模拟热钢塑性变形的非金属软材料及若干试验技术

模拟热钢塑性变形的非金属软材料及若干试验技术赵文奇谢冰曹起骧（清华大学工程力学系，北京１０００８４）（清华大学机械工程系，北京１０００８４）摘要本文简要介绍了用来模拟金属塑性变形的非金属软材料及用其进行模拟实验时的若干试验技术．关键词塑泥，塑性模拟，...     

深部软岩新型相似模拟材料的研制

在总结以往相似模拟材料特点的基础上,结合深部软岩强度、变形特征,本着相似材料组分简单、模型制作便捷等原则,研制了仅以河砂为骨料,松香酒精溶液为粘结剂的深部软岩新型相似模拟材料。通过对不同配比试样进行单、三轴压缩、巴西劈裂试验,获得了不同配比条件下该相似模拟材料的强度、变形、破坏特征。研究表明,通过简单的配比调配,该相似模拟材料可以较好地模拟深部大多类型的软岩,且具有组分简单、模型制作便捷、力学性能稳定、无毒无污染、价格低廉、一定程度上可重复利用等特点。     

沥青海砂作为软岩相似材料的实验研究

为了解决岩石工程相似模型实验中传统相似材料难以模拟深部软岩低强度、大变形和强流变的问题,本文选用70#沥青(产量大、成本低、粘弹性、易成型、易软化等)和海砂作为深部软岩的相似模拟材料.采用连续加压法对其进行了单轴压缩实验,对不同配比下试件的密度、抗压强度及初始弹性模量进行分析,得到了该相似材料有关的原始数据和规律.本文初步验证了使用该相似材料模拟深部软岩的可行性,并针对不足之处给出一些合理改进建议,为进一步模型模拟实验提供指导.     

软岩相似模拟材料单轴压缩力学特性的温度效应试验研究

为探索适用于模拟深部高温压下强延性地质软岩的相似材料,在传统砂和石膏的基础上,加入铁粉和温度敏感的石蜡,调整配比,制成4种软岩相似材料;通过单轴压缩试验,对经历不同温度(-20～50℃)后软岩相似材料的变形、强度特性、破坏形式的影响规律进行了研究。结果表明:随着温度的升高,软岩相似材料的弹性模量及峰值强度整体呈下降趋势,同一温度下,石蜡含量高的,峰值也大;不同温度下,表现为张拉破坏、剪切破坏、锥形破坏、楔形破坏,与天然岩体的常见破坏形式相一致;通过改变温度和砂胶比能模拟不同强度的脆性、延性岩体,尤其对高温压下的强延性深部岩体有独特优势。鉴于该类软岩相似材料的温敏性,使用时需要严格控制温度条件,可作为大型地质力学模型试验的特殊层,与其它传统相似材料配合使用。     

软材料粘接结构界面破坏研究综述

软材料已经在软机器人、生物医学及柔性电子等各个领域得到广泛的应用. 实际应用中, 软材料多需要粘附于不同类型的基底上, 与之共同组成工程构件进而实现特定的功能, 粘接界面性能对构件的结构完整性与功能可靠性起着关键性作用. 本文对目前软材料粘接结构界面破坏行为方面的研究进行了系统总结. 首先通过与传统粘接结构的对比, 指出了“软界面”与“软基体”两种软材料粘接结构界面破坏行为的独特性及其物理本质. 接着分别总结了“软界面”与“软基体”两种粘接结构界面破坏行为的实验表征方面的研究成果, 对界面及基体黏弹性耗散对界面破坏机理的影响分别进行了分析. 然后从理论角度, 介绍了针对两种软材料粘接结构界面破坏行为的理论分析方法, 并对已建立的相关理论模型进行了总结. 之后以内聚力模型方法为基础, 介绍了软材料粘接结构界面破坏行为数值模拟方面的相关研究进展. 最后基于已有的研究成果, 提出了目前研究所面临的挑战, 并对可能的软材料粘接结构界面破坏的未来研究方向进行了讨论和展望.      

