纤维应变率相关的统计本构模型的理论与实验研究

本文根据经典的纤维强度统计理论,并在某些假设的基础土,建立了纤维的应变率相关的统计本构模型及其对应的本构方程.由该模型得到了利用纤维束冲击拉伸试验确定单丝应变率相关的统计本构方程中力学参量的原理和方法.在应变率为10-4～103 l/S范围内,用玻璃纤维束的拉仲试验检验该模型和确定本构方程参量的方法.试验结果和分析表明,该模型的假设和有关理论是正确的,方法是可行的.该模型能较好地解释玻纤在应变率为10-4～1.1×102 l/S范围内的力学性能.     

聚乙烯拉伸应变速率的本构方程改进及运用

目的 对等密度、恒温条件下聚乙烯（PE）在不同应变率下的力学性能进行研究,改进原有本构方程的应变率项。方法 使用万能材料试验机,测量不同拉伸速率下PE的应力-应变曲线,并研究随着应变速率的增加,最大拉伸强度和断裂伸长率的变化趋势;基于Sherwood-Frost本构模型,对经典的热激活机制Seeger模型添加幂函数项,实现应变率与应变的耦合;基于最小二乘法,采用Matlab软件拟合本构模型参数,并将本构方程拟合结果与300,400,500 mm/min速率下的试验数据进行对比。结果 改进后的本构模型拟合数据与试验结果具有更高的吻合度,最大误差为8.12%,出现在300 mm/min的速度条件下。结论 随着拉伸速率的增加,PE材料的最大拉伸强度逐渐增加,断裂伸长率逐渐降低;改进应变率项后,本构模型具有更高的拟合精度,能够为有限元分析提供准确的材料参数。     

单脉冲加载技术及其在钛合金拉伸行为研究中的应用

为精确评价钛合金热率相关的力学行为,利用冲击拉伸试验系统和基于单应力脉冲加载的冲击拉伸复元试验技术分别获得TC11钛合金在高应变率(102~103s-1)范围内的绝热应力-应变曲线和等温应力-应变曲线,实现拉伸响应的热力解耦;利用冲击拉伸加卸载试验技术实施变温度和变应变率测试,研究历史效应对于本构行为的影响。结果表明:TC11的初始屈服行为呈现温度软化和应变率强化特性,而等温塑性应变硬化行为表现出温度和应变率不敏感特征,瞬态绝热温升是导致材料动态应变硬化率降低的主要原因;高应变率加载时材料内的热功转换系数约为0.9,且其拉伸力学行为无明显的温度和应变率历史效应。实验结果为建立钛合金的本构模型奠定试验基础。     

应变率对T300/Al(L2)复合丝拉伸性能的影响

利用MTS810试验机和自行研制的冲击拉伸试验装置对T300／Al复合丝实施了不同应变率下的拉伸试验,获得了材料从0．001s^-1到1300s^-1应变率范围内完整的应力应变曲线。结果表明：T300／Al是一种应变率敏感复合材料,随着应变率的提高,材料的拉伸强度、失稳应变均相应提高,具有明显的应变率强化效应和动态韧性现象,这主要是由铝基体的应变率强化效应和应变率历史效应引起的。根据材料在不同应变率下的试验结果以及对其不同变形阶段机理的分析,提出了弹塑性复合丝束模型,并由此建立了相应的应变率相关的一维统计损伤本构方程,模型拟合结果与试验结果一致。     

一种钢板材料动态拉伸本构方程确定以及试件尺度效应研究

采用数值模拟方法,优化设计了Hopkinson拉伸实验中,QP980CR钢的片状试件尺度。对所设计的试件,在MTS(810材料试验机)上进行了准静态拉伸试验,在Hopkinson拉杆装置上进行了不同应变率及不同温度的动态拉伸试验。由准静态及动态拉伸试验结果,确定了试件材料的J-C型动态拉伸本构方程。基于确定的试件动态拉伸本构方程,采用数值模拟方法,研究了Hopkinson拉伸试验中,试件的形状和尺度对测试结果的影响。     

