三轴围压下砂浆弹塑性损伤变形过程的细观力学分析

基于对泛函势和Cauchy-Born准则,抽象出弹簧束构元和体积构元,组集两种构元的力学响应,给出了材料的弹性损伤本构关系;考虑滑移作为主要的塑性变形机制,提出了滑移构元,给出了材料的塑性本构关系;利用变形分解机制,得到了由三种构元共同描述的弹塑性损伤本构关系。阐述了在给定应变条件下弹塑性损伤本构关系的计算迭代流程。利用单轴拉伸算例详细阐述了模型参数的标定过程。对有围压作用下砂浆材料的压缩行为进行了模拟,从材料细观变形角度解释了随着围压增加,材料承载能力增加的现象。模型预测结果与试验结果符合较好,初步验证了模型具有处理非比例加载问题的能力。     

考虑双拉耦合的复合材料编织物各向异性超弹性本构模型

为了准确描述复合材料编织物的各向异性力学特性,首先,基于纤维增强复合材料连续介质力学理论提出了一种考虑纤维双拉耦合的复合材料编织物各向异性超弹性本构模型,该模型中单位体积的应变能被解耦为便于参数识别的纤维拉伸变形能、双拉耦合引起的挤压变形能和纤维间角度变化产生的剪切变形能;然后,给出了模型参数的确定方法,并通过拟合单轴拉伸、双轴拉伸和镜框剪切实验数据得到了本构模型参数;最后,利用该模型对双轴拉伸和镜框剪切实验进行了数值仿真,并将模拟结果与实验结果对比分析。结果表明:提出的本构模型适用于表征复合材料编织物在成型过程中由于大变形引起的非线性各向异性力学行为。所得结论表明提出的本构模型具有简单、实用的优点,且材料参数容易确定,可为复合材料编织物成型的数值模拟和工艺优化奠定理论基础。      

未硫化橡胶非线性粘弹性本构模型研究

建立一种新的未硫化橡胶力学行为的描述方法。为了充分研究未硫化橡胶在不同变形模式下复杂的应力-应变行为,设计了3种不同的力学特性实验:单轴拉伸、压缩与剪切试验。发现未硫化橡胶的应力-应变关系表现出很强的非线性和率相关性。提出结合Yeoh应变能函数的广义Maxwell粘超弹性模型,拟合分析表明试验结果与模拟结果一致性较好。发现与硫化橡胶一样,必须采用多工况下的实验数据才能得到变形协调的粘弹性本构模型。实验结果和建立的本构模型有助于工程师更好的理解未硫化橡胶的力学行为,为橡胶的制造过程仿真提供理论基础。     

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。     

基于弹塑性损伤本构模型的复合材料层合板破坏荷载预测

在连续损伤力学和塑性力学框架内,建立一个同时考虑塑性效应和损伤累积导致材料属性退化的复合材料弹塑性损伤本构模型。基于最近点投影回映算法,开发本构模型的应变驱动隐式积分算法以更新应力及与解答相关的状态变量,并推导与所开发算法相应的数值一致性切线刚度矩阵,保证有限元分析采用NewtonRaphson迭代法解答非线性问题的计算效率。采用断裂带模型对已开发的本构模型软化段进行规则化,以减轻有限元分析结果的网格相关性问题。对损伤变量进行粘滞规则化,并推导出相应的粘滞规则化数值一致性切线刚度张量,解决了在有限元隐式计算程序中采用含应变软化段本构关系的数值分析由于计算困难而提前终止的问题。开发包含数值积分算法的用户材料子程序UMAT,并嵌于有限元程序Abaqus v6.14中。通过对力学行为展现显著塑性效应的AS4/3501-6V型开口复合材料层合板的渐进失效分析,验证本文提出的材料本构模型的有效性。结果显示,预测结果与已报道的试验结果吻合良好,并且预测精度高于其他已有弹性损伤模型。表明已建立的弹塑性损伤本构模型能够准确预测力学行为,展现显著塑性效应的复合材料层合板的破坏荷载,为其构件和结构设计提供一种有效的分析方法。     

