应变率对硫化橡胶压缩力学性能的影响

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)和材料实验机MTS810对硫化橡胶进行动态和准静态单轴压缩实验,获得硫化橡胶的应力-应变响应曲线,研究了应变率对其压缩力学性能的影响。实验结果表明,硫化橡胶在低应变率时的应变率效应不明显,然而在较高应变率时,应变率对其动态应力-应变关系有明显的影响,弹性模量、屈服应力以及流动应力都随应变率的增大而增大。采用基于应变能函数理论的橡胶本构模型来描述硫化橡胶压缩荷载下的力学行为。数值模拟了硫化橡胶的应力-应变历程,并与实验数据进行比较,结果显示两者吻合良好。     

高应变率下岩石本构特性的研究

高应变率下岩石的动态本构关系和力学特性,目前主要是利用SHPB装置等来获得．基于统计学和损伤力学的观点,建立岩石在高应变率下的动态本构模型是进一步研究爆破机理、爆炸应力波传播、爆破参数优化的基础。理论和实验证明,本文推荐的4种动态本构模型与试验结果有较好的一致性,对进一步研究岩石的动态力学性质奠定了基础．     

基于不可逆热力学的Ni-Ti合金动态本构模型及其有限元实现

为了准确描述Ni-Ti形状记忆合金在高应变率下的动态压缩力学行为,基于不可逆热力学理论框架假定了两个内变量表征Ni-Ti合金应力诱发马氏体相变与塑性屈服的不可逆变形过程,分别推导了马氏体相变与塑性屈服演化规律的主控方程,构建了Ni-Ti合金的三维动态本构模型。根据材料单轴动态压缩实验的应力-应变曲线并采用最小二乘法对本构参数进行了优化识别,然后采用应力补偿更新算法,通过隐式用户子程序接口UMAT将动态本构模型嵌入ABAQUS有限元软件,实现了Ni-Ti合金在高应变率下动态压缩力学行为的数值模拟。通过比对发现,模拟结果与实验数据吻合良好,验证了动态本构模型与UMAT子程序的准确性。本工作为Ni-Ti合金在高速冲击、切削等极端条件下的工程应用奠定了基础。     

考虑加/卸载速率影响的Ti-Ni形状记忆合金简化本构模型

系统研究了Ti-Ni形状记忆合金丝(SMA)应力-应变曲线、特征点应力、耗能能力、等效阻尼比随材料直径、应变幅值、加载速率、加载循环次数的变化规律;针对SMA唯象Brinson本构模型无法描述SMA动态力学性能的缺点,结合前述试验结果,提出了一种可考虑加/卸载速率影响的SMA简化本构模型。应用该模型对试验用SMA丝进行模拟,所得应力-应变曲线各特征点平均误差仅为3%,结果表明:所建立的速率相关SMA简化本构模型可较为精确地描述SMA在应力诱发相变过程中的超弹性力学行为,同时可反映加/卸载速率和应变幅值等主要因素对其动力本构模型的影响;该模型结构形式简单,具有较好的工程应用前景。     

小变形条件下聚合物本构关系研究

通过两种工程塑料不同温度条件下的准静态和动态压缩试验,研究这两种工程塑料的应力应变特性。同时,为描述所研究聚合物在高温、高应变率下的应力-应变特性,基于Johnson-Cook本构模型,建立一种形式简洁、便于参数拟合的聚合物本构模型。分别利用聚甲醛和密胺树脂在准静态下和高应变率条件下的真应力-真应变曲线,对模型进行参数拟合和标定,结果表明:在高温、高应变率条件下,模型可以预测到5%应变以前的应力-应变关系,与聚合物力学性质符合率良好。     

