蜘蛛丝Ⅰ:超级力学性能

介绍蜘蛛丝既有优异的强度、也有优异的延伸率、韧性和适中的刚度,这使得蜘蛛网承受静载和昆虫冲击的能力均超过其他人造和天然材料,无愧超级生物材料的称号.蜘蛛丝的力学性能随应变率的增加而增加,进一步提高了蜘蛛网的抗昆虫冲击能力.蜘蛛丝的黏弹性性质和捕捉丝的黏性能有效防止捕获的猎物被弹出.本文第II部分介绍赋予蜘蛛丝的超级力学性能的自组装分级微结构,第III部分介绍蜘蛛网超级抗损伤和超级带缺陷工作能力的力学奥秘.     

脆性固体损伤和局部软化的有限元分析

本文研究混凝土、岩石一类工程中常用的应变软化材料的有限元分析方法。在作者以往有关粘塑性损伤本构模型的工作基础上，给出了一组便于有限元计算的本构方程表达式。包括损伤弹性矩阵和局部损伤软化矩阵，分别运用于计算硬化和软化阶段的有限元刚度矩阵；对所提出的本构方程的实验验证计算和一些算例的有限元数值分析，表明文中给出的本构方程是可行的，相应的有限元算法能较好地对损伤固体的局部软化效应进行数值分析，并可成功地追踪应力应变响应的软化曲线     

不同加载状态下TA2钛合金绝热剪切破坏响应特性

一般认为绝热剪切现象在宏观上表现为材料动态本构失稳,即热软化大于应变硬化.本文采用帽型受迫剪切试样研究TA2钛合金的动态力学特性和本构失稳过程.首先对剪切区加载应力状态进行理论和数值分析,通过合理设计帽型试样,剪切区变形可近似按剪切状态处理;结合二维数字图像相关法(two-dimensional digital image correlation,DIC-2D)直接测试试样剪切区应变演化,给出帽型受迫剪切实验的等效应力-应变响应曲线.进一步,利用Hopkinson压杆对TA2钛合金开展动态压缩及帽型剪切对比试验研究,比较压缩、剪切试验得到的等效应力-应变曲线,采用"冻结"试样方法分析试样中绝热剪切局域化演化过程,探讨不同加载状态下TA2钛合金的绝热剪切破坏现象及其动态力学响应特性.实验结果表明,在塑性变形初始阶段,动态压缩及剪切加载下的等效应力-应变曲线符合较好,但随塑性损伤发展及绝热剪切带形成,两者出现分离,表明损伤及绝热剪切演化过程与应力状态相关.剪切试样实验得到的本构"软化"特性能够反映绝热剪切带起始、破坏演化过程的力学响应特性,而在动态压缩实验中,即使试样中已出现双锥形的绝热剪切带及局部裂纹分布,其表观等效应力-应变曲线并不出现软化特征,动态压缩实验无法得到关于绝热剪切起始、发展以及破坏的本构软化响应特性.     

基于能量等效原理的应变局部化分析:Ⅰ.一维解析解

基于热力学第一定律和非局部塑性理论,提出了一种求解应变局部化问题的非局部方法.对材料的每一点定义了局部和非局部两种状态空间,局部状态空间的内变量通过非局部权函数映射到非局部空间,成为非局部内变量.在应变软化过程中,局部状态空间中的塑性变形服从正交流动法则,材料的软化律在非局部状态空间中被引入.通过两个状态空间的塑性应变能耗散率的等效,得到了应变软化过程中明确定义的局部化区域以及其中的塑性应变分布.应用本方法导出了一维应变局部化问题的解析解.解析解表明,应变局部化区域的尺寸只与材料内尺度有关;对于高斯型非局部权函数,局部化区域的尺寸大约是材料内尺度的6倍.一维算例表明,局部化区域的塑性应变分布以及载荷-位移曲线仅与材料参数和结构几何尺寸有关,变形局部化区域的尺寸随着材料内尺度的减小而减小,同时塑性应变也随着材料内尺度的减小变得更加集中.当内尺度趋近于零时,应用本文方法得到的解与采用传统的局部塑性理论得到的解相同.     

