描述大应变率范围下材料响应的粘塑性本构模型

以位错动力学理论中的Ｏｒｗａｎ和Ｇｉｌｍａｎ关系为基础建立描述率相关材料非弹性响应的基本方程，选择材料准静态实验的单轴响应作为强化演化的规律，并考虑应变率敏感程度随变形产生变化的特性，建立了适用于大应变率范围内率相关材料的统一型粘塑性本构模型。对铝１１００－０在应变率范围１０－５～１０４ｓ－１内产生的有限塑性应变的单轴响应进行了理论预测，与Ｋｈａｎ和Ｈｕａｎｇ［１］的实验数据及模型预测结果进行了比较，结果表明本文模型具有较高的预测精度，在高应变率和较大应变下不容忽视率敏感参数随变形的变化。     

弹塑性本构关系的Ilyushin应变空间理论研究进展

Ｉｌｙｕｓｈｉｎ提出五维偏应变矢量空间中的一般弹塑性本构理论，将应力表示为变形迹内蕴几何学参数的泛函，适合于描写复杂加载下金属材料的塑性响应特性。本文对其实验和理论两方面的研究进展作了综述，涉及关于塑性响应矢量特性的“局部确定性”假设，标量特性的“延心原理”假设及Ｉｌｙｕｓｈｉｎ关于矢量空间的“特殊各向同性”假设等的实验研究和验证，微分型和积分型本构模型的建立及所含本构泛函的形式和确定。     

考虑应变率效应的混凝土随机损伤本构模型研究

混凝土材料组分复杂且具有随机分布的特点,其受力力学行为不可避免地存在非线性和随机性.同时,在动力荷载作用下,混凝土材料具有不可忽视的率敏感性.为了综合反映混凝土受力力学行为中的非线性、随机性与率敏感性,本文从对材料的纳-微观裂纹扩展分析入手,引入速率过程理论描述纳观裂纹的扩展速率,并研究了对应的能量耗散过程.在此基础上通过裂纹层级模型将纳观分析推演到微观尺度,建立了微观能量耗散的基本表达式.进而与微-细观随机断裂模型相结合,形成了混凝土纳-微-细观随机损伤本构模型.同时,基于速率相关势垒的分析,揭示了动力强度的提高源自加载速率和原子键断裂速率的竞争机制.据此,假定微裂纹间相互作用与应变率比值的相关关系以建立微弹簧能量耗散速率与应变率的联系,实现了从静力本构模型向动力本构模型的扩展.数值算例表明,建议模型能够同时反映混凝土材料力学行为中的非线性、随机性和率敏感性.最后通过与相关试验结果的对比,验证了建议模型的正确性.     

不同应变率下聚乙烯材料的压缩力学性能

为了研究聚乙烯材料在不同应变率下的压缩力学性能,通过准静态实验和动态实验获得聚乙烯材料不同应变率下的应力应变曲线,分析发现:聚乙烯的弹性模量和屈服强度随应变率增大而增大,具有明显的黏弹塑性;聚乙烯材料进入塑性阶段,其应力应变曲线在不同应变率下具有相近的变化趋势,即塑性切向模量近似相同。根据聚乙烯材料的压缩力学性能,建立了弹性区、屈服点和塑性区的分段本构模型。该模型的屈服点和塑性段与实验结果吻合较好,由于弹性段采用线弹性模型,与实验结果存在一定偏差,可近似描述材料的弹性行为。     

有限弹塑性变形中应变及应变率的分解

本文对有限弹塑性变形中关于应变及应变率的分解问题进行了系统的评述。在讨论各派理论的基础上提出了我们的观点,并从缺陷场论角度研究了不协调塑性场的应变率分解。      

基于统一强度理论的岩石弹塑性本构模型及其数值实现

基于弹塑性力学理论,以统一强度准则为屈服准则,建立了考虑硬化/软化行为和应变率效应的岩石弹塑性本构模型;采用Fortran语言通过LS-DYNA的用户自定义材料接口(Umat)对该弹塑性本构模型进行编程,并把该程序生成求解器以达到对该模型进行应用的目的;通过岩石的单轴压缩实验和SHPB实验对所建的弹塑性本构模型进行验证,结果表明,该弹塑性本构模型能够反映岩石在准静态和动态下的力学行为。     

PMMA低、中应变率单向拉伸力学性能的实验研究

利用MTS810试验机和自行研制的中应变率材料试验机对有机玻璃(PMMA)准静态(应变率为2.00×10-2s-1,2.01×10-3s-1和2.38×10-4s-1)和中应变率(应变率为18.6s-1,2.81s-1,6.54×10-1s-1和2.92×10-1s-1)单向拉伸力学性能进行了实验研究。应变率为2.38×10-4s-1时,应力-应变曲线中存在软化段。结果显示,在上述应变率范围内,PMMA的力学性能具有明显的应变率相关性,表现为应变率强化、应变率硬化和高速脆性。PMMA的拉伸力学性能在应变率达到18.6s-1时出现了更大的应变率敏感性。采用包含一个非线性弹簧和六个松弛模式的粘弹性模型分析PMMA力学性能的应变率相关性,得到PMMA在低、中应变率下单向拉伸的本构方程,理论结果与实验结果符合较好。     

