飞艇囊体薄膜材料的双向拉伸试验及结构仿真

飞艇囊体膜材的弹性常数是飞艇外形设计、结构分析、动力学分析的基础。本文根据正交异性平面应力模型假设,应用双向拉伸试验方法获得了飞艇囊体膜材HV130在不同载荷比条件下的经纬向弹性模量和泊松比。对飞艇囊体进行应力分析,得到囊体应力的理论解及环向应力和轴向应力的载荷比。根据飞艇囊体受力情况,选取对应的弹性常数,对飞艇进行不同压差条件下的静力学仿真分析。利用非接触应变测量系统测试不同压差条件下飞艇囊体的变形情况,验证了双向拉伸试验所得的弹性常数的准确性和仿真分析的可靠性。本文能为飞艇的外形设计和结构分析提供参考。      

建筑膜材料在双轴拉伸作用下的特性

通过对PVC膜材料进行7种应力比下的双轴拉伸试验(比值分别为0∶1、1∶5、1∶2、1∶1、2∶1、5∶1和1∶0),对膜材料在双轴拉伸作用下的拉伸特性进行了研究。在试验过程中施加了3次循环荷载,以使得经过循环作用后的膜材料的性能更接近实际使用的情况。结果表明膜材料具有明显的正交异性和非线性。该文推导了双轴拉伸作用下经纬向应变之间的关系,结合试验所得的变形特性,就经纬向应力比C≤0.5时,经向弹性常数为负这一现象作了分析。根据已有的理论,对膜材料双轴向弹性常数进行了分析,当C=1时,膜材料的经向和纬向同时具有最大的弹性常数。     

双轴受压状态下的高延性纤维增强水泥基复合材料本构模型

基于Darwin和Pecknold考虑混凝土双轴力学行为的方法,建立一个同时考虑双轴受压状态下非线性力学行为和抗压强度变化的高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)二维正交各向异性本构模型。在因双轴加载而产生的正交各向异性的2个方向上引入等效单轴应变,建立非线性应力-等效单轴应变关系以考虑ECC的双轴非线性行为,并采用一条双轴强度包络线确定2个方向上的抗压强度。推导模型的显式数值算法,编写包含该算法的用户自定义材料子程序UMAT,并嵌于有限元计算程序ABAQUS v6.14中。通过对两组不同配合比的ECC试件在不同应力比下的双轴受压加载试验进行数值分析验证本模型的有效性。数值计算得到的主压应力方向上的应力-应变曲线及预测的抗压强度与试验结果吻合较好,表明该文提出的本构模型能够有效地预测ECC在双轴受压状态下的非线性力学行为和破坏强度。     

薄膜材料双轴拉伸试验

本文根据充气结构原理设计并完成了一套薄膜材料双轴拉伸试验装置，可对薄膜材料在不同应力比下进行双轴拉伸试验。在试验中引入了云纹干涉完成了大应变的量测。试验表明：薄膜材料在双轴受拉状态下的力学特征与单轴伸时是完全不同的。     

建筑膜材料双轴向拉伸弹性常数的估算方法

以机织物增强建筑膜材料为对象,研究了通过单轴向拉伸试验来获取双轴向拉伸弹性常数的方法。根据膜材料双轴向拉伸弹性模量的确定方法,以二维正交各向异性材料的本构关系为基础,以膜材料经纬向拉伸应力比为设定加载参数,导出了机织膜材料单轴向和双轴向拉伸弹性模量之间的关系,提出了采用单轴向拉伸弹性常数估算建筑膜材料双轴向拉伸弹性常数的方法。通过参考文献中对GF/PTFE和PVDF1202T膜材料拉伸试验的测试结果,验证研究所提出方法的适用性。结果表明,在工程实践中利用单轴向拉伸试验来获得膜材料双轴向拉伸弹性模量是可行的。     

双向玻纤织物复合材料双轴拉伸载荷下的力学行为

为研究双向玻纤织物复合材料在复杂应力状态下的力学行为,设计双轴加载十字型试样,对其进行不同载荷比的双轴拉伸实验,对比分析了材料在双轴拉伸载荷下的拉伸模量、拉伸强度及失效模式。结果表明:双向玻纤织物复合材料单轴拉伸行为表现为后期非线性、脆性断裂,双轴拉伸载荷下非线性现象更为显著;双轴拉伸模量随载荷的增大而增加,双轴拉伸载荷对材料的拉伸模量具有一定的强化作用;材料的双轴拉伸强度存在双向弱化效应,等比例双轴拉伸时,双轴拉伸强度最低,仅为单轴强度的60.5%;试样破坏发生于中心实验区域,材料不同载荷比的破坏形式有所不同,分别主要表现为纤维断裂、基体失效和玻纤布分层。     

