数值模拟中细观泡孔构型对硅橡胶泡沫材料力学性能的影响

基于有限元方法模拟准静态单轴压缩过程中硅橡胶泡沫材料的力学响应,并基于硅橡胶泡沫材料的泡孔特征,建立具有均匀分布且球孔尺寸一致的周期性物理模型,采用多尺度结合有限元数值方法进行模拟。根据已有的实验数据,拟合了实体硅橡胶材料的唯像本构方程。多尺度模拟研究中,建立了四种不同的细观泡孔单元,模拟了四种细观泡孔单元在准静态单轴压缩条件下的力学响应。模拟结果表明,四种细观泡孔单元均具有典型的超弹性力学特性,不同泡孔构型能造成细观模型力学响应的显著差异,四种细观泡孔单元中应力最大差值超过300%。细观模型的力学性能通过数据传递机制传输到均匀化的宏观模型后,采用有限元方法对宏观模型进行数值模拟。结果表明:宏观模型具有典型的超弹性力学特性,不同的细观泡孔构型能导致宏观模型力学响应的显著差异,其中应力最大差值超过300%。     

孔隙率变化规律及其对混凝土变形过程的影响

混凝土内部随机分布的微裂纹和孔洞等细观缺陷影响其破坏机理及宏观力学性能,且孔隙率随着外荷载的变化而不断变化。该文中将含缺陷(微裂纹、各种空隙等)混凝土复合材料简化为空心球力学模型,基于弹性力学理论推导并获得了混凝土当前孔隙率与材料初始孔隙率及体应变之间的定量关系;推导并得到了含孔隙混凝土的有效弹性模量、有效泊松比及峰值应变等与孔隙率的定量关系,进而得到了单轴加载条件下含孔隙混凝土细观单元的等效多折线本构关系模型。最后,采用细观单元等效化力学模型,研究了单轴加载(拉伸和压缩)情况下不同孔隙率混凝土材料的破坏过程及宏观力学性能,探讨了孔隙率变化规律及其对混凝土变形过程的影响。     

二维编织C/SiC复合材料非线性损伤本构模型与应用

基于二维编织C/SiC复合材料的基本力学性能试验, 建立了该材料的宏观正交各向异性非线性损伤本构模型。模型中以可检测的应变作为变量, 采用形式简单的函数分别描述了单轴拉伸和剪切加载下的材料损伤演变下的应力-应变关系, 以及卸载状态的刚度变化规律。同时, 考虑了材料的单边效应以及拉压应力状态转换时的损伤钝化行为。将此本构模型编写成UMAT子程序并引入ABAQUS有限元软件, 可以完整描述该材料的加载非线性和卸载线性的应力-应变关系特征, 及其加卸载历史。通过对带孔板的拉伸模拟, 孔边应变分布与试验结果吻合较好, 验证了本构模型的有效性。     

橡胶压缩Mooney-Rivilin本构模型参数拟合分析

橡胶制品因其优异的超弹性能在工业界得到了广泛的应用。为了准确模拟空调室外机跌落过程中压缩机和管路的振动幅度,需要选取合适的橡胶本构模型以及材料参数。首先通过单轴压缩实验获取橡胶的应力-应变曲线,然后采用Mooney-Rivilin本构模型对曲线进行拟合,获取C_(01)和C_(10)值。最后利用有限元仿真再现单轴压缩实验过程,结果发现通过模拟得到的应力-应变曲线和实验获得的应力-应变曲线基本重合,最大误差4.9%,表明所获取的材料参数基本准确,为后续包装跌落、模态分析等仿真类别提供了数据支撑。     

高强度硅橡胶海绵复合材料研究

通过硅橡胶与乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)共混,制作了硅橡胶与EVA的复合海绵材料.对海绵样品的泡孔结构、拉伸性能、压缩应力松弛、压缩应力应变性能进行了测试,讨论了EVA的加入对硅橡胶海绵力学性能的影响.     

