高水头闸门止水材料超弹性与粘弹性本构研究

首先针对闸门止水橡胶的超弹性能对其数值分析起决定性作用.根据止水橡胶单双轴拉伸和纯剪切实验,得到了其名义应力应变曲线;对通用的橡胶本构模型进行了系统的对比与分析,给出了在实验数据齐全和不全情况下,止水橡胶数值仿真最优本构模型;其次采用不同的橡胶粘弹性本构模型,通过对某超高坝底孔闸门止水有限元计算,得出止水应力松弛失效时间,通过与闸门实际运行资料对比,得出burgers本构模型是最合理的;改变了以往设计阶段采用标准线性固体模型来预测止水失效时间的做法。本研究为止水的生产设计提供了系统的参考,具有较高的理论意义与实用价值。     

橡胶材料的非线性黏弹性本构方程

橡胶是一种非线性黏弹性材料,准确描述其非线性黏弹性力学响应的本构方程是橡胶材料及制品设计优化的关键。文中基于超弹性模型和并行流变模型(PRF)描述了橡胶材料的非线性黏弹性响应特征,重点探讨了由实验数据确定PRF本构方程材料参数的方法。首先通过单轴拉伸实验数据拟合得到超弹性模型,将应力松弛实验数据拟合得到表征材料线性黏弹性的模型-Prony级数,再将Prony级数转化为初始的PRF模型,进而不断优化得到PRF模型的准确材料参数,最后进行实验验证。结果表明,PRF模型计算的不同应变下的应力松弛数据与实验数据之间的误差仅为0.067%,PRF能准确地描述橡胶材料非线性响应的应力松弛行为。     

基于Exp-ln模型与广义黏弹性理论的橡胶本构模型及其应用研究

提出了一种描述橡胶材料不同应变率下力学响应的黏超弹本构模型。首先,利用Instron实验机和SHTB实验装置,开展橡胶材料单轴拉伸实验;其次,结合Exp-ln超弹性本构模型和广义黏弹性方法,建立了橡胶材料黏超弹本构模型;再次,推导本构模型三维增量格式,编写了用户子程序(VUMAT),验证了本构模型的一维和三维有效性;最后,建立橡胶底座冲击附加载荷计算数值模型,并将冲击附加载荷实验与数值仿真进行对比验证。结果表明:单轴拉伸实验与数值解吻合较好,冲击附加载荷实验值与仿真值误差约为7%,验证了黏超弹本构模型的正确性。     

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。     

考虑磁场影响的磁性形状记忆合金分段线性化超弹性本构模型研究

磁性形状记忆合金(Magnetic Shape Memory Alloy,MSMA)作为一种新型智能材料,同传统温控形状记忆合金一样具有形状记忆效应和超弹性效应。现有的MSMA本构模型大多存在理论性强、形式繁杂、参数较多等问题,不利于实际工程应用。为此,该文借助线性化方法,建立了超弹性MSMA分段线性化应力-应变关系;引入应力择优取向马氏体变体体积分数作为内变量,基于塑性理论框架,构建了MSMA分段线性化超弹性本构模型;提出了描述临界应力与环境磁场关系的Logistic关系函数,并基于试验数据拟合了关键参数;利用所建立的本构模型对考虑磁场影响下的MSMA超弹性进行了数值模拟,并从滞回曲线形状和滞回耗能两个方面与试验结果对比。结果表明:所提出的临界应力与环境磁场关系函数拟合优度可达0.993;材料本构模型预测曲线与试验结果较为接近,理论耗能能力与试验结果误差平均为11.9%。因此,模型能够较为准确地模拟MSMA的超弹性变形过程和耗能能力,为预测考虑磁场影响的MSMA超弹性特性提供了一种简便方法。     

风力发电机弹性支承有限元分析

橡胶材料的非线性力学特性直接影响到风力发电机弹性支承的减振性能。通过橡胶拉伸和压缩实验获得应力-应变数据,借助有限元软件对数据进行拟合,得到橡胶材料恰当的本构模型。依据弹性支承的实际使用工况,选用合理的橡胶材料模型参数,采用整体、四分之一截面和轴对称的三种模型进行计算结果的对比分析。并针对用四分之一模型分析风力发电机弹性支承的非线性垂向、横向刚度和固有频率等特性,通过试验;验证了有限元模型和计算方法的有效性。     

橡胶隔振器大变形有限元分析

以橡胶隔振器为研究对象,基于超弹性本构模型,对拉伸、压缩、剪切状态下分别进行有限元计算,探讨橡胶等不可压缩材料大变形有限元建模技术;重点研究橡胶结构不同受载方式下变形模式及有限元分析所需要的材料试验数据。经与试验结果对比分析,得到隔振器三种状态下,填充超弹本构模型最优的材料数据类型,为橡胶结构件的数值模拟提供有益参考。     

基于黏弹性本构模型的热固性树脂基复合材料固化变形数值仿真模型

针对热固性树脂基复合材料热压罐成型工艺过程,采用广义Maxwell(麦克斯韦)黏弹性本构模型建立了残余应力和固化变形的三维模型。模型考虑了复合材料固化过程中的热-化学效应、材料的热胀冷缩效应、基体树脂黏弹性效应以及材料的各向异性。通过与文献中实验结果的比较,证明了所建立的模型具有较高的可靠性。对复合材料C型制件的固化过程进行了数值模拟和实验对比,比对结果表明该数值模型具有较高的准确性。     