不同温度下AM80镁合金的动态力学响应及本构建模

为构建可准确预测镁合金动态力学响应的统一本构模型,采用分离式霍普金森压杆装置对AM80镁合金进行高速冲击实验,变形温度为298 K、423 K和523 K,应变速率为1 100～5 000 s-1 .结果表明:AM80镁合金具有明显的应变速率敏感性.变形温度为298 K时,镁合金的流变应力表现为正应变速率敏感性,当应变速率增至5 000 s-1的变形后期,镁合金的流变应力则表现为负应变速率敏感性;变形温度为423 K和523 K时,镁合金的流变应力表现为正应变速率敏感性,当应变速率高于临界值时,镁合金的流变应力则表现为负应变速率敏感性.将应变速率强化参数C和应变硬化参数n修正为变形温度T的函数,优化了Johnson-Cook本构模型,本构拟合结果与实验结果的误差在±10%范围内,其相关系数( R)和平均相对误差(AARE)分别为0. 987、3. 88% ,说明所建本构模型能够准确预测AM80镁合金在不同变形条件下的流变应力行为.     

复合材料残余应力和固化变形数值模拟及本构模型评价

为了评价不同固化本构模型,建立了预测复合材料构件残余应力/应变和固化变形的三维数值模型。该模型由热化学分析模块和热力分析模块构成,考虑了热化学耦合、材料性能的各向异性、化学收缩及黏弹性等因素。基于线弹性、黏弹性和Path-dependent三种典型的本构模型,预测了构件的残余应力/应变及固化变形。通过与试验结果对比,验证了所建数值模型的有效性,并重点研究了不同本构模型的适用性。结果表明,黏弹性本构模型最佳,对构件的残余应力/应变及固化变形的预测结果均较好; Path-dependent本构模型次之,对构件的残余应变和固化变形的预测结果较好,但对构件的残余应力的预测结果稍差;线弹性本构模型最差,除了对构件的残余应变和较薄构件的固化变形的预测结果较好外,其他预测结果都较差。     

混凝土变参数等效应变损伤模型

根据混凝土4种不同受力状态下应力-应变曲线的试验数据,建立了以等效应变作为参变量的变四参数等效应变损伤模型.该模型可以较好地描述复杂空间应力状态下混凝土的损伤本构关系,运用该模型计算得到的4种不同受力状态下的全过程应力-应变曲线与试验结果具有较好的一致性.     

土与结构接触面土体软/硬化本构模型及数值实现

基于土与结构接触面变形特性分析,将接触面土体的剪切滑动面与单元体三维应力状态下的八面体面相对应,通过土的三维弹塑性本构模型在八面体面上的剪切应力-应变关系,建立了接触面土体剪切应力-应变关系;将接触面土体法向压缩变形与侧限压缩条件相对应,通过侧限压缩条件下的荷载变形关系,建立了接触面土体法向应力-应变关系;进一步将接触面土体切向与法向耦合,建立了接触面土体本构模型,模型只有4个材料参数,参数物理意义明确,可由等向压缩试验和常规三轴压缩试验确定。与接触面土体试验结果的对比分析表明,所建立的本构模型可较好地描述接触面土体切向软/硬化特性与法向变形规律。结合有限元软件ABAQUS,编制了FRIC模型子程序,通过模拟土与结构界面剪切滑移过程表明,编制的FRIC子程序可较好地模拟土与结构界面接触的非线性力学行为。     

瓦楞纸板本构模型参数识别方法

目的 解决瓦楞纸板的本构模型参数识别难题,建立一个数学函数较为简单的本构方程.方法 采用正弦函数和正切函数分别表征应力-应变曲线的波动部分和压实部分,正弦正切函数组合构建瓦楞纸板本构方程,利用参数识别软件得到瓦楞纸板本构模型中的参数.结果 实验结果得出,应力-应变曲线与理论应力-应变曲线的平均相对误差均小于5％.结论 本构模型中的参数比现有文献中的本构参数数量少,利用软件能简化本构模型参数识别过程,提高了计算效率.参数识别软件的运用为瓦楞纸板力学应用提供了方便.     