近似不可压软材料动力分析的完全拉格朗日物质点法

物质点法(MPM)在模拟非线性动力问题时具有很好的效果,其已被广泛应用于许多大变形动力问题的分析中.然而传统的MPM在模拟不可压或近似不可压材料的动力学行为时会产生体积自锁,极大地影响模拟精度和收敛性.本文针对近似不可压软材料的大变形动力学行为,提出一种混合格式的显式完全拉格朗日物质点法(TLMPM).首先基于近似不可压软材料的体积部分应变能密度,引入关于静水压力的方程;之后将该方程与动量方程基于显式物质点法框架进行离散,并采用完全拉格朗日格式消除物质点跨网格产生的误差,提升大变形问题的模拟精度;对位移和压强场采用不同阶次的B样条插值函数并通过引入针对体积变形的重映射技术改进了算法,提升算法的准确性.此外,算法通过实施一种交错求解格式在每个时间步对位移场和压强场依次进行求解.最后,给出几个典型数值算例来验证本文所提出的混合格式TLMPM的有效性和准确性,计算结果表明该方法可以有效处理体积自锁,准确地模拟近似不可压软材料的大变形动力学行为.     

肌肉类粘弹性超软材料SHPB实验的应力应变均匀性分析

试样的轴向应力和应变均匀问题是霍普金森杆实验行之有效的必要条件,而这对肌肉类粘弹性超软材料尤为重要.本文用量纲分析法,分析出了影响粘弹性材料SHPB实验应力和应变均匀性的无量纲量,结合LS-DYNA数值模拟方法,考察了各无量纲量对粘弹性材料均匀性的影响规律.结果表明,为使肌肉类材料SHPB实验更早达到均匀条件,理想的入...     

介电高弹聚合物力电行为研究与器件设计

相对于人们通常熟悉的金属、陶瓷、玻璃等“硬材料”,“软材料”是自然界、生命体系、日常生活和工程应用中广泛存在的物质体系,例如动植物组织结构、人造聚合物、液晶、胶体、泡沫、颗粒物质等.许多软材料在受外界激励后会发生变形或引发相应的功能响应,这种材料被称为功能软材料(soft active material,SAM).介电高弹聚合物属于典型的功能软材料,通过电压作用,介电高弹聚合物可产生超过100％的应变,并具有轻质量、快反应和高能量密度等优点,在智能仿生、航空航天、机械、新能源等领域有巨大的应用潜力.本学位论文主要研究介电高弹聚合物这一类功能软材料,研究了介电高弹聚合物的失拉、断裂、电击穿、粘弹性、失稳等力电失效和力电耗散现象,通过分析这些现象的产生机理和特性,得到克服或利用介电高弹聚合物特有的力电性能,实现换能器极大电致变形(1692％电致面积变形)、高效能量收集、主动调频振动等性能的理论方案.通过仿真模拟,进行换能器结构与介电高弹聚合物材料的优化设计,在试验上完成介电高弹聚合物换能器在不同工作模式下的高性能实现.     

介电高弹聚合物理论

软材料受刺激会发生变形, 该变形会引起相应的功能, 这种材料称为活性软材料(soft active material, SAM). 本综述主要讨论介电高弹聚合物这一类活性软材料. 当介电高弹聚合物薄膜受到厚度方向的电压作用时, 薄膜厚度减小同时面积增大, 可导致超过100{\%}的应变. 介电高弹聚合物作为转换器被广泛应用, 包括柔性机器人、智能光学器件、盲文显示屏、发电机等. 本文综述了建立在连续介质力学和热力学框架内的、并且基于分子理论描述和经验观测的介电高弹聚合物理论. 该理论耦合了大变形和电势, 描述了非线性和非平衡行为, 如力电失稳和黏弹性. 采用该理论能够通过有限元方法模拟实际构型的转换器, 计算力电能量转换的效率, 给出电致大变形的可行途径. 该理论有助于材料和器件设计.     