理论临界冲击拉伸速度研究

分析了理论临界冲击拉伸速度。指出率相关的Karman-Taylor塑性波传播理论、完全热耦合的高应变率本构关系以及绝热升温方程确定了理论临界冲击拉伸速度。对于高导无氧铜,采用典型的两类高应变率本构关系计算了理论临界冲击拉伸速度。研究结果表明:与Johnson-Cook关系对应的理论临界冲击拉伸速度明显小于与Zerilli-Armstrong关系对应的理论临界冲击拉伸速度。该文也强调指出,理论临界冲击拉伸速度仅对应于塑性波速趋于0,而实验临界冲击拉伸速度不仅与应力波效应有关,而且与杆的动态颈缩、损伤演化致断裂有关。     

循环荷载下奥氏体型和双相型不锈钢材料本构关系研究

为研究循环荷载下不锈钢材料的本构关系,对奥氏体型S30408不锈钢和双相型S220503不锈钢材料进行了单调拉伸和大应变超低周循环加载试验。采用三种常用的单调拉伸本构模型对所得应力-应变曲线进行拟合,得到相应单调荷载下材料本构参数;采用Ramberg-Osgood本构模型对循环骨架曲线进行拟合,得到材料循环强化参数;利用Chaboche塑性本构模型,标定了两种材料的循环本构参数。结果表明:在单调拉伸荷载下,G-R-O本构模型更适用于拟合不锈钢材料的单调拉伸本构;在循环荷载下,不锈钢材料滞回曲线饱满,且随着应变增大,两种材料在加载后期均表现出了明显的循环强化现象;Ramberg-Osgood本构模型对骨架曲线拟合较好,有限元计算结果和试验滞回曲线吻合度高;表明该文标定出的强化参数、循环本构参数可用于结构体系地震响应分析之中,为准确分析不锈钢结构在地震作用下的受力性能提供参考。     

5A06-O 铝镁合金板材温热成形本构方程研究

目的提出5A06-O铝镁合金板材在不同温度及应变率条件下的统一本构方程。方法采用CCS-88000电子万能试验机对5A06-O铝镁合金板材进行不同变形温度和应变速率条件下的单向拉伸试验。结果随着温度的升高,流变应力明显下降,同时,应变会显著增加;在常温时,应变速率对流变应力的影响不明显,但当温度高于150℃时,流变应力均随着应变速率的增加而升高。结论提出了在温热条件下描述材料复杂流变曲线本构方程的建模方法-增函数相减法,通过该方法建立的本构方程形式简单,能够反映温度和应变率的影响,实现对复杂流变曲线较为准确的描述。     

应变速率对AZ91D镁合金力学行为影响

本文通过静态拉伸试验机和高应变速率冲击拉伸试验装置,对AZ91D压铸镁合金分别进行了不同应变率下(10-4、10-2、300和1400s-1)拉伸力学性能的试验,获得了各应变速率下完整的应力-应变曲线.并通过扫描电镜对其拉伸断口进行分析.试验结果表明,其屈服应力(σs)、拉伸强度(σb)随着应变速率的增加而增加,失稳应变(εb)则随着应变速率的增加而有所减小;而弹性模量则对应变率不敏感.采用John-son-Cook材料模型描述AZ91D镁合金应变速率相关的应力应变本构模型,其拟合结果和实验结果基本相吻合.扫描电镜断口分析结果表明,动态和静态的断裂方式基本相同,都是以准解理断裂特征为主,局部区域伴有解理断裂;存在典型的缩松断裂形貌.     

B250P1低合金钢的动态力学行为及其本构模型

对B250P1低合金钢板在室温条件下进行了准静态和动态拉伸试验,应变率范围为0.003~600s-1,研究了应变率对该低合金钢动态力学行为的影响,并建立了其本构模型。结果表明:B250P1低合金钢的屈服强度、抗拉强度和流变应力均随着应变率的增加而增大,具有明显的应变率效应;基于JC本构方程给出了B250P1低合金钢本构模型参数的确定方法,经过两次修正,使误差精度提高接近40%,最大误差不超过8%,并且扩大了应变率的适用范围;修正后的JC本构方程可以很好地预测不同应变率下B250P1低合金钢的流变应力,更好地满足工程开发应用的需要。     