Modelling of overall plastic deformation in rubber-toughened polymers

Summary. In this paper, we provide a constitutive model for overall (macroscopic) plastic deformation behavior in a rubber-toughened polymer blend. A porous plasticity theory is employed as a basis for the constitutive modeling. In our investigation, the polycarbonate (PC) is chosen as a matrix material of polymer blend. First, the true uniaxial stress-strain relation for PC, which is an important part of the constitutive model, is carefully measured. Secondly, finite element analyses of neck propagation in a tensile specimen of PC are performed to test the efficiency of the introduction of the accurately measured true stress-strain relation into the model. Then, in order to investigate local and average deformation behavior of the matrix material (PC) around cavitated rubber particles in polymer blend, an axisymmetric unit cell analysis is carried out. Finally, finite element analyses of the neck propagation in a tensile specimen of a rubber-toughened PC are performed, and the numerical results are compared to experimental results. It is revealed that the present constitutive model has the ability to well reproduce the behavior of a rubber-toughened polymer blend with rather small volume fraction of rubber particles, which is up to about 10%. However, for blends with larger volume fraction of the rubber particles, the discrepancy between the computational and the experimental results increases. Several possibilities of enhancing the model are discussed.     

高强钢TRB高温下热流变特性

为了准确仿真高强钢板热冲压成形过程,获得高强钢高温下的材料本构关系模型,利用Gleeble3500热模拟试验机在不同温度和应变速率下对不同厚度的高强钢B1500HS钢板进行了单向拉伸试验,获得各种工艺条件下的应力-应变曲线,并基于变形抗力数学模型,引入板材厚度参数,通过最小二乘法进行数据拟合获得高强钢TRB高温下的材料本构关系.利用试验结果对本构关系模型进行的拟合验证表明,拟合程度较好,说明建立的材料本构关系能很好地描述高强钢TRB在高温下的应力-应变关系.     

橡胶隔振器大变形有限元分析

以橡胶隔振器为研究对象,基于超弹性本构模型,对拉伸、压缩、剪切状态下分别进行有限元计算,探讨橡胶等不可压缩材料大变形有限元建模技术;重点研究橡胶结构不同受载方式下变形模式及有限元分析所需要的材料试验数据。经与试验结果对比分析,得到隔振器三种状态下,填充超弹本构模型最优的材料数据类型,为橡胶结构件的数值模拟提供有益参考。     

半固态铜合金单向压缩变形本构模型研究

利用Gleeble-1500D热/力模拟试验机对半固态ZCuSn10铜合金坯料进行了单向压缩实验,研究了变形温度、应变速率对其真应力-应变曲线的影响规律,通过对真应力-应变曲线的回归分析,获得了半固态ZCuSn10铜合金的本构关系模型。结果表明,在其他变形条件相同的情况下,随着应变速率的增加,流变应力增加。随着变形温度的升高,流变应力降低。变形温度和应变速率相同时,随着应变量的增加,流变应力先快速增加,然后缓慢降低。半固态ZCuSn10铜合金流动本构模型可以用包含流变应力、应变速率、应变量、温度和液相率等参数的分阶段方程来描述。     

Constitutive Equation Based on Phase Transformations for Shape-Memory Actuators of Reconfigurable Systems

The main purpose of this work is to develop a constitutive model for shape-memory devices, according to the phase transformation from austenite to martensite in NiTi Alloys and the relation with the stress-strain curve. First experimental testing is made to determine the mechanical behavior of the NiTi at several temperatures, and then a constitutive model is found according to the phase transformation behavior. The results show the microstructure evolution and its relation with the stress-strain curve. To conclude, a new constitutive model for the NiTi alloy has been developed which permits further analysis or simulation by finite element, which will be used in actuators for reconfigurable machines for flexible manufacture.     