基于能量等效原理的应变局部化分析:I.一维解析解

基于热力学第一定律和非局部塑性理论,提出了一种求解应变局部化问题的非局部方法.对材料的每一点定义了局部和非局部两种状态空间,局部状态空间的内变量通过非局部权函数映射到非局部空间,成为非局部内变量.在应变软化过程中,局部状态空间中的塑性变形服从正交流动法则,材料的软化律在非局部状态空间中被引入.通过两个状态空间的塑性应变能耗散率的等效,得到了应变软化过程中明确定义的局部化区域以及其中的塑性应变分布.应用本方法导出了一维应变局部化问题的解析解.解析解表明,应变局部化区域的尺寸只与材料内尺度有关;对于高斯型非局部权函数,局部化区域的尺寸大约是材料内尺度的6倍.一维算例表明,局部化区域的塑性应变分布以及载荷-位移曲线仅与材料参数和结构几何尺寸有关,变形局部化区域的尺寸随着材料内尺度的减小而减小,同时塑性应变也随着材料内尺度的减小变得更加集中.当内尺度趋近于零时,应用本文方法得到的解与采用传统的局部塑性理论得到的解相同.     

土的应力-应变关系的一种描述模式

通常将由土的剪切试验测得的应力-应变关系曲线(q～ε1曲线)分为应变硬化型和应变软化型,文中提出了一种能同时描述应变硬化型q～ε1曲线和应变软化型q～ε1曲线的新模式,并导出了统一的切线模量表达式,进一步探讨了该应力-应变关系曲线描述模式在拟合应变硬化型曲线时的简化形式,及简化形式中参数取值方法和参数与围压的关系等方面的问题。通过与邓肯-张模型和应变软化模型的对比,结果表明该应力-应变关系曲线描述模式能更好地与试验数据吻合,且用其简化形式拟合应变硬化型曲线时,可以通过调整其中一个参数值来表达出不同的曲线形式,从而体现出土体应力-应变关系的多样性。该应力-应变关系描述模式为发展更一般的非线性弹性模型提供了一定的理论基础。     

Mod.9Cr-1Mo不锈钢循环软化特性分析

对Mod.9Cr-1Mo不锈钢550℃下循环软化特性的应变范围和路径相关性进行了分析,并采用ABAQUS软件对Mod.9Cr-1Mo不锈钢的循环软化特性进行了模拟。结果表明,Mod.9Cr-1Mo不锈钢在550℃不同路径、不同应变范围下均表现出了明显的循环软化现象,应变路径对循环软化特性的影响大于应变范围的影响。其次,采用非线性随动硬化与各向同性硬化的Chaboche混合模型进行了不同条件下循环软化特性模拟,单轴不同应变范围下的模拟结果与实验结果前100周次内最大平均误差仅为4.2%。针对主应变比为-0.54、-0.64和-0.80的3种多轴路径下的软化特性进行模拟计算,得到的正应力与实验结果一致性较好;剪应力的模拟结果与实验结果误差略大于正应力的结果,但100周次内平均误差最大值仍仅为3.2%。     

复杂加载下混凝土的弹塑性本构模型

混凝土材料在不同应力路径下或复杂加载条件下会表现出差异性显著的应力应变关系,在小幅循环加载条件下,其应力应变关系会表现出类似于弹性变形的滞回曲线.在不同应力水平下,混凝土的应力应变关系以及破坏特性都具有静水压力相关特点,即随着静水压力增大,各向异性强度特性弱化.此外,混凝土受压及受拉破坏机理不同,因而对应于混凝土硬化损伤亦有不同,即可分为受压硬化损伤,受拉硬化损伤及两者的混合硬化损伤类型.基于Hsieh模型,对该模型进行了三点改进.（1）针对小幅循环加载下混凝土无塑性变形的试验规律,而模型中在应力水平较低的循环加载条件下始终存在塑性变形的预测问题,采用在边界面模型框架下,设置了应力空间的弹性域,初始屈服面与后续临界状态屈服面几何相似的假定.（2）基于广义非线性强度准则将原模型采用变换应力方法将其推广为三维弹塑性本构模型,采用变换后模型可合理的考虑不同应力路径对于子午面以及偏平面上静水压力效应形成的影响,并避免了边界面应力点奇异问题.（3）分别对拉压两种加载损伤模式建议了相应的硬化参数表达式,可分别用于描述上述加载中产生的应变软化及强度退化行为.基于多种加载路径模拟表明:所建立的三维弹塑性本构模型可合理地用于描述混凝土的一般应力应变关系特性.      