2024-T3铝合金动力学实验及其平板鸟撞动态响应分析

通过电子万能试验机和分离式霍普金森拉杆（SHTB）拉伸试验分别获得2024-T3铝合金材料准静态和高应变率两种应变率下的应力-应变曲线。铝合金材料的本构关系由能够反映材料硬化效应和应变率强化效应的Johnson-Cook材料模型描述,方程中的4个参数通过不同应变率下的应力-应变曲线拟合得到。基于瞬态动力学软件PAM-CRASH,结合材料动态力学性能试验所获得的2024-T3铝合金Johnson-Cook模型方程,耦合光滑粒子流体动力学（SPH）方法和有限元（FE）方法建立2024-T3铝合金平板的鸟撞数值模型,数值计算所得动态响应与鸟撞试验结果吻合较好,表明建立的鸟撞数值计算模型是合理、可靠的,整个分析流程从材料动态力学性能试验、鸟撞数值计算到最终的鸟撞试验验证为飞机结构的抗鸟撞设计与分析提供了有力的参考。     

冲击拉伸下Fe3Al力学性能的应变率相关性研究

利用自行研制的旋转盘式杆杆型冲击拉伸试验装置于Ｆｅ３Ａｌ实施了不同应变率的冲击拉伸试验，获得了不同应变率下的完整的应力应变曲线，结果表明在应变率从８０Ｓ＾－１至１２００Ｓ＾－１范围内，Ｆｅ３Ａｌ存在明显的动态韧性现象及应变率强化效应，其屈服应力，破坏应力以及破坏应变都随应变率的提高而增加，用最小二乘法拟合得到其屈服应力，破坏应力以及失稳应变与应变率的关系，并根据Ｂｏｎｄｎｅｒ－Ｐａｒｔｏｎ的理论建     

应变率对Cf/Al金属基复合材料力学性能的影响

利用自行研制的冲击拉伸试验装置对单向碳纤维增强铝基复合材料实施了不同应变率下的拉伸试验,获得了材料从0．001s^-1到1000s^-1应变率范围内完整的应力应变曲线。试验结果表明Cf/Al是一种应变率敏感材料,随着应变率的提高,材料的拉伸强度、失稳应变均相应提高,具有明显的应变率强化效应和动态韧性现象。根据材料在不同应变率下的试验结果,提出了应变率强化效应的复合丝束统计本构模型,模型分析表明由于复合材料的破坏受多种因素的影响,Cf/Al复合丝的强度不再服从单Weibull模型,用双Weibull模型更能反映Cf/Al复合丝强度的统计分布规律,且模型拟合的结果与试验结果吻合得很好。     

被动防护网中U形消能件的力学性能分析

U形消能件是被动防护网中的一种新型消能构件,由钢板带、圆柱滚轴和套头组成,主要功能是降低作用在锚杆及钢丝绳上的荷载,吸收落石的冲击能量。由于国内尚未有相关设计理论和工程应用经验,为此对U形消能件进行了重复性拟静力拉伸试验,试验结果表明:U形消能件具有较好的重复拉伸性能;由于钢板带材料的塑性强化效应,U形消能件在前三次重复拉伸试验中,启动力阈值和耗能能力逐渐增大,在第四次重复拉伸试验中,钢板带发生了类似疲劳破坏的脆性断裂。依据重复拉伸试验现象及相关结果的研究,提出了采用能量法对消能件启动力阈值和耗能性能进行理论分析,建立了U形消能件启动力阈值和静力耗能能力的理论计算方法,并与试验结果进行了对比验证,理论计算方法可作为U形消能件工程设计的依据。     

钛-钢复合钢材力学性能及本构模型研究

为系统研究钛-钢复合钢材的力学性能,对2 mm~12 mm厚TA2+Q235B钛-钢复合钢材进行了系列试验研究,包括拉伸、剪切、粘结、弯曲、冲击韧性、硬度等试验,其中拉伸试件设计考虑了复合比的影响。基于试验结果,得到了该类钛-钢复合钢材的基本力学性能指标,并重点对其单调拉伸荷载下的力学性能进行了分析研究。试验结果表明:钛-钢复合钢材的应力-应变曲线特征及典型力学性能指标与复合比的大小直接相关;随着复合比的增大,屈服平台逐渐消失,弹性模量逐渐减小,屈服强度和断后伸长率逐渐升高,但抗拉强度的变化并不明显,这与钛TA2和Q235B低碳钢本身的力学性能有关。基于拉伸试验数据和有限元数值计算结果,提出了钛-钢复合钢材的力学指标计算方法,建立了其本构模型。此外,剪切和粘结试验得到的复合界面强度尽管较低,但对拉伸力学性能影响十分有限;同时,该类复合钢材的受弯和冲击性能良好,硬度结果呈现两侧高、中间界面层低的情况。研究结果可为钛-钢复合钢材在结构工程领域的研究和应用提供基础参考和材料本构模型,并有利于促进其工程应用。     