复合材料用机织物非正交本构模型的半球形冲压成型验证

为了描述复合材料用机织物在大变形下由于经纱和纬纱之间角度变化所引起的非线性各向异性材料行为, 前期工作中建立了一个非正交本构模型。利用半球形冲头对复合材料用平纹机织物进行冲压模拟, 并将非正交本构模型和正交本构模型的模拟结果与实验结果进行对比, 对非正交本构模型进行验证, 以充分说明该模型的有效性和正确性。结果表明: 采用非正交本构模型模拟的复合材料用平纹机织物变形后的边界轮廓与实验结果基本一致, 并且剪切角都在实验结果的误差范围内; 而采用正交本构模型, 复合材料用机织物变形后的边界轮廓和剪切角与实验结果相差较大。研究表明, 与正交本构模型相比非正交本构模型能更好地描述复合材料用机织物在大变形下的材料属性。      

金属和合金高温变形过程本构模型的研究进展

本构模型是预测金属和合金高温变形行为的重要途径,在不同金属和合金选择合适的变形工艺参数、预防缺陷等方面起着至关重要的作用。在近年对金属和合金高温变形过程的研究中,常通过不同工艺参数下的各类高温变形试验来获取建立本构模型的原始数据,并将所获本构模型导入Deform、Ansys等模拟软件相应模块,以预测材料在锻造等过程中应力、应变速率、温度的分布规律,进而优化实际加工参数、避免缺陷的产生,同时减少耗材及资源浪费。鉴于本构模型在优化加工参数、预防缺陷等方面的重要作用,对金属和合金本构模型的建立、选择等方面的研究较多,选择何种试验方法来获取建立材料本构模型的试验数据、运用何种数学或物理方法来建立材料的本构模型、选择何种本构模型进行预测、各类本构模型的优缺点及修正方法等都是金属和合金高温变形过程本构模型的研究重点。在近些年的研究中,常运用热压缩、热拉伸、热扭转、分离式霍布金森压杆等高温变形试验方法来获取材料不同高温变形工艺参数下的原始数据,进而建立其本构模型。常用的本构模型大致可分为唯象型、物理基型及基于人工神经网络型。各类模型分别具有不同的适用性及优缺点,而缺点最终主要体现在部分工艺参数下的拟合偏差较大,针对该现象,各国学者不断对模型进行完善、修正,其中,除了模型本身的原因外,引起偏差的原因还包括没有考虑摩擦及变形热等宏观问题的影响。目前,常用的典型唯象型本构模型包括Arrhenius型本构模型、Johnson-Cook模型等,物理基模型如Zerilli-Armstrong型等,而基于人工神经网络模型则主要是利用输入层、隐含层及输出层进行预测,各类模型在数据处理的复杂性、物理意义等方面各有优缺点。文章从金属和合金高温变形过程获取本构模型原始数据的试验方法、本构模型的种类及修正、模型的应用等方面综述了本构模型的研究及发展,分析并总结了不同本构模型的优缺点,指出了模型预测过程中个别参数下预测值与试验值偏差较大的现象及其修正方法,并展望了金属和合金高温变形过程本构模型未来的研究方向。     

考虑柱纵向钢筋屈曲特征的修正材料本构模型

纵筋屈曲会加速钢筋混凝土（RC）柱峰值后承载力退化，在钢筋的材料本构关系中合理地考虑屈曲效应是RC柱的有限元模型可信的基础之一。Gomes等提出的屈曲钢筋材料本构模型（G-A模型）力学概念清楚，但两个基本假定存在明显误差。在OpenSees平台上，采用基于纤维截面的集中塑性铰非线性梁柱单元对24个钢筋试件的屈曲受力性能循环加载试验进行模拟。基于有限元计算结果，对G-A模型采用的全截面塑性弯矩M_p、忽略杆件轴向变形的几何关系进行了误差分析。通过回归分析，建立了修正G-A模型。研究结果表明，屈曲钢筋试件关键截面的应力分布与G-A模型的全截面塑性基本假定差别较大，忽略轴向变形影响会导致屈曲钢筋跨中侧向位移计算结果存在误差。原始G-A模型的模拟效果较差，修正G-A模型对全截面塑性弯矩、几何关系均进行改进，其计算精度明显提高。     