制备工艺对硅泡沫材料微观结构和宏观力学性能的影响研究

为了获得满足工程需要的高性能的硅泡沫材料,本文针对混合发泡法和溶析成孔法制备的硅泡沫材料开展了电镜扫描、单轴压缩和应力松弛实验,通过对材料微观结构特征和宏观力学性能的以及实验数据分散性的对比,对材料的综合性能进行了全面评估。研究表明,材料的应力松弛及力学性能主要受泡孔结构的影响。相对于混合发泡法制备的混合泡孔的硅泡沫材料,溶析成孔法制备的球形泡孔的硅泡沫材料具有优异的压缩性能和较低的应力松弛率,且实验数据重复性更好。而采用无规共聚或多嵌段共聚合成技术能够进一步改善材料的压缩和松弛性能。     

基于细观单元等效化方法的混凝土动态破坏行为分析

混凝土材料具有明显的应变率效应,对其力学性质增强机理的认识还不统一。在细观随机骨料模型基础上,采用特征单元尺度划分试件网格,推导了考虑材料拉/压强度应变率效应的细观单元等效本构关系,建立了非均质混凝土材料的细观单元等效化数值模型。基于二维模型对Dilger等混凝土动态压缩试验进行了数值模拟,获得的数值结果与试验数据及随机骨料模型结果吻合良好,证明了细观单元等效化方法的准确性;进而对三维混凝土试件动态单轴拉伸和压缩破坏模式及宏观力学性质的加载速率效应进行了研究。数值结果表明:随着加载速率的增加,混凝土裂纹(损伤)数量增大,混凝土破坏将耗散更多的能量,是混凝土动态强度提高的主要原因。     

硅橡胶泡沫泡孔结构与压缩应力松弛性能的相关性研究

研究了氧化锌晶须对硅橡胶泡沫泡孔疏密程度以及其对材料力学性能的影响,研究了泡沫密度和混合泡孔结构对材料的压缩应力松弛性能的影响.结果表明:随氧化锌晶须用量的增加,泡孔疏密程度在增大,硅橡胶泡沫材料拉伸强度和扯断伸长率也在变大.在硅泡沫密度0.56~0.58g/cm3范围内,材料的压缩应力松弛性能最佳.在相对密度不变的情况下,具有混合泡孔结构的硅橡胶泡沫材料的压缩应力松弛性能更好.同时,对压缩应力松弛性能的历程进行了探索.     

爆破冲击荷载作用下宏观孔隙混凝土损伤演化的近场动力学模拟

针对静载、冲击荷载条件下宏观孔隙混凝土的孔隙参数对混凝土损伤演化过程的影响问题,采用MATLAB程序结合蒙特卡罗方法生成随机的孔隙结构物理模型,通过自编近场动力学程序模拟了单轴压缩下宏观孔隙混凝土的应力应变过程,并制备了以聚苯乙烯小球高温融化为孔隙体的混凝土砂浆试件,对宏观孔隙率0%～40%的混凝土试件进行了单轴压缩,实验验证了模型计算结果的准确性,随后模拟了爆破冲击作用下宏观孔隙混凝土的裂纹萌发与扩展。结果表明：孔隙率对宏观孔隙混凝土材料力学性能的影响显著,随着孔隙率的增加,试样的密度、抗压强度、弹性模量以及纵波波速不断降低,当孔隙率达到30%后,孔隙率对轴线抗压强度影响减弱,并且出现峰前应力跌落现象。孔隙率为零的混凝土试样在无围压冲击荷载作用下具有明显的压剪破坏形式,而含孔隙的混凝土由于大量的孔隙存在导致孔隙间混凝土骨架的拉伸或剪切贯通破坏。在相同冲击荷载下不同孔隙率混凝土的破坏情况不同,孔隙率大的孔隙混凝土试样破坏严重,表明孔隙率对冲击载荷作用下混凝土试件能量耗散起着重要作用。     

氧化锌晶须在纯化学发泡制备硅橡胶泡沫中的应用研究

采用氧化锌晶须增强改善硅橡胶,运用纯化学发泡技术制备硅橡胶泡沫材料.研究了氧化锌晶须对硅橡胶混炼胶塑性值、硅橡胶泡沫泡孔结构及分布和泡沫压缩应力松弛性能的影响.结果表明:氧化锌晶须用量对硅橡胶混炼胶塑性值影响不大,氧化锌晶须可以改善泡沫泡孔结构和分布,明显降低了硅橡胶泡沫材料的压缩应力松弛性能.     

