度的减小和应变率的减小而增加。     

Numerical simulation of Taylor impact tests

The present paper discusses some aspects in the numerical simulation of Taylor impact tests. A phenomenological internal variable theory is presented and restricted by the second law of thermodynamics. The constitutive model consists of a thermo-hyperelastic equation for the stresses and an evolution equation for the plastic internal variable. Specific thermo-plastic constitutive functions are proposed and corresponding material parameters are identified. Taylor impact tests are numerically simulated using the explicit finite element program LS-DYNA augmented by an user-defined material subroutine and the effect of variation of selected model parameters is discussed. Numerical results allow new interpretations of experimental observations and test data and gives advice on identification of material parameters in rate-dependent inelastic constitutive models.     

螺旋压缩弹簧应力松弛特性试验分析及其应用

本文通过应力松弛试验、理论推导及数值模拟研究了高温下螺旋压缩弹簧的应力松弛规律,并利用加速模型对工况下弹簧应力松弛服役寿命做出预测.首先,根据螺旋压缩弹簧的结构特点搭建了弹簧应力松弛连续动态测试装置,该装置不仅避免了传统测试方法存在的缺陷,而且能够保证试验过程中位移载荷恒定,并实时监测载荷变化.本文以某飞机舱门单锁机构...     

Dynamic limit analysis formulation for impact simulation of structural members

This paper introduces an extended concept of limit analysis to deal with the dynamic equilibrium condition considering the inertia and strain-rate effect for dynamic behavior of structures. The conventional limit analysis method has been applied to only static collapse analysis of structures without consideration of dynamic effects in the structural behavior. A dynamic formulation for the limit analysis has been derived for incremental analysis dealing with time integration, strain and stress evaluation, strain hardening, strain-rate hardening and thermal softening. The time dependent term in the governing equation is integrated with the WBZ-α method. The dynamic material behavior is described by the Johnson–Cook model in order to consider strain-rate hardening and thermal softening as well as strain hardening. Simulations have been carried out for impact analysis of a Taylor bar and an S-rail and their numerical results are compared with elasto-plastic explicit analysis results by LS-DYNA3D. Comparison demonstrates that the dynamic finite element limit analysis can predict the crashworthiness of structural members effectively with less effort and computing time than the commercial code compared. The crashworthiness of a structure with the rate-dependent constitutive model is also compared to that with the quasi-static constitutive relation in order to investigate the dynamic effect on deformation of structures.     

JOB-9003的动态性能实验

对JOB-9003进行了SHPB压杆实验和逆向Taylor柱实验,研究其在冲击载荷下的动态特性,为进行JOB-9003的本构模型研究提供实验数据基础。通过对SHPB实验获得的应力应变曲线分析得出:在中低应变率范围,JOB-9003应变率对应力的影响成线性关系。通过对逆向Taylor柱实验获得的变形照片分析,发现破坏损伤对材料的力学性能影响显著,不可忽略。利用Taylor实验的结果对SHPB实验中获得的本构模型进行校核,发现该本构模型并不能准确描述处于高应变率下的材料压缩变形。     

A constitutive equation for filled rubber under cyclic loading

This paper describes experiments and the development of constitutive equations to predict the steady-state response of filled rubber under cyclic loading. An MTS servo-hydraulic machine was used to obtain the dynamic hysteresis curves for a filled rubber compound in uniaxial tension-compression. The material tests were performed with mean strains from −0.1 to 0.1, strain amplitudes ranging from 0.02 to 0.1, and strain rates between 0.01 and 10 s⁻¹. Temporary material set, the Payne effect and rate-dependence were observed from the experimental results. A hyper-viscoelastic constitutive model was developed to characterize the dynamic response of the rubber. A cornerstone of this constitutive modeling was to devise a scheme to evaluate material set and a finite strain, non-linear viscoelastic law from the test data. Predictions of the dynamic hysteresis curves using the proposed constitutive equation were found to be in good agreement with the uniaxial test results.     

结构冲击畸变问题的直接相似方法研究

结构受冲击时由不同材料引起比例模型与全尺寸原型的畸变, 通常通过修正比例模型的速度或密度进行补偿. 然而传统的修正方法, 存在需预先测试结构响应、依赖特殊本构方程、不能反映动态过程的缺陷, 因而限制了相似理论在比例模型试验中的直接应用. 本文提出了一种不同材料畸变问题的直接相似方法. 它通过建立应变率区间上比例模型预测的流动屈服应力与原型流动屈服应力的最佳逼近关系, 直接获得了修正速度或修正密度的比例因子, 完成了比例模型与原型的动态相似关系. 基于Norton-Hoff, Cowper-Symonds, Johnson-Cook三种经典的本构模型, 研究了材料应变率敏感性特征参数、参考应变率、屈服应力、密度在动态相似关系中的作用. 并通过受质量冲击的折板结构算例, 验证了直接相似方法的有效性. 分析表明, 本文提出的直接相似方法不需要预先测试结构的响应, 不依赖特殊的本构方程、强调动态相似特性, 具有直接、高效、通用的特点. 此外, 动态相似关系的最佳逼近效果, 受材料应变率敏感性特征参数控制, 屈服应力、密度和参考应变率影响不大; 当比例模型应变率敏感性特征参数与原型相近, 可获得最佳逼近.