Nomex Kevlar平纹织物超高速撞击本构模型开发

为了研究Nomex-Kevlar平纹织物对空间碎片的超高速撞击力学特性, 运用LS-DYNA本构模型二次开发技术开发了Nomex-Kevlar平纹织物在超高速撞击条件下的带最大应力失效标准的线弹性正交各向异性本构模型, 并定义了Nomex-Kevlar平纹织物在超高速撞击条件下的Gruneison状态方程参数。运用光滑粒子流体动力学方法和有限元方法建立了与NASA试验工况相同的Al-2017-T4球形弹丸以6.84km/s速度斜向30°撞击Nomex-Kevlar平纹织物的数值分析模型。仿真结果与试验结果的比较表明, 本文中开发的本构模型以及建立的数值分析模型可以准确描述Nomex-Kevlar平纹织物的超高速撞击力学特性。      

考虑纤维缠绕形态的复合材料结构拉伸承载行为

纤维缠绕复合材料的纤维束具有交叉起伏形态特征,该形态对复合材料结构的力学行为有显著的影响。本文采用数值仿真和实验手段研究了纤维缠绕复合材料平板结构的拉伸力学行为。实验方面,开展纤维缠绕复合材料平板的准静态拉伸实验,通过数字图像相关技术(DIC)监测其表面应变场的演化过程,研究交叉起伏特征对载荷-位移曲线和应变分布特征的影响;数值分析方面,构建包含纤维缠绕形态的介观有限元模型,基于3D Hashin失效准则开展渐进损伤过程模拟,并引入了复合材料的剪切非线性行为。选取层合板结构为参照组,同时开展实验和数值分析。实验结果表明:对于层合结构,缠绕结构的整体刚度更低,失效位移更大,失效载荷基本相同,且缠绕结构菱形特征单元中部纤维交叉起伏区域存在明显的应变集中现象。所构建的有限元模型和实验结果吻合较好,呈现出纤维起伏区域的应变集中、失效起始和扩展行为。      

The effects of strain rate and CCVC interfacial layer on mechanical behaviours of CALL

In this paper, the loading and loading-unloading tests of CALL and CALL (CCVC) under tensile impact have been carried out by a self-designed Rotating Circular Disk Tensile impact Apparatus. The quasi-static tension and short beam bending tests are performed on the Shimadzu-5000 testing apparatus. Experiment results show that both CALL and CALL (CCVC) have positive hybrid effect. Under quasi-static tension, the two composites have no obvious yielding until fracture, but have an obvious yielding point on the dynamic tensile stress-strain curves. The dynamic unstable fracture strain is about three times the static unstable fracture strain. The interlaminar shear strength (ISS) of CALL (CCVC) is 10 more than that of CALL. At the same time, the tensile strength and unstable fracture strain of CALL (CCVC) are also higher than that of CALL. In this paper, some conclusions are also drawn from the SEM observation of the fracture specimen surfaces.     

Mechanical property analysis of kenaf–glass fibre reinforced polymer composites using finite element analysis

Nowadays, natural fibres are used as a reinforcing material in polymer composites, owing to severe environmental concerns. Among many different types of natural resources, kenaf plants have been extensively exploited over the past few years. In this experimental study, partially eco-friendly hybrid composites were fabricated by using kenaf and glass fibres with two different fibre orientations of 0° and 90°. The mechanical properties such as tensile, flexural and impact strengths of these composites have been evaluated. From the experiment, it was observed that the composites with the 0° fibre orientation can withstand the maximum tensile strength of 49.27 MPa, flexural strength of 164.35 MPa, and impact strength of 6 J. Whereas, the composites with the 90° fibre orientation hold the maximum tensile strength of 69.86 MPa, flexural strength of 162.566 MPa and impact strength of 6.66 J. The finite element analysis was carried out to analyse the elastic behaviour of the composites and to predict the mechanical properties by using NX Nastran 9.0 software. The experimental results were compared with the predicted values and a high correlation between the results was observed. The morphology of the fractured surfaces of the composites was analysed using a scanning electron microscopy analysis. The results indicated that the properties were in the increasing trend and comparable with pure synthetic fibre reinforced composites, which shows the potential for hybridization of kenaf fibre with glass fibre.