聚碳酸酯中应变率压缩力学特性研究

利用高速液压伺服试验机开展聚碳酸酯中应变率压缩实验,同时开展低、高应变率压缩的对比实验,验证了中应变率实验的有效性.基于不同温度下各应变率的压缩真实应力-应变曲线,获得了聚碳酸酯在中应变率压缩下的力学特征.结果表明:聚碳酸酯在中应变率下的压缩经历了弹性形变、屈服、应变软化和应变硬化四个阶段,材料力学行为的应变率和温度相关性表现为:提高应变率或降低温度,压缩屈服强度和屈服应变均增大;反之,升高温度或降低应变率,材料的应变软化更为显著.基于实验结果,构建了可描述聚碳酸酯中应变率压缩过程力学特征的 ZWT 非线性黏弹本构模型,该模型可为透明件结构设计与鸟撞仿真提供有力支撑.     

杨木静动态压缩本构模型研究

目的 以杨木为研究对象,研究其静动态压缩载荷作用下应力-应变曲线的变化特征,建立适合的本构模型,并对其进行描述。方法 对杨木试件进行静动态压缩加载试验,分析静动态压缩载荷作用下杨木应力-应变曲线的变化特征,构建适用于静动态压缩载荷作用下杨木的本构模型。结果 静态压缩加载杨木的应力-应变曲线分为线弹性阶段、屈服阶段和密实化阶段等3个部分,动态压缩加载杨木的应力-应变曲线分为线弹性阶段和屈服阶段等2个部分;静态压缩加载时,杨木轴向屈服应力最大,分别是径向和弦向的5.70倍和7.75倍;动态压缩加载时,当应变率从400 s-1增加到1000 s-1时,径向、弦向和轴向的屈服应力分别增加了1.51,1.59,3.12倍,杨木的屈服应力具有应变率敏感性;采用包含应变率影响的本构方程来描述杨木在静动态压缩载荷作用下的本构关系是比较合适的。结论 杨木是一种应变率敏感材料,静动态压缩载荷作用下杨木的应力-应变曲线均表现出多孔材料的特征,将多孔材料本构模型应用于木材是可行的。     

聚碳酸酯的动态应力应变响应和屈服行为

测量聚碳酸酯在3.8×10-5 s-1到大约8000 s-1应变率范围内的单向压缩力学行为,研究了应变率对聚碳酸酯屈服应力的影响.结果表明:在应变率低于1 s-1时,聚碳酸酯先出现应变软化,然后出现稳定的塑性流动和应变硬化;在高应变率时,应力应变曲线的软化区域消失,屈服应力和屈服应变随着应变率的增大而增大.分析了高应变率时热软化与应变硬化的竞争机制,提出了描述宽应变率范围内聚碳酸酯的屈服应力与应变率关系的幂律型本构模型,能在较宽的应变率范围描述聚碳酸酯屈服应力与应变率的关系.     

航空Al7050合金的静动态力学特性研究及JC本构模型构建

为了研究航空Al7050合金材料的静、动态力学特性,采用DNS100型电子万能试验机对航空Al7050合金进行了准静态压缩试验,并依据处理后的试验数据获得了室温准静态下的流动应力-应变曲线,然后采用带有同步组装系统的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对航空Al7050合金进行了不同温度、不同应变率下的动态压缩试验,并依据处理后的试验数据获得了不同温度、不同应变率下的流动应力-应变曲线,最后依据两次试验数据并采用最小二乘法构建了试验条件下的JC本构模型.结果表明:材料的流动应力随应变率的增加整体呈现增加的趋势,但温度高于400℃时,材料的流动应力随应变率的增加而减小;随应变的增加,流动应力表现出先呈线性增加,再缓慢增加,最后急剧下降的趋势;材料的流动应力和应变硬化指数随温度的升高而下降,且构建的JC本构模型能较好地预测塑性流动应力.     