泡沫塑料的单轴压缩力学性能(下)

讨论了泡沫塑料在单轴静态压缩条件下的3种数学模型:Gibson模型、Rusch模型和Avalle模型.并分别对EPS、EPP和EPE 3种具有不同密度的发泡塑料的单轴压缩应力-应变实验数据进行模型拟合及相关参数识别,讨论了模型参数取值范围的确定、模型对不同材料的适用性、以及基于密度的材料应力-应变模型的建立方法.     

低密度聚乙烯泡沫塑料压缩本构关系的研究

基于低密度聚乙烯泡沫包装缓冲材料的静态压缩试验,在不同密度、不同应变率试验条件下,对聚乙烯应力应变特性进行了研究.在Sherwood和Frost模型的基础上,建立了低密度聚乙烯泡沫塑料衬垫的压缩本构关系模型,最后用数值计算方法识别了模型参数,结果表明误差在2%～4%左右.     

随机多孔碳纤维纸的非线性面外压缩本构模型

多孔碳纤维纸由随机分布的碳纤维构成,常用于燃料电池、发热材料等先进结构,其主要服役状态为面外压缩。碳纤维纸的压缩应变对其力学、热学、电学性能均有显著影响,因此迫切需要揭示其面外压缩本构关系。该文针对碳纤维纸微结构随机多孔的特点,提出了2种非线性面外压缩本构模型,分别是考虑赫兹接触影响的对数型模型和考虑孔隙率和单胞尺寸的幂函数型模型。基于3种商品化碳纤维纸的应力-应变实验数据,将该文提出的两种模型与传统的线性模型进行分析对比,并讨论了有、无额外有机物对碳纤维纸力学性能的影响。结果表明：碳纤维纸中的额外有机物对其应力-应变关系有比较明显的影响,全面考虑接触变形、弯曲变形与孔隙率变化的对数型本构模型具有较好的鲁棒性,适用范围较广;幂函数型本构模型能够较准确地预测有机物含量较低的碳纤维纸的应力-应变关系;传统的线性本构模型对各种碳纤维纸的预测均有较大的误差,该文提出的两种非线性本构模型对碳纤维纸具有较好的适用性,可以反映碳纤维纸的非线性应力-应变关系。     

三维机织复合材料多尺度黏弹性分析

建立了一种三维机织复合材料多尺度的黏弹性分析模型。首先构造了微观尺度纱线束胞元和细观尺度复合材料周期结构胞元两级有限元模型, 由微观尺度胞元分析得到纱线束的弹性常数, 再代入细观尺度胞元计算出复合材料的平均弹性常数。两级胞元模型均施加周期边界条件, 保证了胞元边界上位移和应力满足周期性和连续性。随后分别建立了树脂基体和浸润树脂纱线束的蠕变模型, 用实验标定树脂的蠕变参数, 代入微观尺度胞元进行蠕变计算来修正纱线束蠕变模型的参数。最后将树脂和纱线束的蠕变本构关系应用于细观尺度胞元, 得到材料宏观平均的应力-应变响应, 模拟了三维机织复合材料的蠕变实验曲线。本文模型对于该种复合材料弹性常数和蠕变性能的预测, 均与实验吻合。      