材料微结构演化的相场模拟

材料的各种宏观性能与其内部的微观结构密切相关,如何通过控制材料微结构的分布来提高其性能指标一直是工程界与学术界广泛关注的课题。由于场变量在界面的突变,传统的基于局部理论的突变界面模型在描述材料微结构演化方面存在一定的困难。基于非局部理论的相场法采用扩散界面的概念来描述界面,避开了理论上描述突变界面的困难,在模拟材料内部任意的组织形态和复杂的微结构演化方面具有独特的优点。本文首先介绍相场法的热力学理论基础,包括自由移动边界问题、扩散界面模型、非局部能量泛函、相场动力学方程及其常用求解方法。然后重点介绍铁电、铁磁和多铁性材料微结构演化的相场模拟,同时简要介绍相场法在软物质和锂离子电池材料微结构演化模拟中的应用,最后给出总结和展望。     

超重力作用下软材料薄膜失稳的有限元分析

软材料在自然界和工业应用中无处不在,其显著特点是对外界刺激极其敏感,相对于传统材料其弹性模量更小,容易发生表面形态的失稳现象．现有研究主要把光、声、电等作为诱导材料失稳的因素进行研究,而重力往往作为常量考虑．本文通过有限元模拟,建立超重力作用下环向受限的圆柱状软材料薄膜失稳模型,探究了薄膜材料的密度、厚度、半径、剪切模量等材料和几何参数对失稳临界超重力和临界失稳模态的影响．结果表明,触发薄膜失稳的超重力随薄膜厚度和密度增大而减小,随剪切模量增大而增大,随着薄膜半径增大快速减小并迅速趋于常数．另外,当径厚比R/H较小时,无量纲临界超重力随着径厚比增大而单调减小,但当径厚比R/H大于3 时,此量为一个常数．超重力作用下软材料的临界失稳模态与密度、剪切模量等参数无关,随径厚比R/H增大,临界失稳模态波数增大、波长减小．     

金川露天矿边坡岩体移动和变形的光弹性软材料模拟实验研究

通过对边坡岩体破坏机理的光弹性力学模拟实验研究, 岩体在地应力作用和自重体积力作用下, 对露天矿边坡的力学状态具有明显地影响。实验采用了明胶软材料, 模型比例1：1100。实验模拟了在自重应力和构造应力作用下, 边坡岩体的位移和变形。     

用记忆材料模拟流变大变形问题

本文采用具有记忆特性的有机玻璃材料结合网格法测量技术，以软岩巷道围岩流变形为例展开了有限变形模拟试验的研究工作，并以有限变形理论为基础结合现代计算机技术进行了实验数据处理。实例分析表明，所用方法和技术具有广泛的灵活性、可靠性的实用性。     

软岩的动态力学本构模型

利用分离式霍布金森压杆实验系统(SHPB)对2种典型的软岩砂质、泥岩进行动态力学性能测试, 测试的应力应变曲线表现出显著的应变硬化和塑性流动等复杂的动态力学特性。基于实验结果,在朱-王-唐 模型的基础上,并且考虑软岩本身结构缺陷的影响,建立了一种适应软岩材料的黏弹性统计损伤模型。该模 型由2个Maxwell体和1个损伤体并联组成,2个Maxwell体用来描述对软岩高分子材料的高低应变率响应 以及软岩材料在动载作用下的塑性变形特性,考虑软岩材料本身缺陷的影响,用一个损伤体代替朱-王-唐模 型中的非弹性弹簧。利用黏弹性统计损伤模型对不同应变率下软岩材料的动态应力应变曲线进行拟合,拟合 曲线与测试曲线一致性良好。     