一种改进的Yeoh超弹性材料本构模型

橡胶通常被看作一种不可压缩各向同性的超弹性材料,其本构模型通常用应变能密度方程表示。针对Yeoh模型偏软的特性,该文提出了一种改进的Yeoh超弹性材料本构模型。基于连续介质力学大变形理论,给出了改进的Yeoh模型在三种特殊变形模式下的应力-应变关系,并与原有的Yeoh模型和实验数据进行了对比。结果表明:改进的Yeoh模型在保持Yeoh模型体现反“S”形应力-应变关系的前提下,有效地克服了Yeoh模型在预测等双轴拉伸曲线时“偏软”的特性。在较大的应变范围内能够同时准确地预测单轴、平面和等双轴拉伸-压缩的应力-应变关系,具有较大的工程应用价值。     

结构尺寸对混凝土双轴动态破坏行为影响细观分析EI北大核心CSCD

为研究结构尺寸在不同动态双轴工况下对混凝土破坏行为的影响,建立了考虑混凝土材料非均质性的细观力学分析模型,对不同尺寸的立方体混凝土试件在不同应变率(10-5 s-1、10-2 s-1和1 s-1)和不同侧应力比(0、±0.25、±0.50、±0.75、±1.00和-∞)工况下进行了细观数值模拟。研究了混凝土的动态双轴压缩和压缩-拉伸力学行为以及应变率和侧应力比两个因素对混凝土动态双轴强度及其尺寸效应行为的影响规律,分析与讨论了不同工况下结构尺寸对混凝土动态双轴强度的影响机理。研究结果表明:动态双轴压缩工况下,结构尺寸对混凝土动态双轴压缩强度的影响随应变率增大逐渐被削弱,随侧应力比增大先被削弱而后增强;动态双轴压缩-拉伸工况下,随应变率增大,结构尺寸对混凝土动态主轴压缩强度和动态侧轴拉伸强度的影响均被削弱。随侧应力比增大,结构尺寸对混凝土动态主轴压缩强度的影响被增强,而对混凝土动态侧轴拉伸强度的影响被削弱;逐渐增大的应变率会削弱侧应力比对混凝土双轴强度尺寸效应的影响。     

橡胶隔振器静态力-位移关系计算方法的研究

测试了橡胶试片在单轴向拉伸、等双轴拉伸和平面剪切应力-应变状态下的应力-应变关系。利用测试得到橡胶试片在不同状态下应力-应变关系,和应用不同的本构模型,拟合得到了不同模型的材料常数。以两个橡胶悬置为研究对象,对橡胶隔振器进行三向静态力-位移特性分析,并与测试值进行对比。橡胶悬置1主要承受拉压变形或剪切变形,而悬置2则同时承受拉压和剪切变形。以悬置1和悬置2为研究对象,应用Mooney-Rivlin本构模型,计算分析了利用不同应力－应变状态得到的本构模型常数对橡胶隔振器力－位移关系计算结果的影响。以悬置2为研究对象,采用同一种应力－应变状态获取的本构模型常数,分析了本构模型对橡胶隔振器静态力-位移特性计算结果的影响。     

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。     

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。      

Modeling of Nonlinear Mechanical Behavior for 3D Needled C/C-SiC Composites Under Tensile Load

This paper established a macroscopic constitutive model to describe the nonlinear stress–strain behavior of 3D needled C/C-SiC composites under tensile load. Extensive on- and off-axis tensile tests were performed to investigate the macroscopic mechanical behavior and damage characteristics of the composites. The nonlinear mechanical behavior of the material was mainly induced by matrix tensile cracking and fiber/matrix debonding. Permanent deformations and secant modulus degradation were observed in cyclic loading-unloading tests. The nonlinear stress–strain relationship of the material could be described macroscopically by plasticity deformation and stiffness degradation. In the proposed model, we employed a plasticity theory with associated plastic flow rule to describe the evolution of plastic strains. A novel damage variable was also introduced to characterize the stiffness degradation of the material. The damage evolution law was derived from the statistical distribution of material strength. Parameters of the proposed model can be determined from off-axis tensile tests. Stress–strain curves predicted by this model showed reasonable agreement with experimental results.     