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。     

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。     

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。     

蔗渣-淀粉发泡缓冲材料的本构方程及有限元仿真

目的研究蔗渣-淀粉发泡缓冲材料的缓冲性能,建立此类缓冲材料的本构方程,方便此类材料的应用。方法对不同密度的蔗渣-淀粉复合材料,在不同湿度和应变率条件下对其进行静态压缩试验,并在Sherwood-Frost本构模型的基础上加以扩展,加入湿度对应变的影响项,建立该复合材料的静态压缩本构方程。根据实验数据,采用Origin拟合的数学方法确定相关系数。以该静态压缩本构方程拟合出的应力-应变曲线作为材料特性载入Abaqus软件中,模拟淀粉-蔗渣纤维发泡缓冲材料并进行静态压缩试验仿真,得到仿真曲线,并与实际试验曲线进行对比。结果仿真实验与实际实验的数据误差较小,整体误差在10%以内。结论建立的静态压缩本构方程可以很好地表征该复合材料的缓冲性能,避免了设计缓冲衬垫时需要大量试验才能得到材料曲线的问题。     

考虑应变率效应的混凝土单轴压缩统计损伤本构模型

基于统计损伤理论,建立考虑应变率效应的混凝土单轴压缩统计损伤本构模型。考虑细观断裂和屈服两类损伤模式,将临界状态作为均匀损伤阶段向局部破坏阶段过渡的转折点,且滞后于峰值应力状态。在动态荷载作用下,混凝土内部细观结构的力学性能发生变化,同时微裂纹的扩展形态、路径和和数量较准静态发生显著改变,进而改变了两类细观损伤模式的演化过程,可由5个特征参数来表征。开展混凝土单轴压缩动态力学性能试验,获得了10-5～10-2/s应变率范围内的应力-应变曲线。利用6组试验数据对模型进行验证,结果表明：模型预测曲线与试验曲线吻合良好,表征细观损伤机制的特征参数随着应变率的提高显示出明显的规律性。该模型可以较好地描述混凝土的动态力学行为,在应变率效应机理、细观损伤机制、宏观非线性本构行为之间建立起有效的联系。     

多功能布的动静态力学性能及本构关系的研究

针对多功能布的物理特性展开了MTS实验和SHPB实验,获得了材料的基本力学参数和应力-应变曲线,并对材料的变形行为、应变率相关效应和破坏特性作了分析,在此基础上给出了材料的动静态本构关系。结果表明,多功能布材料在准静态加载下和冲击载荷作用下,随着应变率的提高,应力-应变曲线斜率增加,应变率效应比较明显。     

新型碳酚醛材料动静态力学性能和本构关系研究

研究了碳纤维增强酚醛复合材料在不同温度下的动静态压缩力学性能，碳酚醛材料不但是应变率敏感材料，也是温度相关材料；提出了一个非线性粘弹性本构方程，通过对实验应力-应变曲线的拟合给出了本构方程的材料参数，讨论了温度对本构方程参数的影响；分析了材料力学行为的时温等效性，给出了不同加载条件下的时温等效曲线。     

轻质泡沫混凝土的力学性能与唯象本构模型

在飞机越界工程材料阻滞系统(EMAS)中,阻滞材料的压缩力学性能极为重要。本文对一种新型阻滞材料——轻质泡沫混凝土在室温下应变率从0.001/s到0.1/s的压缩力学行为进行了系统研究。结果表明:在该应变率范围内此材料力学性能对应变率不敏感;但此材料的密度对其力学行为影响很大。通过对压溃平台应力、密实应变和密度等参量的分析,结合系统的试验结果,建立了该材料的压缩唯象本构模型,通过模型预测结果与试验结果比较,唯象本构模型与试验结果吻合较好。     

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。     

聚脲材料动态压缩力学行为的数值模拟研究

以聚脲材料动态压缩力学特性为研究对象,提出了考虑动态弹性模量、动态强度因子和动态切线模量的简化三直线弹塑性本构模型;基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,建立了低、中、高不同应变率下聚脲材料压缩有限元模型,并与实验结果进行对比分析。结果表明：动态弹性模量增大因子、动态强度因子和动态切线模量因子随应变率增加而有规律的增大,均和应变率的对数呈双线性关系。在中低应变率下,三者的线性关系斜率都比较平缓;在高应变率下,三者的线性关系斜率都比较陡,且弹性模量动态增大因子的斜率比动态强度因子的更大,而第二阶段动态切线模量因子的斜率与动态强度因子的基本一致,但第三阶段动态切线模量因子的斜率是动态强度因子的2.3倍左右,说明高应变率下聚脲材料的后期应力强化效应更加显著。聚脲材料的简化三直线弹塑性本构模型可以在ANSYS/LS-DYNA有限元软件中较好地实现。该文建立的有限元模型能较为准确地模拟聚脲材料压缩实验,进一步验证了简化弹塑性本构模型在不同应变率压缩加载下的有效性。该研究可以为聚脲涂覆加固防护结构有限元模型提供材料模型参数依据。     