分级加卸载硬岩短时蠕变特性实验研究

由单向抗压强度实验及8级加卸载短时蠕变实验,得到蠕变下限为27MPa的细砂岩试样典型的坚硬岩石脆性断裂特征.应力-应变等时曲线线性回归函数的相关系数均高于0.92,长期强度与瞬时强度之比达94.39%,证明细砂岩试样的整体蠕变特性不强.应力-轴向应变等时曲线线性回归函数的平均相关系数高出应力-径向应变等时曲线线性回归函数的平均相关系数3.92%,因此其轴向非线性蠕变特性相对于径向非线性蠕变特性更弱.随着时间延续,细砂岩试样的非线性蠕变特性总体服从负Gauss分布规律,具有明显的时间效应.随加载应力水平的提高,应力-轴向应变等时曲线和应力-径向应变等时曲线线性拟合函数的平均相关系数下降幅度分别为0.97%和0.67%,线性相关性普遍降低.所以细砂岩试样的非线性蠕变程度随加载应力水平的提高而提高,载荷效应明显.     

软化材料厚壁筒的解析解及其稳定性分析

将弹塑性材料的应力应变全过程曲线简化为三线性模型(弹性-线性软化-残余理想塑性),并假设材料服从Tresca屈服准则和关联流动法则,推导出受内压厚壁筒的解析解.在这个解析解的基础上,讨论了厚壁筒的平衡稳定性问题,内压达到临界载荷时,厚壁筒丧失稳定性,其临界载荷就是软化塑性材料厚壁筒的承载能力.     

he analytical solutions of thick-walled cylinder of softening material and its stability

将弹塑性材料的应力应变全过程曲线简化为三线性模型(弹性-线性软化-残余理想塑性), 并 假设材料服从Tresca屈服准则和关联流动法则,推导出受内压厚壁筒的解析解. 在这个解析解 的基础上,讨论了厚壁筒的平衡稳定性问题,内压达到临界载荷时,厚壁筒丧失稳定性,其 临界载荷就是软化塑性材料厚壁筒的承载能力.     

动力损伤后的脆性岩石静力蠕变断裂模型研究

应力波动力扰动下脆性岩石的静力蠕变特性,对深部地下工程围岩变形的评价有重要的实践意义.动力载荷作用导致的局部细观裂纹损伤严重影响脆性岩石蠕变力学行为.基于细观裂纹扩展与应力关系模型、动力扰动损伤演化函数、静动力载荷演化路径函数与黏弹性本构模型,提出一种应力波动力扰动下脆性岩石蠕变断裂特性的宏细观力学模型.其中动力损伤通过控制岩石内部细观裂纹数量变化实现.模型描述了应力波动力扰动下岩石的应变时间演化曲线,解释了岩石动力扰动下蠕变失效特性.研究了不同应力波幅值及周期影响下的脆性岩石应变-时间关系曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性.讨论了动力损伤变化形式,突变发生时刻,突变量的大小对岩石蠕变失效特性的影响.分析了应力波幅值、周期对岩石动态动力损伤效应以及蠕变失效特性的影响.主要研究结果:动力损伤的变化值越大,岩石蠕变失效发生时间越短.冲击载荷扰动期间,动力损伤发生的时刻及增加的形式,对动力扰动后的岩石应变及蠕变破坏时间影响很小.动力损伤变化量随应力波幅值增加、周期减小而加速增大.应力波幅值越大、周期越小,岩石发生蠕变失效时间越短.     

