橡胶-帘线增强复合材料的本构模型及数值模拟

针对有两族帘线的橡胶—帘线增强复合材料,基于Spencer的连续介质力学不变量理论,提出了一种非线性超弹性本构模型。通过引入两个帘线排列方向的结构张量把单位体积的自由应变能分解为便于参数识别的体积变形、等容变形和各向异性变形三部分。分别用纯橡胶单轴拉伸实验,沿帘线方向单轴拉伸实验数据拟合得到等容变形和各向异性变形的材料参数。通过COMSOL弱形式偏微分方程,对橡胶-帘线增强复合材料在有限变形下的单轴拉伸进行数值模拟。预测了帘线在不同排列方向条件下的力学性能,为轮胎的力学分析打下了坚实的基础。     

应力波载荷作用下CFRP、GFRP层板动态拉伸性能的实验研究

介绍了Hopkinson杆冲击拉伸实验设备以及实验技术,推导了应力、应变的计算公式。利用Hopkinson杆加载装置对CFRP、GFRP层合板进行了冲击拉伸实验研究,得到不同应变率下CFRP、GFRP层板的应力、应变(бε)曲线,以及断裂强度、拉伸模量、断裂应变等力学参数,以期对复合材料层板在冲击拉伸情况下动态力学行为和变形、破坏机理有一个初步的认识。     

NiMnGa合金/环氧树脂复合材料力磁耦合细观模型的建立及应力-应变关系模拟

基于热力学理论和等效夹杂原理建立了包含机械能、化学自由能、磁晶各向异性能、Zeeman能和再取向过程硬化函数的Ni Mn Ga合金/环氧树脂(Ni Mn Ga/ER)复合材料的力磁耦合细观模型,模拟了零场下复合材料的应力-应变曲线,并与试验结果进行对比,最后预测了不同磁场强度(0～1.8 T)和磁场角度(与应力方向的夹角,0°,45°)下复合材料的应力-应变曲线。结果表明:模拟得到复合材料中马氏体变体再取向和逆再取向的临界应力分别为39.2,41.8 MPa,与试验结果的相对误差均不大于1.2%,验证了模型的准确性。磁场角度为45°下复合材料的应力-应变迟滞环比磁场角度0°下更大;当磁场角度为0°时,磁场强度越大,应力-应变迟滞环越大。     

一种考虑材料损伤的低循环疲劳寿命预测方法

为了更加精确地预测材料的低循环疲劳寿命,对三参数幂函数公式和拉伸滞后能寿命模型进行研究,提出了基于三参数幂函数的损伤能寿命预测模型。分别利用该模型和Manson-Coffin公式对高温合金、钛合金及结构钢等多种材料的低周疲劳试验数据进行拟合并将其分析结果进行对比;根据GH4133合金250℃时的低循环疲劳试验数据,建立了该条件下材料的循环应力-应变曲线和损伤能寿命预测模型,同时对曲线及模型进行验证。结果表明:建立的循环应力-应变曲线能够正确反映该条件下材料的应力与应变之间的关系;所提出的损伤能寿命预测模型对12种材料的低周疲劳试验数据的拟合效果较好,寿命预测精度明显高于Manson-Coffin公式。     

硬质聚氨酯泡沫拉伸本构模型研究

车用硬质聚氨酯泡沫被用作汽车保险杠和内饰中的缓冲块,其缓冲吸能能力可以对碰撞事故中的人员安全起到很好的保护作用,因此其力学性能的研究对汽车安全和轻量化设计尤为重要。实验所用的硬质聚氨酯泡沫密度为50 kg/m3和110kg/m3,先后用岛津AGS-10KN万能电子拉力试验机和Zwick/Roell Amsler-HTM2512多功能试验机对其进行了0.001/s、0.01/s、0.1/s、10/s、50/s、100/s等多种应变速率下的拉伸试验,获得了相应的应力应变曲线。基于聚氨酯泡沫的拉伸应力-应变曲线,拟合了聚氨酯泡沫在拉伸的本构模型,预测结果和实验结果符合较好。     