应变率历史对应力应变曲线的影响

利用普通SHPB实验系统、双试件SHPB实验系统，对一特种钢材进行了不同应变率历史的动态压缩实验，获得了不同应变率历史所对应的应力应变曲线。通过量化平均应变率相同的情况下不同应变率历史所对应的应力应变曲线的差别，以及量化应变率历史的恒定程度，初步分析了应变率历史对应力应变曲线的影响。研究结果表明:特别是在较高平均应变率下，应变率历史对试件材料的应力应变曲线有明显的影响，在材料动态本构关系研究中应当考虑应变率历史的影响。     

高应变率拉伸加载下无氧铜的本构模型

为了研究材料在高应变率拉伸加载下的动态响应,利用新型爆炸膨胀环实验技术开展了无氧铜试样环的拉伸加载实验,采用激光干涉测试技术获得了试样环拉伸变形过程的径向速度历史。数值计算发现经典JC模型不能较好地描述无氧铜试样环的膨胀过程,于是对JC模型进行了修改:增加了应变的指数硬化项来描述拉伸变形的累积效应;增加了应变率的线性项描述拉伸加载时的应变率效应;利用实验数据拟合了修改后的RJC模型参数,最终较好描述了无氧铜试样环的膨胀变形过程。     

基于对数应力率大应变本构关系的参数标定研究

在所有率型弹塑性本构模型中,只有对数应力率对应的本构模型能够满足自适应准则.基于对数应力率,采用实心圆轴扭转实验,对大应变弹塑性本构模型中的参数标定问题进行了讨论.推导出了考虑Swift效应时端部自由实心圆轴扭转变形的变形率、对数旋率、Kirchhoff应力及Kirchhoff应力的对数应力率.对于等向强化大应变弹塑性本构关系,给出了由实心圆轴扭转实验标定的、基于Kirchhhoff应力对数应力率的本构关系中塑性刚度函数的表达式.分析了扭转圆轴的Swift效应对塑性刚度函数的影响.结果表明,实心圆轴扭转的轴向伸长变形和径向变形对基于对数应力率大应变本构关系中的塑性刚度函数都有影响.当不考虑Swift效应时,所得塑性刚度函数表达式与不考虑Swift效应时基于Jaumann应力率的塑性刚度函数表达式相同.     

中应变率材料试验机的研制

本文全面介绍了自行研制的中应变率材料试验机的基本情况,此试验装置可在0.1s^-1-50s^-1应变率范围内对哑铃状圆柱试件和哑铃状扁平试件进行拉伸及加卸载实验,对圆柱状态 试件进行了压缩及加卸载试验,通过采用液压驱动、分级调速、缓冲撞击等技术产生上升沿陡峭的平衡加载脉冲,从而实现中应变率试验;通过自定心夹具、液压缸的精密共轴保证试验的可靠性;辅以定位装置实现对试件的加卸载;同时通过力传感器及配套研制的高动态应变仪、光学引伸仪完成应力、应变的测量,经实验考评,表明装置是可靠的。     

纤维复合材料的弹粘塑性行为体分比与应变率的影响

利用微观力学方法研究了纤维增复合材料的弹塑性行为，着重分析了纤维体分比和加载应变率对以金属基为主的复合材料应力－应变关系的影响。给出了不同体分比的Ｇｒａｐｈｉｔｅ／Ｔｉｔａｎｉｕｍ复合材料在不同常应变率下的应力－应变关系曲线，对这两种因素的影响进行了比较分析。     

多晶纯钛在高应变率不同温度下的拉伸力学行为实验研究

利用MTS809和自行研制的旋转盘冲击拉伸试验机,对多晶纯钛进行了应变率为0.001s-1和300s-1、温度为298K至973K的拉伸试验和应变率为300 s-1不同温度下的冲击拉伸复元试验,得到了多晶纯钛的拉伸应力应变曲线和高应变率等温应力应变曲线。试验结果表明,多晶纯钛的拉伸力学行为具有应变率和温度相关性。采用修正的Johnson-Cook模型进行数值拟合,结果表明,该本构模型能较好地表征多晶纯钛在试验应变率和温度范围内的拉伸力学行为。     

应变片技术在动态力学测量中的应用

本文详细讨论了应变片技术,特别是半导体应变片技术在动态力学测量中的若干技术问题,主要有应变片及起动态应变仪的频率响应问题,应变片灵敏系数的动态标定问题。文章指出,随着数据处理微机化的日益普及,半导体材料所存在的非线性特性及拉压不对称性将不再影响到半导体应变片技术的推广使用。相反地,灵敏系数极高这一优良特性将使该项技术获得日益广泛的应用。     

