一种考虑剪切作用的各向异性超弹性本构模型

基于纤维增强复合材料连续介质力学理论,提出了一种轮胎帘线/橡胶复合材料的各向异性超弹性本构模型. 应变能被分解为分别代表橡胶、帘线、帘线/橡胶之间的角剪切和正剪切应变能4个部分. 给出了模型参数的简单确定方法,通过拟合文献中的实验数据,得到了本构模型参数,并用该模型预测了其他变形条件下的力学行为,得到了和实验数据较一致的结果,验证了该模型的有效性,为整体轮胎的有限元分析打下了基础.     

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.     

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.     

考虑缠结效应的超弹性本构模型

经典熵弹性模型, 如 Neo-Hookean模型和Arruda-Boyce八链模型, 被广泛应用于预测橡胶等软材料的超弹性力学行为. 然而, 大量实验结果也显示仅采用一套模型参数, 这类模型不能同时准确地描述橡胶在多种加载模式下的应力响应. 为了克服上述模型的不足, 本文在熵弹性的模型基础上引入缠结约束效应. 微观上, 采用Langevin统计模型来表征熵弹性变形自由能, 通过管模型(tube model)引入缠结约束自由能, 并基于仿射假设, 建立微观变形与宏观变形之间的映射关系. 在宏观上, 所建立的超弹性模型的Helmholtz自由能同时包含熵弹性和缠结约束两部分, 其中熵弹性自由能与经典的Arruda-Boyce八链模型一致, 依赖于柯西-格林应变张量的第一不变量, 而缠结约束自由能依赖于柯西-格林应变张量的第二不变量. 与文献中的实验结果对比发现, 该三参数模型能准确地预测实验中所测得的橡胶材料在单轴拉伸、纯剪切和等双轴拉伸变形条件下的应力响应, 也能较好地描述不同预拉伸比条件下双轴拉伸实验结果. 最后, 本文比较了所建立的基于应变不变量的缠结约束模型与文献中相关的缠结约束模型在多种加载模式下自由能的异同. 总的来说, 本文所建立的本构理论能准确模拟橡胶等软材料的大变形力学行为, 对其工程应用有促进作用.      

高弹态未硫化橡胶在不同变形模式下的循环加卸载力学行为

对高弹态未硫化橡胶实施了不同变形模式(单轴拉伸和压缩)的循环力学实验,以考察其黏超弹性响应以及应变率对力学行为的影响。结果表明,材料的拉伸、压缩性能与加载速率和变形历史均有着显著的相关性。对于循环拉伸变形,应力-应变曲线的非线性特征较为明显,材料表现出类似于屈服的性质,且随着循环次数和变形量增加,迟滞损耗的积累趋势逐渐减弱;而对于循环压缩变形,应力-应变关系接近线弹性,且随着循环次数和变形量增加,材料刚度和迟滞损耗积累的趋势都逐渐增强。针对上述实验结果,在经典的Bergstrom-Boyce模型中引入损伤变量,对未硫化橡胶的应变率相关性和Mullins效应进行表征。理论计算结果表明,这种非线性黏超弹模型能够较好地描述未硫化橡胶在不同载荷条件下的变形响应与应力软化特征。     

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。     

NEPE推进剂低高应变率下改进的黏-超弹本构模型

为研究低高应变率条件下NEPE推进剂的力学特性,通过电子万能试验机和分离式霍普金森杆装置,对NEPE推进剂进行了准静态和冲击实验,得到了不同应变率下（1.667×10?4～4 500 s?1）的应力-应变曲线。实验结果表明NEPE推进剂具有明显的非线性弹性和应变率敏感性,随着应变率的增加,材料的强度、屈服应力和弹性模量显著增加,与低应变率相比,高应变率条件下材料的应变率敏感性更高。在高速冲击下材料内部瞬间产生大量热量无法及时散发出去,使得材料内部温度升高,导致材料出现软化效应,力学性能降低。本文建立了一个非线性黏超弹本构模型,其中采用Rivlin应变能函数来描述稳态超弹响应部分,采用积分型本构模型来描述材料的动态黏弹性响应部分,考虑到松弛时间具有应变率相关性,本文采用了一个率相关松弛函数来替代传统的Prony级数形式。使用极慢速压缩实验数据对本构模型中的超弹部分进行拟合获得超弹参数,然后用准静态和动态实验数据对本构模型进行拟合得出其他参数。不同应变率下的预测曲线与实验曲线具有较好的重合度,证明了该模型可以很好地描述低高应变率下NEPE推进剂的力学特性。     