平纹编织C/SiC复合材料层合板偏轴拉伸性能研究

通过理论和试验方法,分析了平纹编织C/Si C复合材料的偏轴拉伸性能。在室温下进行(0°/90°)和(±45°)、(30°/60°)试件的轴向拉伸试验和(0°/90°)试件的面内剪切试验。结果表明,材料的面内力学性能与材料纤维的方向角有明显的关系。经典层合板理论在初始低应力阶段仍然适用于平纹编织C/Si C复合材料,但随着载荷的增大,由于拉剪损伤耦合效应的影响,计算的应力-应变曲线逐渐偏离试验曲线。根据试验数据,给出了拉剪耦合的影响公式,对经典层合板理论模型进行修正,由修正后模型得到的计算应力-应变曲线与实测曲线吻合很好。     

基于连续损伤模型橡胶弹性减振元件疲劳寿命分析

基于连续介质损伤力学理论研究橡胶类材料疲劳寿命预测方法,用一阶Ogden应变能函数导出橡胶材料疲劳损伤演化方程,建立以等效应变范围为损伤参量的疲劳寿命预测模型。拟合橡胶材料无切口试样拉伸试验应力应变数据,获得橡胶超弹材料Ogden本构模型参数,通过有限元结构分析得出转臂橡胶球铰在疲劳载荷工况下的主应力分布。应用橡胶超弹材料等效应力计算法则与橡胶材料无切口拉伸试验应力应变数据,提出复杂应力状态下橡胶弹性减振元件等效应变范围计算方法,得出转臂橡胶球铰的等效应变范围。利用所建疲劳寿命模型对橡胶球铰进行寿命分析预测,并通过转臂橡胶球铰台架疲劳试验进行验证,结果显示试验疲劳寿命是预测疲劳寿命的1.96倍,预测精度比较理想。     

汽车动力总成橡胶悬置的疲劳寿命实测与预测方法

以某汽车动力总成橡胶悬置的寿命预测为研究目标,基于哑铃形橡胶试件的疲劳试验结果,分别以应变能密度、最大主Green-Lagrange应变、有效应力为损伤参量建立该橡胶材料的三种寿命预测模型。利用建立的三种疲劳寿命预测模型,对该汽车动力总成橡胶悬置疲劳寿命进行预测,并与实测结果进行对比分析。对比分析结果表明,以应变能密度为损伤参量的疲劳寿命预测模型和以最大主Green-Lagrange应变为损伤参量的疲劳寿命预测模型的预测效果相对较差,预测寿命落在实测寿命的4倍分散线之内;以有效应力为损伤参量的寿命预测模型预测的橡胶悬置的寿命落在实测寿命的2倍分散线之内。因此,以有效应力为损伤参量的寿命预测模型可较好地预测该动力总成橡胶悬置的疲劳寿命。     

碳纤维增强热塑性复合材料动态力学性能及损伤模式实验研究

碳纤维增强热塑性复合材料具有优良的力学性能和成型性能,在轿车中已有应用。通过实验研究碳纤维增强热塑性复合材料的动静态拉伸力学性能,应变率从0.001/s至50/s。实验结果表明,随着应变率的增加,其弹性模量,抗拉强度均有所增加,表现出较强的应变率敏感性。采用含损伤的相关动态本构方程拟合了其应力应变曲线,为该材料的有限元分析提供了准确的本构方程,同时采用扫描电镜进行微观形貌分析,对该材料的损伤模式进行了初步探讨,为该材料的工程应用打下了基础。     

先进高强双相钢DP780温度相关应力-应变关系

为了研究先进高强度双相钢DP780的温热成形力学行为,通过不同温度(300℃、400℃、500℃、600℃)及不同应变率(10^-4～10^-3 s^-1)下的单向温拉伸试验获得了先进高强度双相钢DP780在相应条件下的基本力学性能指标和应力-应变曲线,并对试验结果进行了分析;为描述温热成形DP780板料应力-应变曲线,求解、修正了Grosman本构模型的相关参数;以单向拉伸试样为例,基于Fortran语言通过编写Abaqus-Vumat子程序进行了数值模拟验证。结果表明,所用Grosman模型预测值与试验数值拟合较好,验证了所求模型的有效性。     

