黏弹性理论中广义Maxwell模型的教学法及其在非晶态固体中的应用

黏弹性力学是固体力学研究的重要组成部分,如何开展黏弹性力学教学对于学生理解相关知识至关重要。本文以黏弹性力学最为经典的Maxwell模型为例展示整个教学过程：首先从基本黏弹性元件出发,推导Maxwell 模型及其广义表达式,然后结合非晶固体应力松弛实验曲线,从变形单元激活特征时间角度出发,将经典Maxwell模型应用于非晶固体变形,结合实际案例和计算练习来加深学生对于该模型的理解和应用。相比于传统黏弹性力学课程,本文考虑广义Maxwell模型中多个并联单元特征时间在对数时间尺度的Gauss分布形式,这对于非晶态固体的变形研究以及黏弹性理论的课程教学过程具有重要借鉴价值。

     

纤维沥青混凝土FRA黏弹性预测模型

纤维沥青混凝土FRA(Fiber reinforced asphalt concrete)的力学行为取决于沥青混合料和纤维的物理属性及几何特征。通过三参数固体模型,考虑纤维的几何特性,构造了一种预测FRA黏弹性行为模型,推导出该模型的本构方程、蠕变柔量和松弛模量表达式。采用该模型研究了纤维体积分、比半径和弹性模量等对FRA松弛模量和蠕变柔量的影响。结果表明,纤维掺入量和比半径对FRA的松弛模量和蠕变柔量影响较大,而弹性模量影响较小。通过试验,验证了FRA预测模型具有较高的精度。在研究试验范围内,SMA-13沥青混凝土的聚丙烯腈纤维(PAN)最佳掺入量和长径比分别为0.3%～0.4%和600～900。     

广义Maxwell黏弹性流体在两平板间的非定常流动

将分数阶微积分运算引入Maxwell黏弹性流体的本构方程，研究了黏弹性流体在两平板问的非定常流动．对于广义Maxwell黏弹性流体的分数阶导数模型，导出了对时间具有分数阶导数的特殊运动方程，利用分数阶微积分的Laplace变换理论，得到了流动的解析解．     

一种工程实用的分数指数黏弹性固体模型

从热力学对模型的限制出发,提出了一种工程实用的、新固体流变模型-分数指数模型,它可与实验结果很好吻合,具有简单实用、计算速度快、自相谐调的优点,克服了目前固体模型收敛速度太慢、计算量太大的严重缺点,可以广泛应用于线性或非线性黏弹性被子示问题的计算之中。     

广义黏弹组合模型的等效性及其基本性质

对广义黏弹组合模型的等效性及其基本性质进行了研究,结果表明:广义Maxwell模型由于并联结构,其蠕变柔量很难得到. 但提出了求解广义Maxwell模型蠕变柔量的方法,给出了其具体表达式,且在此基础上证明了广义Maxwell模型与Kelvin链的等效性,建立了这两个模型物理参数间的转换关系式. 证明了广义黏弹组合模型的一个基本性质:当将模型的松弛时间谱和延迟时间谱由大到小顺序排列时,松弛时间与延迟时间互不相等,且相互交织,两相邻松弛时间中间有且仅有一个延迟时间,同时,两相邻延迟时间中间有且仅有一个松弛时间;当两者同阶相比时,延迟时间总是大于松弛时间. 这一基本性质明确了使用广义黏弹组合模型来描述现实中某种特定材料的黏弹性行为时,该材料必须具备的基本条件,因此,它可作为这类流变模型在工程应用中的一个实用判据. Wiechert模型和广义中村模型、广义Jeffreys模型和广义N-K模型、Maxwell链和广义Kelvin模型之间的等效性可作为特例.最后,实例验证了所提出的求解广义黏弹组合模型蠕变柔量方法及其基本性质.      