Mechanical Behaviors and Elastic Parameters of Laminated Fabric URETEK3216LV Subjected to Uniaxial and Biaxial Loading

A comprehensive experimental study of the laminated fabric URETEK3216LV subjected to mono-uniaxial, uniaxial cyclic and biaxial cyclic loading was performed to expose the detailed mechanical behaviors and determine proper elastic parameters for the laminated fabrics under specific stress states. The elastic modulus-strain curves and elastic parameter response surfaces were used to reveal the mechanical behaviors, and a weighted average method of integrals was proposed to calculate the elastic parameters for different stress states. Results show that typical stress-strain curves consist of three distinct regions during loading: crimp region, nonlinear transition region and yarn extension region, which is consistent with those of the constitutive yarns. The elastic parameters and mechanical behaviors of the laminated fabric are stress-state specific, and they vary noticeably with the experimental protocols, stress ratios and stress levels. The proposed method is feasible to evaluate the elastic parameters no matter what stress states the materials are subjected to, and thus it may offer potential access to obtain accurate design and analysis of the airship structures under different loading conditions.     

Tearing Behaviors of Flexible Fiber-Reinforced Composites for the Stratospheric Airship Envelope

Tearing behaviors of the envelope material is important for the stratospheric airship because it directly decides the service life of the airship. Uniaxial tensile tests of the specimens with different initial damage were performed to study the tear propagation properties of a new kind of envelope material for the stratospheric airship. A Matlab program was developed to simulate the mechanical properties in the tensile process. The interaction forces between warp and weft yarns were considered, and the yarns in the transition region between deformed region and non- deformed region were assumed as hinges in the simulation. It is discovered that the interaction factor, which represents interaction force between different components of the material, and the frictional coefficient between warp and weft yarns are the crucial factors for the tensile curves of the material. The tear strength and the damage mode of the envelope material are determined by the number of the cutoff yarns and the declination of the initial cracks, respectively.     

C/C-SiC缎纹编织复合材料孔隙缺陷的建模及其拉伸性能仿真

主要研究了随机孔隙缺陷在C/C-SiC缎纹编织复合材料中的有限元建模方法及其对拉伸性能的影响。基于C/C-SiC缎纹编织复合材料的细观结构和实验观察所得的微观形貌,得出孔隙缺陷具有随机分布特征,提出了一种三维随机碰撞算法模拟孔隙在复合材料中的分布,建立了含随机孔隙缺陷的C/C-SiC缎纹编织复合材料的有限元模型。采用有限元软件ABAQUS模拟了其在拉伸载荷下的力学行为,讨论了孔隙缺陷的尺寸和分布形式对材料拉伸性能的影响,并对试样进行了单轴拉伸实验测试,验证了数值模拟的有效性。结果表明,用本文方法建立的有限元模型符合含孔隙缺陷C/C-SiC缎纹编织复合材料的真实细观结构,相应的数值模拟结果也与试验数据吻合较好。本文的研究结果为含孔隙缺陷的缎纹编织复合材料及具有相似结构特征的复合材料的力学分析与优化设计提供了一种有效的方法。      

Tensile stress–crack width law for steel fibre reinforced self-compacting concrete obtained from indirect (splitting) tensile tests

In this work, mode I fracture parameters of steel fibre reinforced self-compacting concrete (SFRSCC) were derived from the numerical simulation of indirect splitting tensile tests. The combined experimental and numerical research allowed a comparison between the stress–crack width (σ–w) relationship acquired straightforwardly from direct tensile tests, and the σ–w response derived from inverse analysis of the splitting tensile tests results. For this purpose a comprehensive nonlinear 3D finite element (FE) modeling strategy was developed. A comparison between the experimental results obtained from splitting tensile tests and the corresponding FE simulations confirmed the good accuracy of the proposed strategy to derive the σ–w law for these composites. It is concluded that the post-cracking tensile laws obtained from inverse analysis provided a close relationship with the ones obtained from the experimental uniaxial tensile tests.     

含界面相三维全五向编织复合材料拉伸行为模拟及失效机制研究

基于三维全五向（Q5D）编织复合材料的细观结构模型,通过引入界面相单元,建立了含界面相Q5D编织复合材料单轴拉伸损伤失效分析模型。应用Python语言实现对ABAQUS的二次开发,将Linde等提出的失效准则和Von-Mises应力准则分别用于纱线和基体的渐进损伤判断,并确定材料的整体失效模式;对于界面相,采用Quads准则进行损伤判断。利用周期性位移边界条件,对含界面相Q5D编织复合材料的纵向拉伸应力-应变行为进行了渐进损伤数值模拟,详细讨论了在纵向拉伸载荷作用下材料的细观损伤起始、扩展和最终失效的演化过程,分析了材料的细观损伤失效机制,预测了材料的极限破坏强度,并研究了界面相性能对材料整体力学行为的影响规律。研究结果表明,数值模拟结果与实验值吻合较好,验证了渐进损伤模型的有效性,为该类材料的力学分析和优化设计奠定了基础。