橡胶隔振器静态特性计算方法研究

对橡胶试件进行了单轴拉伸、等双轴拉伸和平面拉伸试验,获得了试件在各种受力状态下的材料应力-应变关系曲线,应用最小二乘法拟合得到了不同橡胶超弹性本构模型的参数。利用这些模型参数,计算了某汽车动力总成橡胶隔振器X,Y和Z方向静刚度,并与试验结果进行了对比分析;利用不同应变状态下应力-应变数据拟合得到的模型参数,计算了橡胶隔振器的X,Y和Z方向静刚度。同时,还研究了Mullin效应和体积压缩变形对静刚度的影响。     

不同损伤参量对橡胶隔振器疲劳寿命预测结果影响的研究

基于橡胶哑铃形试件的疲劳试验结果,分别以最大主工程应变、最大主对数应变、最大主Green-Lagrange应变、八面体切应变、应变能密度、Luo等效应力、Saintier等效应力为损伤参量建立七种橡胶疲劳寿命预测模型。应用此七种模型预测某汽车动力总成橡胶悬置的疲劳寿命,对比不同寿命模型的预测效果。研究结果表明,以最大主工程应变、最大主对数应变、最大主Green-Lagrange应变、八面体切应变、应变能密度为损伤参量建立的寿命模型预测的疲劳寿命均在实测寿命的4倍分散线之内;以Luo应力、Saintiter应力为损伤参量建立的寿命预测模型的预测寿命落在实测寿命的2倍分散线之内。因此,以Luo应力、Saintiter应力为损伤参量建立的寿命预测模型预测效果更好,Luo应力、Saintier应力更适合作为疲劳损伤参量来预测橡胶隔振器的疲劳寿命。     

橡胶弹性减振元件疲劳裂纹扩展寿命分析

对NR68橡胶纯剪切试样进行疲劳裂纹扩展试验,结果表明裂纹扩展率与撕裂能之间存在幂率关系.基于疲劳累计损伤理论,以撕裂能范围为损伤参量,建立橡胶疲劳寿命预测模型.对NR68橡胶裂纹扩展试验数据进行回归分析,拟合得出模型参数.综合应用有限元结构分析方法、橡胶材料等效应力计算方法和橡胶单侧切口拉伸(Single edge notched tensile,SENT)试样拉伸试验的应力应变数据,提出橡胶弹性减振元件撕裂能范围的计算方法,从而将弹性减振元件在复杂应力状态下的疲劳寿命问题转化为单向应力状态下橡胶材料的疲劳寿命问题.利用所建模型对锥形橡胶弹簧的疲劳寿命进行分析预测,并通过锥形橡胶弹簧台架疲劳试验进行验证,结果显示预测疲劳寿命是试验疲劳寿命的1.33倍,预测精度比较理想.     

不同加载条件下50W800G硅钢板的拉伸性能

对50W800G硅钢板采用十字形试样进行了不同加载条件下的单向拉伸试验和双向拉伸试验,并运用ANSYS软件对试验结果进行了有限元模拟。结果表明:50W800G硅钢板双向等比拉伸时的应力-应变曲线位于双向非等比拉伸和单向拉伸时的应力-应变曲线之上;50W800G硅钢没有明显的各向异性行为,双向等比拉伸时轧制方向的应力-应变曲线稍高于垂直于轧制方向的,而双向非等比拉伸时垂直于轧制方向的应力-应变曲线稍高于轧制方向的;ANSYS有限元数值模拟的结果可用来预测双向拉伸过程中的应力-应变关系。     