三维正交机织玻璃纤维/环氧树脂复合材料动态力学性能的实验和理论研究

通过实验系统研究了三维正交机织玻璃纤维/环氧树脂复合材料厚度方向和面内方向的动、 静态压缩力学性能。结果表明, 动、 静态压缩载荷作用下该材料响应表现出明显的各向异性、 非线性和应变率敏感性。针对三维正交机织玻璃纤维/环氧树脂复合材料高速变形过程中不同形式的内部缺陷和微损伤的演化, 提出了一个依赖应变、 应变率的宏观损伤量, 建立了一种含损伤的非线性黏弹性本构模型。采用数据处理方法拟合了其本构方程材料参数, 在加载过程中, 模型计算值与实验结果吻合较好。     

隔振橡胶本构建模研究

提出适合描述隔振橡胶在宽频振动时力学行为的本构模型。本构模型包含超弹性和粘弹性两个部分，超弹性部分表征橡胶材料的静态特性；非线性粘弹性部分描述橡胶材料在振动、冲击载荷下的动态响应。基于该本构模型，对橡胶材料在宽应变率范围内进行试验，九个材料参数通过高、低应变率下的试验数据拟合确定。模型预测结果与试验结果是相当吻合的。     

碾压混凝土HJC动态本构模型修正及数值验证

研究高应变率冲击爆炸荷载作用下水工碾压混凝土大坝结构的动力响应,离不开对筑坝材料动态力学特性和本构关系的深入认识。参考实际水工混凝土大坝筑坝材料的配合比和施工方式,制备碾压混凝土试样,分别开展了静态压缩试验和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验,以探求碾压混凝土的动态力学特性。基于静、动态力学试验结果,对目前多用于描述混凝土类材料高应变率下力学行为的HJC模型的强度面、应变率增强效应和破坏准则进行了修正,并利用有限元计算手段,建立SHPB试验的数值模型,以验证修正HJC模型的有效性。结果表明:碾压混凝土在高应变率冲击荷载下的动态力学特性表现出明显的应变率效应,动态压缩强度随应变率增加而提高,且与试样尺寸有关。基于试验数据的改进HJC模型有效预测了碾压混凝土在高应变率冲击荷载作用下的动态力学行为,数值计算得到的重构应力——应变曲线基本与SHPB试验结果吻合,采用最大主应变失效准则模拟得到了与SHPB试验加载过程中接近的试样损伤破坏模式,研究成果可用于碾压混凝土结构的抗冲击爆炸设计中。     

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。     

硬聚氯乙烯的粘塑性本构模型与裂纹扩展行为

建立材料的粘塑性本构模型,进行粘塑性裂纹扩展试验,是开展聚合物粘塑性裂纹扩展问题研究的基础.采用恒定应变速率的方法,对硬聚氯乙烯进行低应变速率下的拉伸试验,确定各应变速率下应力与应变的关系曲线.实验数据表明,该材料的力学性能对应变速率有依赖性,与时间相关,是典型的粘塑性材料.根据实验测得的不同应变速率下应力-应变关系的曲线族,对实验数据进行多元回归分析,确定有关的材料常数,建立了硬聚氯乙烯材料Bailey-Norton公式形式的粘塑性本构模型.进行硬聚氯乙烯的粘塑性裂纹扩展试验研究,得到了裂纹长度增量与时间的关系.     

基于损伤模型的2024-O-T42搭接件动态拉伸失效分析

针对高锁螺栓单搭接件所采用的2024-O-T42铝合金,设计狗骨试验件进行准静态与动态拉伸试验,设计六种不同的缺口试验件进行准静态拉伸试验。通过开展拉伸失效仿真,对比Hartley-Srinivasan与Johnson-Cook两种本构模型,以及最大塑性应变失效准则、Johnson-Cook失效模型与GISSMO损伤模型三种失效模型。结果表明,在试验的100 s^-1应变率范围内,2024-O-T42铝合金材料流动应力应变率效应不明显,其最大相差约为5%;在不考虑应变率及温度的情况下,Hartley-Srinivasan本构模型比Johnson-Cook本构模型更能准确表征材料塑性段的力学行为;采用Hartley-Srinivasan本构模型和GISSMO损伤模型,高锁螺栓单搭接件在1 m/s、3 m/s、5 m/s拉伸速度下的仿真结果与试验结果吻合更好,且仿真获得的失效位移相对试验失效位移平均值分别偏大4.7%、偏大4.3%和偏小7.4%。