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。     

三维多向编织复合材料非线性本构行为的细观数值模拟

针对三维多向编织复合材料, 在已建立的单胞几何模型及材料力学性能细观计算力学分析方法的基础上,引入M urakam i 的几何损伤理论模拟纤维束的细观损伤行为, 建立了预报该类材料非线性本构行为数值模拟及细观损伤机理的有限元分析方法。结合实例预报了碳/环氧四向编织复合材料本构的非线性行为, 并与实验结果进行了对比。      

A finite element study of thermal relaxation of residual stress in laser shock peened IN718 superalloy

The residual stresses in laser shock peened (LSP) Inconel 718 Ni-base superalloy and their thermal relaxation behavior were investigated based on three-dimensional nonlinear finite element analysis. To account for the nonlinear constitutive behavior, the Johnson-Cook model has been employed and the model parameters for high strain rate response of IN718 are calibrated by comparison with recent experimental results. Based on the LSP simulation, the thermal relaxation behavior was studied through coupled thermal-structure analysis in LS-DYNA. More specifically, the effects of test temperature, exposure time and degree of initial plastic deformation are analyzed and discussed. It is observed that stress relaxation mainly occurs during the initial period of exposure, and the relaxation amplitude increases with the increase of applied temperature and as-peened plastic deformation. Based on the simulation results, an analytical model based on Zener-Wert-Avrami function is proposed to model the thermal residual stress relaxation.     

Micromechanics of precipitated near-equiatomic Ni-rich NiTi shape memory alloys

The specific thermo-mechanical behavior of precipitated, near-equiatomic Ni-rich NiTi shape memory alloys, i.e., thermal actuation under stress and pseudoelasticity, are investigated via the finite element method. The deformation response of the material-at-large is simulated using a representative volume element, taking into account the structural effect of the precipitates, as well as the effect of the Ni-concentration gradient in the matrix. An existing rate-independent constitutive model, similar to the one employed to describe the matrix behavior, is calibrated based on the deformation response of the representative volume elements. The actuation and pseudoelastic response of the homogenized material are found to be very close to those of the representative volume elements. The obtained results reproduce and provide important insight into several of the experimentally observed precipitation-induced changes on the transformation characteristics of these materials.     

正交异性膜材大变形行为的有限质点法求解

建筑薄膜具有正交异性和拉伸非线性的力学特性,其本构关系的表征和大变形行为的描述都较为复杂,具有很强的几何、材料双重非线性特征。有限质点法是一种新颖的结构数值分析方法,它将传统分析力学方法中复杂的函数连续体模型用清晰的离散质点物理模型取代,通过质点的运动描述结构的行为。该文根据途径单元的基本概念直接在质点内力计算过程中引入不同的膜材本构,将有限质点法拓展应用于正交异性薄膜结构的几何与材料非线性大变形分析。为了准确表征膜材力学特性,根据复合材料本构理论分别建立了适用于有限质点法的正交异性膜材的线性与非线性拉伸本构模型,并通过若干算例探讨了该文方法和程序的适用性和正确性。     

正畸临床状态下的牙周组织力学响应分析

该文通过非线性有限元法研究在口腔正畸临床状态下的牙周组织力学响应.通过逆向工程方法将CT 扫描获得图像建立起牙颌的三维有限元模型,使用牙周膜非线性本构模型,获得了在相邻牙齿作用下的牙颌组织的力学响应.分析了不同情况下牙齿相互作用力对正畸过程中牙周组织响应的影响,研究对比了牙颌骨的变形对牙齿位移的影响,最后使用数字散斑实验对数值模拟的结果进行了分析和验证.结果表明:牙齿之间的相互作用使得实际作用到牙周组织上的力有较大的变化;分析牙周组织的应力响应应该考虑牙齿之间的相互作用力.     

Constitutive modeling of woven composites considering asymmetric/anisotropic, rate dependent, and nonlinear behavior

The mechanical performance of woven composites was analyzed focusing on their nonlinear and rate dependent asymmetric/anisotropic deformation behavior. Three key characteristics were identified which are indispensable for realistically simulating the mechanical performance of woven composites: the asymmetric material behavior between tension and compression, its anisotropic and nonlinear evolution and rate dependency. To include all three characteristics into the nonlinear finite element analysis for woven composites, a phenomenological constitutive equation was developed based on an elasto-viscoplastic theory using the modified Drucker–Prager yield criterion and, in particular, developing the anisotropic nonlinear hardening law. A characterization method using both uniaxial tensile and compressive tests at different strain rates was proposed to determine the material properties for the constitutive equation. Then, the developed constitutive equation was incorporated into a finite element code and was validated by comparing the finite element simulation of the three points bending test with experiments.     