Strain Rates and Material Spins

The material time rate of Lagrangean strain measures, objective corotational rates of Eulerian strain measures and their defining spin tensors are investigated from a general point of view. First, a direct and rigorous method is used to derive a simple formula for the gradient of the tensor-valued function defining a general class of strain measures. By means of this formula and the chain rule as well as Sylvester's formula for eigenprojections, explicit basis-free expressions for the material time rate of an arbitrary Lagrangean strain measure can be derived in terms of the right Cauchy–Green tensor and the material time rate of any chosen Lagrangean strain measure, e.g. Hencky's logarithmic strain measure. These results provide a new derivation of Carlson–Hoger's general gradient formula for an arbitrary generalized strain measure and supply a new, rigorous proof for Carlson–Hoger's conjecture concerning the n-dimensional case. Next, by virtue of the aforementioned gradient formula, a general fact for objective corotational rates and their defining spin tensors is disclosed: Let Ω = ϒ ( B, D, W) be any spin tensor that is continuous with respect to B, where B, D and B are the left Cauchy–Green tensor, the stretching tensor and the vorticity tensor. Then the corotational rate of an Eulerian strain measure defined by Ω is objective iff Ω = W + υ ( B, D), where Υ is isotropic. By means of this fact and certain necessary or reasonable requirements, it is further found that a single antisymmetric function of two positive real variables can be introduced to characterize a general class of spin tensors defining objective corotational rates. A general basis- free expression for all such spin tensors and accordingly a general basis-free expression for a general class of objective corotational rates of an arbitrary Eulerian strain measure are established in terms of the left Cauchy–Green tensor B and the stretching tensor B as well as the introduced antisymmetric function. By choosing several particular forms of the latter, all commonly-known spin tensors and corresponding corotational rates are shown to be incorporated into these general formulas in a natural way. In particular, with the aid of these general formulae it is proved that an objective corotational rate of the Eulerian logarithmic strain measure ln V is identical with the stretching tensor D and moreover that in all possible strain tensor measures only ln V enjoys this property. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

在氢环境中钢的应变速率效应

从静态、准静态直到冲击的应变速率范围内(.ε=10-7~103sec-1),研究了在氢环境中应变速率对10钢力学性能的影响。结果表明:对于10钢,应变速率在3.33×10-3~3.33×10-6sec-1范围,氢的影响最明显,随着应变速率的提高或降低,氢的影响逐渐减弱;对于渗氢和未渗氢试样,应变速率在10-4~103sec-1范围内,屈服应力都随着应变速率的增加而增加,在.ε<6.0×102sec-1区域Ⅰ内流动应力与应变速率呈线性关系,在.ε>6.0×102sec-1区域Ⅱ内流动应力对应变速率十分敏感。与准静态时相比较,高应变速率下未渗氢试样的流动应力增加了1.1倍,而渗氢试样则增加了1.5倍。文中给出了可以精确描述10钢在高应变速率下渗氢与未渗氢试样的应力应变关系表达式。     

不同应变率下45钢的层裂研究

本文在利用轻气炮加载技术，确定击靶速度为500m／s左右的非对称碰撞情况下，利用VISAR测试技术，测得样品后表面的的自由面速度历史，并通过在靶前加不同阻抗的铝和有机玻璃(PMMA)来改变材料的加载应变率，其应变率范围在10^4-10^5／s情况下，测得45钢的层裂强度受应变率的影响．     

云纹图应变分析的计算机处理

本文将大变形理论用于云纹法的应变分析中,采用二维样条函数插值、拟合位移的分布,计算了应变张量的分布。用张力样条函数绘制了它们的等值线图。对非矩形域塑性成形问题,采用扩展延伸成为矩形域的方法进行处理,获得满意结果。     

应变率对SiC颗粒增强铝基复合材料拉伸性能的影响

本文利用岛津试验机和自行研制的冲击拉伸试验装置,对体积含量为10%的SiC颗粒增强铝基复合材料进行了准静态的拉伸试验、冲击拉伸试验和冲击拉伸加卸载试验,获得了复合材料在应变率为0.002s^-1-1000s^-1范围内从弹塑性变形直至断裂的完整应力应变曲线。试验结果表明,随着应变速率的提高,复合屈服应力,拉伸强度以及破坏应变均相应提高,具有明显的应变率强化效应和高速韧性现象;同时,由于冲击拉伸试验过程中热力耦合效应的影响,准静态加载下复合材料的应力指数与冲击拉伸加载下复合材料的应力指数相比降低了17.8%;在用冲击拉伸复元试验解耦出热力耦合效应的影响后,材料的静、动态等温应力应变曲线具有相同的应变硬化规律。最后,根据复合材料在不同应变率下的试验结果和Eshelby‘s等效夹杂理论,本文建立了一个计及应变率强化效应的弹塑性自洽模型,模型拟合结果与试验结果吻合得很好。