高体积含量非线性黏弹复合材料有效性质

提出了一个细观力学模型,可用于预测高体积含量非线性黏弹复合材料有效性质.该模型基于广义割线模量法、双球法以及Laplace-Carson变换技术.所提出的模型对玻璃微珠填充高密度聚乙烯(GB/HDPE)复合材料的应力应变关系进行了预测,结果与文献实验结果吻合;计算结果还表明在高体积百分比下文中所提出的方法比基于MT方法预测的粘性效应明显减弱;最后还将所提方法与线黏弹框架下的均质化模型做了比较,结果表明GB/HDPE表现出明显的非线性,线黏弹本构无法描述应变率对其力学行为的影响.     

聚硅氧烷硅胶的黏超弹性力学行为研究

聚硅氧烷硅胶是一类以Si——O键为主链、硅原子上直接连接有机基团的无色透明高分子聚合物, 因其具有优异的超弹性性能而广泛应用于精密减震结构、柔性电子器件等领域. 在聚硅氧烷硅胶减震结构和柔性电子器件的设计中, 材料在大变形和动态加载下的黏超弹性力学行为的精确描述至关重要. 本文针对该问题进行了系统的研究:首先, 将该硅胶的超弹性和黏弹性行为进行解耦, 确定其黏超弹性本构方程的基本框架;其次, 基于单轴拉压、平面拉伸试验确定其准静态超弹性模型的各项参数;再次, 利用霍普金森压杆冲击试验确定其黏弹性模型的各项参数;在此基础上, 将超弹性和黏弹性模型合并为适用于大应变和大应变率的黏超弹性动态本构模型;最后, 利用落锤冲击试验对该硅胶薄片的冲击变形行为进行了研究, 并利用上述建立的动态本构模型对落锤冲击过程进行了有限元模拟. 结果表明:本文建立的黏超弹性本构模型可有效预测该硅胶在冲击载荷下的力学行为, 从而为聚硅氧烷硅胶减震结构和柔性电子器件的优化设计提供了理论和应用基础.      

聚硅氧烷硅胶的黏超弹性力学行为研究

聚硅氧烷硅胶是一类以Si—O键为主链、硅原子上直接连接有机基团的无色透明高分子聚合物,因其具有优异的超弹性性能而广泛应用于精密减震结构、柔性电子器件等领域.在聚硅氧烷硅胶减震结构和柔性电子器件的设计中,材料在大变形和动态加载下的黏超弹性力学行为的精确描述至关重要.本文针对该问题进行了系统的研究:首先,将该硅胶的超弹性和黏弹性行为进行解耦,确定其黏超弹性本构方程的基本框架;其次,基于单轴拉压、平面拉伸试验确定其准静态超弹性模型的各项参数;再次,利用霍普金森压杆冲击试验确定其黏弹性模型的各项参数;在此基础上,将超弹性和黏弹性模型合并为适用于大应变和大应变率的黏超弹性动态本构模型;最后,利用落锤冲击试验对该硅胶薄片的冲击变形行为进行了研究,并利用上述建立的动态本构模型对落锤冲击过程进行了有限元模拟.结果表明:本文建立的黏超弹性本构模型可有效预测该硅胶在冲击载荷下的力学行为,从而为聚硅氧烷硅胶减震结构和柔性电子器件的优化设计提供了理论和应用基础.     

多孔硅橡胶有限变形的粘弹性行为

针对孔隙度较大（孔隙度大于50％）的硅橡胶材料在有限变形时的粘弹性行为，从建立描述材料粘弹性特征的松驰函数和变形特征的应变能函数出发，提出了适合多孔隙、可压硅橡胶材料的非线性粘弹性力学行为的本构关系，松驰函数和应变能函数可解耦为等容和体积变形两部分，并引入了拟时间的概念来反映变形对材料特征时间的影响，利用硅橡胶材料的单轴压缩松驰实验与材料模型进行了对比，讨论了多孔硅橡胶的等容变形和体积变形对应力松驰的影响。     

A physically-based constitutive model for anisotropic damage in rubber-toughened glassy polymers during finite deformation