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。     

基于BP神经网络与小冲杆试验确定在役管道钢弹塑性性能方法研究

为了能够在不停输油气工况下获得在役管道材料的弹塑性力学性能,提出了一种人工智能BP (backpropagation)神经网络、小冲杆试验与有限元模拟相结合,通过确定材料真应力-应变曲线从而获得材料弹塑性力学性能的方法.首先,通过系统改变Hollomon公式中的参数K, n值,获得457组具有不同弹塑性力学性能的假想材料本构关系,其次,将得到的本构关系代入经试验验证的含有Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)损伤参数的小冲杆试验二维轴对称有限元模型,通过有限元计算得到了与真应力-应变曲线一一对应的457条不同假想材料的载荷-位移曲线,最终将两组数据作为数据库输入BP神经网络进行训练,建立了同种材料小冲杆试验载荷-位移曲线与真应力-应变曲线之间的关联关系.通过此关联关系,可利用试验得到的小冲杆载荷-位移曲线获取在役管道钢的真应力-应变曲线,从而确定其弹塑性力学性能.通过对比BP神经网络得到的X80管道钢真应力-应变曲线与单轴拉伸试验的结果以及引用现有文献中不同材料的试验数据对此关系进行验证,证明了该方法的准确性与广泛适用性.     

基于BP神经网络与小冲杆试验确定在役管道钢弹塑性性能方法研究

为了能够在不停输油气工况下获得在役管道材料的弹塑性力学性能, 提出了一种人工智能BP (back-propagation)神经网络、小冲杆试验与有限元模拟相结合,通过确定材料真应力-应变曲线从而获得材料弹塑性力学性能的方法. 首先,通过系统改变Hollomon公式中的参数$K$, $n$值,获得457组具有不同弹塑性力学性能的假想材料本构关系, 其次,将得到的本构关系代入经试验验证的含有Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)损伤参数的小冲杆试验二维轴对称有限元模型,通过有限元计算得到了与真应力-应变曲线一一对应的457条不同假想材料的载荷-位移曲线,最终将两组数据作为数据库输入BP神经网络进行训练,建立了同种材料小冲杆试验载荷-位移曲线与真应力-应变曲线之间的关联关系.通过此关联关系,可利用试验得到的小冲杆载荷-位移曲线获取在役管道钢的真应力-应变曲线,从而确定其弹塑性力学性能.通过对比BP神经网络得到的X80管道钢真应力-应变曲线与单轴拉伸试验的结果以及引用现有文献中不同材料的试验数据对此关系进行验证,证明了该方法的准确性与广泛适用性.      

单轴压缩下2种PBX炸药的动态变形损伤及其温升效应

通过炸药单轴压缩实验,利用高速摄影和高速红外热像仪,对2种典型PBX炸药变形损伤过程和温升效应进行了实时观测。实验结果表明,2种典型PBX炸药的损伤以及温升效应表现出明显差别:低粘结剂含量的炸药表现出明显的脆性特征,材料应力应变曲线中的应变软化阶段是伴随着材料损伤的演化过程,最终的失稳破坏导致样品中贯穿裂纹的形成,非均匀的裂纹分布对应于局部高温带的出现; 高粘结剂含量的炸药表现出明显的韧性特征,材料应力应变曲线未出现应变软化现象,变形损伤分布较均匀,但剪切方向出现网络状的温升分布。     

铝锂合金材料的极限应变率软化特性研究

通过系列准静态与动态力学实验得到了铝锂合金材料的基本力学参数。证实了该种材料具有独特的应变率软化特性 ,并揭示了材料应变率软化效应的极限性特征 ,提出了极限应变率软化材料的概念 ,从而对突加载荷下粘塑性材料中也会出现双波结构的现象给出了合理的解释。为便于实际应用 ,还对实验得到的材料应力 应变曲线进行了拟合 ,提出了一种便于实际应用的材料本构关系的具体形式 ,即双幂次应变硬化 极限幂次应变率软化本构关系。     