广黏弹组合模型的等效性及其基本性质

对广义黏弹组合模型的等效性及其基本性质进行了研究,结果表明：广义Maxwell 模型由于并联结构,其蠕变柔量很难得到. 但提出了求解广义Maxwell模型蠕变柔量的 方法,给出了其具体表达式,且在此基础上证明了广义Maxwell模型与Kelvin链的等效性, 建立了这两个模型物理参数间的转换关系式. 证明了广义黏弹组合模型的一个基本性质：当 将模型的松弛时间谱和延迟时间谱由大到小顺序排列时,松弛时间与延迟时间互不相等,且 相互交织,两相邻松弛时间中间有且仅有一个延迟时间,同时,两相邻延迟时间中间有且仅有一个松 弛时间;当两者同阶相比时,延迟时间总是大于松弛时间. 这一基本性质明确了使用广义黏 弹组合模型来描述现实中某种特定材料的黏弹性行为时,该材料必须具备的基本条件,因此, 它可作为这类流变模型在工程应用中的一个实用判据. Wiechert模型和广义中村模型、广义 Jeffreys模型和广义N-K模型、Maxwell链和广义Kelvin模型之间的等效性可作为特例. 最后,实例验证了所提出的求解广义黏弹组合模型蠕变柔量方法及其基本性质.     

广义Maxwell体土模型条件下粘弹性桩纵向振动的半解析解及应用

研究考虑桩身材料阻尼，桩侧土采用广义Maxwell模型条件下，均质土中不均匀桩(截面面积或材料性质在桩长方向上突变)的纵向振动特性，求得了瞬态半正弦脉冲荷栽作用下，桩顶频域响应的解析解及时域响应的半解析解，分析了桩身材料阻尼及土质变化对桩顶时域、频域响应曲线的影响，得到了有关新的结论。通过本文理论结果与实际工程桩的实测曲线的拟合对比，表明本文所得结果能更好地反映客观实际。     

鲫鱼尾鳍的黏弹性力学性质测量

鱼类在游动过程中表现出高效率和机动灵活的特点。鱼类通过拍动鱼鳍获得动力,并对游动过程进行控制,因此鱼鳍的力学性质影响着鱼类在游动中的表现。在以往的研究中,研究者多将鱼鳍假设为弹性材料。本文通过单轴拉伸后的松弛实验测量了鲫鱼尾鳍的黏弹性力学性质。在松弛实验中,拉力随着时间的增加而逐渐减小。在实验的前100s时间内,拉力衰减至最大拉力的75%。本文采用五参数的线性黏弹性模型对松弛实验的数据进行了拟合。基于拟合得到的模型,发现在快速起动及巡游过程中,鲫鱼尾鳍的黏弹性性质能够增加鲫鱼尾鳍的表观刚度,同时在巡游过程中,由于黏性引起的能量耗散非常小。     

帘线/橡胶复合材料各向异性黏-超弹性本构模型

帘线/橡胶复合材料广泛应用于轮胎等重要工程领域,为了描述其在服役条件下的大变形、非线性、各向异性和高应变率等材料力学行为,基于纤维增强复合材料连续介质力学理论,提出了一种考虑应变率效应的帘线/橡胶复合材料各向异性黏-超弹性本构模型. 该模型中单位体积的应变能被解耦为便于参数识别的基体等容变形能、帘线拉伸变形能、剪切应变能和黏性应变能四部分. 给出了模型参数的确定方法,并通过拟合文献中单轴拉伸、偏轴拉伸实验数据,得到了模型参数. 利用该模型预测了不同加载和变形条件下的力学行为,并将预测结果与实验结果对比分析. 结果表明, 考虑黏性模型和不考虑黏性模型对不同应变率变形条件下的预测结果相差很大,且考虑黏性模型的预测结果与实验结果吻合很好. 因此,与不考虑黏性模型相比,所提出的各向异性黏-超弹性本构模型能更好地表征帘线/橡胶复合材料在大变形、高应变率条件下的力学特性.      

Generalized Maxwell model for the viscoelastic behavior of a soda-lime-silica glass under low frequency shear loading

The linear viscoelastic behavior of a soda-lime-silica glass under low frequency shear loading is investigated in the glass transition range. Using the time-temperature superposition technique, the master curves of the shear dynamic relaxation moduli are obtained at a reference temperature of 566°C. A method to determine the viscoelastic constants from dynamic relaxation moduli is proposed. However, some viscoelastic constants cannot be directly measured from the experimental curves and others cannot be precisely obtained due to non-linearity effects at very low frequencies. The generalized Maxwell model is investigated from the experimental dynamic moduli without fixing the viscoelastic constants. A set of parameters is shown to be in good agreement with the experimental dynamic relaxation moduli, but does not give the correct values of the viscoelastic constants of the investigated glass. The soda-lime-silica glass exhibits a non-linear viscoelastic behavior at very low stress level which is usually observed for organic glasses. This non-linear behavior is questioned.     