基于数字图像相关技术的材料真应力-应变计算与试验

真应力-应变曲线对于研究材料的机械性能具有重要意义。介绍了一种基于数字图像相关技术处理拉伸试样局部真应力-应变曲线的方法,通过设计拉伸试验得到不同形式的应力-应变曲线,并进行验证。计算与试验结果表明,传统方法计算得到的真应力-应变曲线只能近似反映试样某个位置的应力应变情况,更适合表征材料均匀塑性变形阶段的机械性能,基于数字图像相关技术的方法可以有效、合理地计算得到拉伸过程中试样不同位置的真应力与真应变,包括颈缩后大应变变形下的真应力与真应变,能够表征材料从加载到断裂破坏过程中不同位置的机械性能。     

T700/QY8911缝合复合材料层合板的拉伸与疲劳性能

对T700/QY8911缝合复合材料层合板进行了静载拉伸试验和拉-拉疲劳试验,研究了不同缝合方向[0/90]4s和[0/45/90/-45]2s铺层层合板的拉伸和疲劳性能;建立了T700/QY8911缝合复合材料层合板有限元模型并对其弹性模量进行了模拟。结果表明:缝合能明显提高复合材料层合板抵抗分层破坏的能力;缝合层合板在静拉伸载荷下呈线弹性材料的特点,当载荷达到峰值时,缝合层合板具有后续承载能力,而未缝合层合板在峰值后承载能力出现连续下滑,并发生最终破坏;缝合层合板在拉-拉载荷下的疲劳刚度衰减曲线呈三阶段函数特征;缝合层合板的纵向弹性模量的有限元计算结果与试验结果吻合较好,证实了模型的有效性。     

考虑应变梯度效应的低碳钢试样单向拉伸尺寸效应理论研究

采用二阶应变梯度塑性理论，得出伸长率、峰值应力后工程应力应变曲线和真应力应变曲线的解析解，结果表明三者均具有尺寸效应。将低碳钢试样的单轴拉伸简化为轴向的一维问题。采用拉伸过程中体积不变假设及平衡条件，将应变梯度引入屈服函数，得到伸长率、平均应变及真应变的解析式。理论结果完全反映伸长率与标定长度呈反比的客观事实。工程应力应变曲线尺寸效应可以在数值结果中找到佐证。拉应变局部化是三者尺寸效应的本质原因。     

6063铝合金在冲击载荷下的尺寸效应及数值模拟

采用霍普金森压杆(SHPB)在不同冲击压力下对不同尺寸的6063铝合金圆柱试样进行压缩实验。结果表明：在相同压力冲击下,材料的应变率随着试样高径比和横截面的增大而减小。不同尺寸试样在相同的应变率下得到的应力-应变曲线基本吻合。尺寸(直径×高度)为φ8mm×4mm与φ8mm×5mm的试样能获得较广的应变率响应范围。采用ABAQUS有限元软件对铝合金的SHPB动态冲击实验进行了数值模拟,通过二波法计算得到的应力-应变曲线与拟合结果及实验结果吻合较好。     

碳纤维层压板复合材料拉伸性能的有限元分析

利用有限元软件Abaqus分别对[0°]8和[0°/45°/90°/-45°]S两种铺层结构的碳纤维层压板复合材料建模,模拟得到层压板拉伸时的应力-应变曲线,并与试验结果进行了比较;同时,基于Cohesive界面单元模拟了层压板在拉伸载荷作用下的层间力学性能及失效模式。结果表明:模拟得到的应力-应变曲线与试样结果具有较好的一致性;[0°/45°/90°/-45°]S结构层压板因纤维铺层方向的差异而具有明显的界面破坏现象,而[0°]8结构层压板的分层现象不明显。     

镁合金非对称应力载荷下的低周疲劳损伤演化和寿命预测

将弹性模量、等效模量、总应变能密度及平均应变的变化作为损伤变量,对镁合金非对称应力载荷下的低周疲劳损伤演化进行分析,建立了相应的寿命预测模型。结果表明：选取总应变能密度或平均应变的变化作为损伤变量可以描述镁合金非对称应力载荷下的低周疲劳损伤演化,相应的寿命预测模型预测效果较好;选取平均应变的变化作为损伤变量所得损伤曲线具有更好的代表性。