一种新的多轴高周疲劳模型

将疲劳强度以上加载等效为塑性应变,建立了塑性应变与加载应力呈线性关系的表达式,由此得到循环加载的塑性应变能。该塑性应变能使材料微观组织结构发生不可逆变化而引起等效宏观应力。假定该应力符合一种特定的分布函数,导出其最大应力与外加应力叠加达到材料本征断裂应力时的裂纹成核寿命,从而并由微裂纹引起上述两部分应力变化,得到继续加载直至宏观裂纹出现的疲劳寿命。所建立的多轴疲劳寿命公式由3个材料参数表达,并通过单轴疲劳试验数据确定。初步研究表明：该模型对所引用的多轴疲劳试验数据有很好的预测能力。     

PVA-ECC单轴拉伸本构关系研究

根据同一材料配合比PVA-ECC单轴拉伸和单轴压缩试验结果，首先研究了PVA-ECC单轴拉伸强度(f_tp)与单轴压缩强度(f_cu70.7),峰值拉应变和峰值拉应力之间的关系。接着，根据试验分析结果提出PVA-ECC单轴拉伸本构关系，并根据Sidoroff能量等价原理推导PVA-ECC的拉伸损伤计算表达式。最后，通过对比四点弯曲构件的模拟与试验结果，验证了本文提议方法的有效性。     

硅泡沫硬度与压缩性能关系研究

采用化学发泡的方法制备了混合泡孔结构的硅橡胶泡沫材料.研究了硬度和硅橡胶泡沫压缩σ-ε曲线、应变差δ1、应变差δ2和压缩应力松弛的关系.     

聚碳酸酯挤压形变力学行为有限元模拟

采用有限元方法研究了聚碳酸酯在中应变率下挤压形变的力学行为。基于DSGZ本构模型,开展聚碳酸酯圆柱单轴压缩形变有限元模拟,对比模拟与实验结果,计算模型预测准确度,分析材料压缩形变后的多物理场分布,验证模型对压缩力学响应预测的有效性。模拟聚碳酸酯平板在侧向受限挤压模式下的固态形变,获得了制件的力学演变规律。结果显示,单轴压缩模拟与实验应力-应变曲线吻合度高,DSGZ模型可较为准确地预测压缩弹-塑性形变过程中的应力-应变关系。在圆柱单轴压缩形变与平板挤压形变模拟中,材料整体变形均匀,应力响应温度变化比响应应变率变化更敏感。模拟结果有效地反映了聚碳酸酯挤压形变力学特性,可成为聚碳酸酯挤压形变工程实现的重要依据,为材料强化及其在飞机座舱透明件中的应用提供有力支持。     

基于改进后Sherwood-Frost本构模型对EPE冲击模拟

目的为了改进Sherwood-Frost本构模型,提升EPE高速、大变形冲击仿真精度。方法通过万能材料试验机对EPE进行静态压缩试验,获得不同压缩速率下的应力-应变曲线,结合热激活机制Seeger模型与反比例函数模型,对Sherwood-Frost本构模型应变率项进行改进,并用试验验证模型的可靠性;基于改进后的Sherwood-Frost本构模型,以ABAQUS软件为平台,对EPE材料进行冲击模拟仿真,并用试验数据验证仿真的准确性。结果模拟仿真结果与试验数据吻合良好;在冲击高度为1200,1300 mm的条件下,最大加速度误差分别为6%,2.03%。结论改进后的Sherwood-Frost本构模型具有良好的可靠性;基于该模型对EPE进行高速、大变形的冲击仿真,准确性较高。     

7050铝合金蠕变时效成形本构模型研究

为研究7050T451铝合金蠕变时效本构模型,在160℃、不同应力条件下进行单轴拉伸蠕变试验,分析了蠕变应变、屈服强度和微观组织随时间的变化规律.基于高强铝合金析出强化理论,建立了能描述蠕变时效成形宏观及微观变化的本构方程,并运用遗传算法对材料常数进行拟合优化.研究表明,该模型在不同应力水平下与试验结果吻合良好,能够用来模拟分析蠕变时效成形过程.