A linear viscoelastic model for solid polyethylene

Stress relaxation tests have been carried out on a blue, pipe grade PE 80 medium density polyethylene (BP Chemicals), to provide thermo-viscoelastic rheology for use in calculating thermal stresses in pipe production. Stresses up to 4 MPa were used, with strains up to about 2%, in tests at temperatures from 23° to 90°C. Within this range a linear viscoelastic model was applicable, provided the initial ramp strain rate was less than 7×10^–5 s^–1. The stress relaxation data was fitted directly by a model incorporating an elastic response to volumetric strains, and a generalised linear solid model, consisting of two Maxwell elements and a purely elastic element in parallel, for deviatoric strains. Arrhenius type temperature dependence of relaxation times and shear moduli is found, and within experimental accuracy the temperature dependence of all these model parameters is the same. As a consequence, and provided that the duration of the strain ramp is sufficiently short relative to relaxation times, the model leads to time-temperature superposition of the relaxation moduli, using the same shift factor on both the response magnitude and time axes.     

A proposed method of measuring the complex modulus of a thick viscoelastic layer

A simple, non-destructive method of measuring the complex modulus of a layer of viscoelastic material is proposed. The method relies upon an analysis of the frictionless contact of a rigid smooth indentor and the layer. The contact is maintained by means of a fluctuating normal load. The total load (or the indentation) is required to vary in a simple sinusoidal way. The complex modulus may then be determined from the results of observations made when the contact area is maximum (or minimum).     

Plane surface suddenly set in motion in a viscoelastic fluid with fractional Maxwell model

The fractional calculus approach in the constitutive relationship model of viscoelastic fluid is introduced. The flow near a wall suddenly set in motion is studied for a non-Newtonian viscoelastic fluid with the fractional Maxwell model. Exact solutions of velocity and stress are obtained by using the discrete inverse Laplace transform of the sequential fractional derivatives. It is found that the effect of the fractional orders in the constitutive relationship on the flow field is significant. The results show that for small times there are appreciable viscoelastic effects on the shear stress at the plate, for large times the viscoelastic effects become weak. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10002003), Foundation for University Key Teacher by the Ministry of Education, Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education     

分数阶导数粘弹性模型的有限元法

在分析分数阶导数三元件模型理论的基础上,把分数阶导数三元件模型引入有限元模型中,推导出具有分数阶导数三元件本构关系的粘弹性结构动力学有限元格式。同时,应用分数阶导数型粘弹性结构动力学方程的数值算法求解了该有限元格式的数值解。并以二维沥青路面结构为例进行了路面动态粘弹性响应分析。算例分析表明,该方法能够正确有效地进行路面动态粘弹性分析。     

带支撑广义Maxwell粘弹性阻尼耗能结构风振响应分析

工程中粘弹性阻尼器的安装通过支撑与结构进行连接,但在安装粘弹性阻尼器的耗能结构随机响应分析中,为了简化计算过程,将支撑的刚度看作无穷大或者忽略支撑刚度的影响。实际上,对支撑刚度的影响加以考虑更能符合工程实际。针对考虑支撑刚度影响的粘弹性阻尼耗能结构风振响应分析过程复杂的问题,提出了一种求解考虑支撑影响的广义Maxwell粘弹性阻尼耗能结构基于Davenport谱风振响应的简明解析解法。在广义Maxwell粘弹性阻尼器微分型本构模型基础上,给出了考虑支撑刚度的粘弹性阻尼器等效本构关系。将粘弹性阻尼器等效本构关系与结构运动方程联立,采用复模态法将其解耦,获得结构风振响应的统一表达式。将耗能结构在Davenport风速谱下的系列响应功率谱密度函数分解为频域响应函数与Davenport功率谱密度函数的乘积形式,基于随机振动理论中谱矩的定义,对响应功率谱密度函数积分后获得无积分项的系列响应谱矩表达式。在算例中通过与虚拟激励法计算结果对比,验证了所提解法的准确性,并分析了支撑刚度在耗能系统中的影响。     

Inverse problem for the viscoelastic medium with discontinuous wave impedance

Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｓｗｉｔｈｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄａｔａｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍｔｈｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｓｏｆｃｅｎｔｒａｌｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｉｎｓｏｍｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｆｏｒｅｘａｍｐｌｅ,ｓｃａｔｔｅｒｅｄｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅｓｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｔｈｅｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ,ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｓｕｓｃｅｐｔｉｂｉｌｉｔｙｋｅｒｎｅｌｏｆ…