材料在弹性/粘塑性状态下的本构方程

材料在一定的条件下应力应变曲线是应变速度的函数,这就是所谓材料的粘性变形性质。由实验观察到,对部分金属和非金属,材料的粘性变形只有当材料进入塑性状态以后才是基本的,并不可忽略,而当材料处于弹性状态时这种粘性变形是不显著的,可忽略不计。这种材料我们称为弹性/粘塑性材料。     

45钢层裂研究

对４５钢进行了层裂实验，对软回收试件进行了显微金相观测，观察了材料中微损伤的形核、增和聚合机制。将文献［３］中的动态损伤模型编入一维Ｌａｇｒａｎｇｅ有限差分动力学程序，对层裂实验进行了数值模拟，计算结果与实验吻合较好。     

超材料混凝土的带隙特征及对冲击波的衰减效应

借鉴超材料的研究思路,在混凝土中引入谐振骨料,设计出具有消波特性的超材料混凝土。首先,通过结构动力学方法计算超材料混凝土的有效质量,从而建立了超材料混凝土带隙起始频率及截止频率的简化模型,并给出了带隙起始频率及截止频率的理论表达式。然后,分析了涂层弹性模量、芯柱密度、基体密度、骨料体积占比和芯柱边长与软涂层厚度比对超材料混凝土带隙特征的影响。最后,采用数值模拟的方法,对比了超材料混凝土和普通混凝土对冲击波的衰减效应。研究结果表明:(1)低弹性模量涂层能够形成低频带隙,但带隙宽度较窄,而高弹性模量涂层能够形成较宽的带隙,但带隙起始频率较高;(2)通过选择高密度芯柱材料和低密度基体材料,可以得到低频、宽带隙特征;(3)通过增大骨料体积占比和芯柱边长与软涂层厚度比可以实现扩宽带隙的目的;(4)与普通混凝土相比,超材料混凝土对冲击波具有更好的衰减作用。     

纯铜—维动态损伤研究

在Johnson方法的基础上,本文采用细观方法提出了一个延性材料动态损伤模型.模型中考虑了材料的硬化、应变率效应和惯性效应.同时进行了纯铜一维层裂实验,对软回收试件进行了显微金相和定量金相分析,观察到了一些有意义的力学现象.利用一维Lagrange 有限差分动力学程序,采用本文提出的损伤模型对纯铜的层裂过程进行了数值模拟,得到了比较满意的结果.     

外物撞击TC4钛合金叶片Cowper-Symonds模型参数反演

利用Cowper-Symonds塑性随动硬化模型模拟外物撞击TC4钛合金叶片之前,需要确定9个材料性能参数及1个计算参数。本文以钢珠、玻璃球撞击钛合金平板叶片进气边及叶片表面的试验结果为基准,利用ANSYS/LS-DYNA软件仿真了撞击过程及撞击结果,反演了仿真计算所需要的全部材料性能参数与计算参数,研究了失效塑性应变、应变率参数及接触刚度因子对模拟结果的影响。研究发现:在其它参数相同的条件下,接触刚度因子增大,意味着目标体变软了或者说接触体变硬了;应变率参数和失效塑性应变反映了材料的"软硬度",其值越大,材料越软;模拟钢珠(砂石)-钛合金撞击时,三种材料均属于随动硬化,但无须考虑应变率效应;接触形式宜采用点-面接触,且接触刚度因子值取0.7。     

纯铜一维动态损伤研究

在Ｊｏｈｎｓｏｎ方法的基础上，本文采用细观方法提出了一个延性材料动态损伤模型。模型中考虑了材料的硬化，应变率效应和惯性效应。同时进行了纯铜一维层裂实验，对软回收试件进行了显微金相和定量金相分析，观察到了一些有意义的力学现象，利用一维Ｌａｇｒａｎｇｅ有限差分动力学程序。采用本文提出的损伤模型对纯铜的层裂过程进行了数值模拟，得到了比较满意的结果。