Ti-22Al-24Nb-0.5Y合金流变行为及BP神经网络高温本构模型

利用Gleeble-3500热模拟试验机进行等温恒应变热压缩实验,以实验获得的数据为基础,研究Ti-22Al-24Nb-0.5Y合金流变行为,通过正交实验对影响合金的流变应力因素进行分析,并建立基于BP神经网络的合金高温本构关系模型。结果表明:影响合金流变应力的主要因素依次为应变速率、变形温度和应变量;Ti-22Al-24Nb-0.5Y合金在热变形时的流变应力对应变速率和变形温度都较为敏感。当变形温度较低,应变速率较高时,合金变形呈流变软化特征,当变形温度较高,应变速率较低时,合金变形趋向于稳态流动;利用BP神经网络建立的合金高温本构关系模型,具有较高的精度,其相关性系数达到0.9949,平均相对误差在3.23%,预测值偏差在10%以内的数据点达98.79%,该预测模型可作为Ti2AlNb基合金塑性成形过程有限元模拟的本构关系。     

单向受拉状态下的钢纤维混凝土本构模型

在混凝土中添加随机分布的钢纤维能有效提高混凝土力学性能。为了更好地考虑纤维对单向受拉状态下钢纤维混凝土（SFRC）的增强作用，提出一个钢纤维混凝土的弥散开裂本构模型。在弹性阶段，纤维混凝土被视为简单复合材料，基于两相复合材料理论，对SFRC的弹性刚度矩阵进行修正；在受拉开裂后，混凝土的塑性变形量被视为纤维与混凝土界面脱粘过程中滑移量，利用粘结滑移模型计算纤维在混凝土开裂面上的桥接作用。该文通过有限元软件ABAQUS中子程序二次开发接口Umat，进行Fortran编程，在ABAQUS中实现该本构模型。通过数值模拟结果与受拉实验数据进行对比，验证了该本构模型的准确性。通过数值模拟分析，进一步探究钢纤维混凝土相关参数对抗拉性能的影响，为钢纤维混凝土在实际的工程中的应用提供建议。     

结构钢材循环荷载下的本构模型研究

在抗震分析中,钢材在循环荷载下的一维本构模型是结构抗震设计时进行结构弹塑性地震响应分析的基础.为了更为准确地模拟结构的地震反应,并能够在实际工程中应用,该文提出了结构钢材Q235B、Q345B 在循环荷载下的单轴简化本构模型,其中包括:单调加载曲线、循环骨架曲线以及滞回准则,通过建立数学模型对钢材循环荷载作用下的反应进行描述.根据提出的模型并基于大型通用有限元软件ABAQUS 提供的用户子程序接口UMAT,开发了适用于结构分析的钢材单轴循环本构模型.通过与多种加载制度下钢材反应的试验数据进行对比,进而证明该文所提出模型的正确性以及适用性,保证其用于钢结构体系在地震作用下弹塑性时程分析时的精度和可行性.分析结果表明:钢材在循环荷载下的反应与在单调荷载下的反应有很大的差别,循环荷载下的骨架曲线对于准确的数值模拟起到重要作用;钢材在循环荷载下的滞回准则也与现通用有限元软件中的本构模型有较大区别,这对于抗震计算设计的准确性有一定的影响.     

An analysis of impact-induced deformation and fracture modes in amorphous glassy polymers

The finite deformation response of a planar block of polymer material subject to impact loading is analyzed using two constitutive models for glassy polymers, a reference Drucker–Prager type model and a physics-based macromolecular model, supplemented by a phenomenological model for craze initiation and widening. Full transient finite element analyses are carried out using a Lagrangian formulation of the field equations. The analyses allow an assessment of possible failure mechanisms under dynamic loading and the ability of the different models to predict such behavior. The results highlight the effect of the stress–strain behavior of polymers, notably the post-yield softening and large strain hardening, on localization of plastic flow. This behavior is adequately captured only by the macromolecular model.