The present work focuses on the development of a physically-based model for large deformation stress-strain response and anisotropic damage in rubber-toughened glassy polymers. The main features leading to a microstructural evolution (regarding cavitation, void aspect ratio, matrix plastic anisotropy and rubbery phase deformation) in rubber-toughened glassy polymers are introduced in the proposed constitutive model. The constitutive response of the glassy polymer matrix is modelled using the hyperelastic-viscoplastic model of [Boyce et al., 1988] and [Boyce et al., 2000]. The deformation mechanisms of the matrix material are accounted for by two resistances: an elastic-viscoplastic isotropic intermolecular resistance acting in parallel with a visco-hyperelastic anisotropic network resistance, each resistance being modified to account for damage effects by void growth with a variation of the void aspect ratio. The effective contribution of the hyperelastic particles to the overall composite behaviour is taken into account by treating the overall system in a composite scheme framework. The capabilities of the proposed constitutive model are checked by comparing experimental data with numerical simulations. The deformation behaviour of rubber-toughened poly(methyl methacrylate) was investigated experimentally in tension at a temperature of 80 °C and for different constant true strain rates monitored by a video-controlled technique. The reinforcing phase is of the soft core-hard shell type and its diameter is of the order of one hundred nanometers. The particle volume fraction was adjusted from 15% to 45% by increments of 5%. The stress-strain response and the inelastic volumetric strain are found to depend markedly on particle volume fraction. For a wide range of rubber volume fractions, the model simulations are in good agreement with the experimental results. Finally, a parametric analysis demonstrates the importance of accounting for void shape, matrix plastic anisotropy and rubber content.     

An investigation of intelligent tires using multiscale modeling of cord-rubber composites

A computational model based on the multiscale progressive failure analysis is employed to provide the theoretical predictions for damage development in the cord-rubber composites in tires. Vulcanized rubber, reinforcing belts, and carcass used in tire structures cause the anisotropic behavior under different loading conditions. Steel reinforcement layers made of steel wires combined with rubber complicate the macro-scale finite element modeling of tires. This paper presents a new three-dimensional model of the cord-rubber composite used in tires in order to predict the different types of damage including matrix cracking, delamination, and fiber failure based on the micro-scale analysis. Additionally, intelligent tires have the potential to be widely used to enhance the safety of road transportation systems, and this paper provides an estimation of the effects of void volume fraction, fiber volume fraction, and stacking sequence of the cord-rubber composites on the acceleration profile of the tire measured at the inner-liner.     

多孔硅橡胶有限变形的弹性行为

针对孔隙度较大 (孔隙度大于 5 0 % )的硅橡胶材料在压缩情况下的大变形 ,提出了可描述此类可压橡胶材料力学行为的应变能密度函数 ,推导了硅橡胶材料的本构方程。利用硅橡胶材料的单轴压缩实验进行了材料参数拟合 ,讨论了多孔硅橡胶的孔隙度和体积变形对压缩性能的影响     

Mechanical behavior of amorphous polymers in shear

Based on the non-equilibrium thermodynamic theory, a new thermo-viscoelastic constitutive model for an incompressible material is proposed. This model can be considered as a kind of generalization of the non-Gaussian network theory in rubber elasticity to include the viscous and the thermal effects. A set of second rank tensorial internal variables was introduced, and in order to adequately describe the evolution of these internal variables, a new expression of the Helmholtz free energy was suggested. The mechanical behavior of the thermo-viscoelastic material under simple shear deformation was studied, and the “ viscous dissipation induced“ anisotropy due to the change of orientation distribution of molecular chains was examined. Influences of strain rate and thermal softening produced by the viscous dissipation on the shear stress were also discussed. Finally, the model predictions were compared with the experimental results performed by G‘ Sell et al. , thus the validity of the proposed model is verified.     

Fatigue Life Estimation for an NBR Rubber and an Expanded Polyurethane

In this paper, we deal with the mechanical behavior of elastomeric materials subjected to high cyclic loading in cases of high strain. First, a methodology for material parameter identification is used for a constitutive visco-hyperelastic law with discontinuous damage, modeling the Mullins effect. Then a fatigue model characterized by a strain energy density-based criterion is proposed and implemented in the finite element code, Code-Aster [1]. Two kinds of elastomer are considered, an incompressible rubber and an expanded compressible polyurethane. Cyclic tensile tests were performed to identify material fatigue parameters. Finally, a numerical application using a finite element model is presented. This model is a plate perforated by a ?6 mm hole for the first sample and a ?10 mm hole for the second one. The results obtained from the finite element model are compared to experimental results.