2024-T42铝合金低中应变率力学性能及本构关系

为研究2024-T42铝合金的低中应变率力学性能和本构关系,采用电子万能实验机和高速液压伺服材料实验机,进行常温下2024-T42铝合金准静态、低中应变率拉伸实验,得到材料在不同应变率下的应力-应变曲线。考虑颈缩对真实应力-真实应变的影响,采用仿真反演方法对颈缩后的真实应力-真实应变曲线进行修正,并基于Johnson-Cook本构模型进行拟合。结果表明:2024-T42铝合金在低中应变率范围的率敏感性较弱;但具有较强的应变硬化效应;基于仿真分析的反演修正方法能较好重构材料颈缩点后的真实应力-真实应变曲线;并通过铝管压溃实验和仿真分析,验证了反演修正方法的合理性和所获本构模型参数的准确性。     

一种基于帘线/橡胶复合材料细观力学的精确建模方法

为研究适应性底座的受压膨胀力学特性,提出了一种基于纤维帘线/橡胶复合材料细观力学的精确建模方法.该方法建立在帘线与橡胶材料参数的准确取值这一基础上,其中橡胶材料采用Mooney-Rivilin本构模型进行描述,通过拉伸试验验证了本构模型的准确性,基于束帘线拉伸试验规律对帘线拉伸模量进行了修正.通过上述方法,对适应性橡胶底座受压膨胀过程进行了数值模拟与试验研究.结果表明:这一精确建模方法能够较好地模拟底座的受压膨胀特性,能够获取底座中帘线与橡胶材料的应力、应变的分布以及二者的变化规律.研究工作为适应性底座的进一步研究和实际应用提供了技术支撑.     

基于弯曲实验的DP980力学性能研究

目的 针对仅通过单向拉伸实验无法准确表征金属板材在弯曲成形过程中的力学性能变化的问题,研究通过弯曲实验获取材料力学性能参数.方法 对高强钢DP980展开力学性能测试研究,主要通过弯曲实验对材料弯曲变形过程中形成的弯矩曲率进行测试,将得到的弯矩曲率转化为应力-应变.分别将弯曲和拉伸得到的应力-应变数据导入到三点弯和辊弯成形有限元仿真中,预测板材的成形角度.结果 DP980弯曲变形时的屈服强度要大于轴向拉伸时的屈服强度;分别利用弯曲和拉伸实验测得的应力-应变数据进行仿真,与三点弯实验结果对比发现,采用弯曲实验得到的应力-应变数据对回弹量的预测偏大,而利用拉伸实验得到的应力-应变数据进行仿真,仿真得到的回弹量则偏小,弯曲实验下变形过程中的应变变化数据更加符合真实过程,与辊弯实验对比发现,利用弯曲实验数据进行仿真可以更准确地预测V形板的最终成形角度.结论 相较于单向拉伸实验,通过弯曲实验获取的材料力学性能参数可以更准确地描述材料在三点弯、辊弯成形过程中的力学性能变化.     

A composite approach for modeling deformation behaviors of thermoplastic polyurethane considering soft-hard domains transformation

Thermoplastic polyurethane elastomers (TPUs) are the most used engineering thermoplastics combining the properties for both elastomers and glassy materials. TPUs have good physical and mechanical properties, excellent chemical and abrasion resistances. Compared with typical thermoset rubbers, TPUs are easier to be processed and recycled. However, the deformation behaviors of TPUs are very complex due to their nonlinear, hysteresis, rate and temperature dependences, and softening properties. Therefore, development of a constitutive model with microstructure considerations is important for predicting the deformation behavior of TPUs under mechanical loading as well as during forming processes such as rolling and stretching. In this work, TPUs were taken as a two-phase material consisting of both hard and soft phases corresponding to their hard and soft domains. A new composite constitutive model for stress-strain response of TPUs was proposed taking into account the microstructure of TPUs as well as its evolution (hard to soft phase transformation) induced by deformation. Excellent agreement between model predictions and experimental results for the loading-unloading behaviors of two TPUs with different hard and soft segment contents confirmed the efficacy of our proposed composite constitutive model.