纸质构件力学性能试验研究

对铅化纸制作的纸杆和纸带进行了力学试验, 分析了其力学性能, 结果表明:纸杆应力应变曲线存在线弹性段, 弹性模量主要集中在200$\sim$400\,MPa, 并具有一定的离散性. 而纸带抗拉曲线呈明显的非线性特征, 极限拉应变主要集中在0.015$\sim 对铅化纸制作的纸杆和纸带进行了力学试验, 分析了其力学性能, 结果表明:纸杆应力应变曲线存在线弹性段, 弹性模量主要集中在200$\sim$400\,MPa, 并具有一定的离散性. 而纸带抗拉曲线呈明显的非线性特征, 极限拉应变主要集中在0.015$\sim 对铅化纸制作的纸杆和纸带进行了力学试验, 分析了其力学性能, 结果表明:纸杆应力应变曲线存在线弹性段, 弹性模量主要集中在200$\sim$400\,MPa, 并具有一定的离散性. 而纸带抗拉曲线呈明显的非线性特征, 极限拉应变主要集中在0.015$\sim 对铅化纸制作的纸杆和纸带进行了力学试验, 分析了其力学性能, 结果表明:纸杆应力应变曲线存在线弹性段, 弹性模量主要集中在200$\sim$400\,MPa, 并具有一定的离散性. 而纸带抗拉曲线呈明显的非线性特征, 极限拉应变主要集中在0.015$\sim对铅化纸制作的纸杆和纸带进行了力学试验,分析了其力学性能,结果表明:纸杆应力应变曲线存在线弹性段,弹性模量主要集中在200～400 MPa,并具有一定的离散性.而纸带抗拉曲线呈明显的非线性特征,极限拉应变主要集中在0.015～0.025之间,纸带的粘结状态对试件的极限拉应变有较大的影响.     

大应变率范围内AM80镁合金的变形行为及组织演变

采用INSTRON准静态压缩试验机和分离式霍普金森压杆装置，研究固溶态AM80镁合金在室温准静态和冲击载荷下的变形行为及组织演变。准静态载荷下，流变应力随应变率（3×10-5~4×10-1 s-1）的升高逐渐降低，表现为负应变率敏感性；冲击载荷下，流变应力随应变率（7.00×102~5.20×103 s-1）的升高而升高，呈现出明显的正应变率敏感性。冲击载荷下AM80镁合金的变形机制以基面滑移和孪生为主，大量细小致密的形变孪生以及适量非基面滑移的启动是AM80镁合金在冲击载荷下流变应力明显高于准静态载荷的重要原因。此外，随应变率的升高，AM80镁合金变形的均匀性明显增强，当应变速率升至3.65×103 s-1时，冲击变形所引起的局部绝热温升软化大于应变硬化与应变速率硬化的总和，部分晶粒产生了明显的动态回复，使得孪晶密度和变形均匀性反而降低。     

缝合式C/SiC复合材料非线性本构关系及断裂行为研究

C/SiC复合材料具有高比强度、高比模量和优良的热稳定性能等一系列优点, 广泛应用于航空航天领域中. 裂纹扩展进而引起的脆性断裂是其主要失效形式之一, 因而材料的断裂性能分析对材料的结构设计和应用有重要的指导意义. 本文开展了缝合式C/SiC复合材料简单力学试验和断裂试验, 研究了材料在不同载荷下的力学响应及断裂特征. 基于缝合式C/SiC复合材料简单力学试验, 建立了材料宏观非线性损伤本构方程, 并模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 本构方程采用简单函数描述了材料在复杂应力状态下的非线性应力-应变曲线, 并考虑了反向加载过程中造成的裂纹闭合. 基于商业有限元软件ABAQUS, 通过编写UMAT子程序实现非线性损伤本构方程, 采用单个单元验证了建立的本构方程的有效性. 在此基础上, 采用线弹性损伤本构和非线性损伤本构分别模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 采用非线性损伤本构方程模拟的力-位移曲线结果与试验结果更为吻合, 非线性损伤本构预测的失效载荷与试验失效载荷更为接近, 验证了所建立的非线性损伤本构方程的准确性, 为C/SiC复合材料断裂行为的研究提供了借鉴, 为缝合式C/SiC复合材料结构的设计和应用提供了理论基础.