复合材料固化相关黏弹性性能演化及残余应力分析

通过对复合材料固化度和温度相关黏弹性本构方程的分析,定义一个能综合反映固化度和温度等对复合材料黏弹性性能影响的无量纲参数De_m。当参数De_m都大于10~2时,复合材料基体处于流动状态;当参数De_m都小于10~(-2)时,复合材料为弹性状态;仅当部分参数De_m小于10~2而大于10~(-2)时,复合材料处于黏弹性状态。以AS4纤维/3501-6树脂复合材料为例,基于对其参数De_m在典型固化工艺过程中的演化,研究该复合材料黏弹性性能的发展过程,发现基于参数De_m分析得到的凝胶点时间与实验结果一致。根据复合材料黏弹性性能对残余应力发展的影响,将复合材料残余应力计算分为流动阶段和黏弹性阶段,并建立了相应的状态相关黏弹性本构模型。最后通过与原始模型预测结果的比较验证了提出的本构模型,表明本文提出的计算方法与原始黏弹性本构模型计算结果一致,但大大降低了计算所需的时间和存储空间。     

复合材料残余应力和固化变形数值模拟及本构模型评价

为了评价不同固化本构模型,建立了预测复合材料构件残余应力/应变和固化变形的三维数值模型。该模型由热化学分析模块和热力分析模块构成,考虑了热化学耦合、材料性能的各向异性、化学收缩及黏弹性等因素。基于线弹性、黏弹性和Path-dependent三种典型的本构模型,预测了构件的残余应力/应变及固化变形。通过与试验结果对比,验证了所建数值模型的有效性,并重点研究了不同本构模型的适用性。结果表明,黏弹性本构模型最佳,对构件的残余应力/应变及固化变形的预测结果均较好; Path-dependent本构模型次之,对构件的残余应变和固化变形的预测结果较好,但对构件的残余应力的预测结果稍差;线弹性本构模型最差,除了对构件的残余应变和较薄构件的固化变形的预测结果较好外,其他预测结果都较差。     

孔隙固体超弹性本构模型与应用

油气井封固、核废料填埋与浅层地热能利用等问题是能源岩土领域的研究热点。土体、岩石、混凝土材料的多场耦合本构模型理论是这些研究热点问题的核心所在。传统固体弹塑性力学、岩土力学与孔隙固体力学理论相比,由于其基本假设或构建手段的局限性,其关于岩石与混凝土材料的变形计算往往会产生较大误差,且理论扩展性不强。该文分别从饱和岩土力学理论、经典Biot孔隙弹性力学理论出发,阐述其在孔隙固体材料本构理论的相关研究工作,并进行梳理与对比;其后运用严格物理热力学理论框架,建立孔隙固体材料的超弹性本构模型;最后针对石灰石与水泥石的既有试验数据,验证孔隙固体超弹性本构模型的有效性。     

包装用泡沫材料的多孔弹性模型

包装用泡沫材料是一种多孔隙的、呈现超弹性本构行为的橡胶类材料.引入了描述硅泡沫的多孔介质模型,针对泡沫材料弹性本构行为以及由于多孔隙的结构特征所导致的可压缩性,并考虑孔隙度对变形性能的影响,提出了解耦为等容部分和体积变形部分的应变能函数的具体形式,从而获得泡沫材料的本构方程.     

直升机旋翼系统弹性轴承弹性体寿命分析方法

弹性轴承是现代直升机旋翼系统的重要组成部分,其弹性体的疲劳寿命问题是影响工程应用的关键因素。弹性体由金属隔片和橡胶材料复合而成,会传递桨叶受到的各类载荷。该文针对弹性体的结构,基于开裂能理论,提出了金属隔片与橡胶叠层结构的疲劳寿命设计方法。并考虑了橡胶材料的超弹性本构模型和疲劳特性,基于橡胶疲劳裂纹扩展理论,提出了弹性轴承弹性体结构的寿命分析方法。其仿真结果与结构的耐久性试验结果吻合良好,具有较好的工程应用价值。     

超弹性材料过盈配合的轴对称平面应力解答

主要讨论了一种采用超弹性材料轴对称过盈配合的橡胶减震元件,推导了橡胶材料过盈配合平面应力的大变形解析解,并应用 ABAQUS 有限元软件进行数值模拟,分析和对比了解析解和数值解的结果,定量分析材料泊松比和体积刚度对问题的影响。     

形状记忆合金超弹性本构关系的神经网络模型

通过试验，研究了受过循环变形、具有稳定超弹性变形性能的形状记忆合金丝在拉伸到不同应变幅值条件下卸载的超弹性变形行为。根据试验测得的结果，提出了基于神经网络的形状记忆合金超弹性本构关系模型，并把模型计算的结果和实验数据进行了比较分析，结果表明，该模型具有很高的精度。该模型避免了已有模型在参数确定上的困难，具有一定的工程应用价值，为建立形状记忆合金本构模型提供了一个新的思路。     

天然橡胶支座大变形压剪性能的双非线性超弹性理论和实验研究

基于非线性固体力学已经形成与材料微观结构紧密结合的发展局面,该文从微观上橡胶的超弹性本构方程出发,推导出单层橡胶内任一点的竖向应力满足调和函数,进一步对竖向应力积分得到单层橡胶的单轴等效弹性模量E c与纯弯等效弯曲刚度EcIs。将隔震橡胶支座等效为符合E c与EcIs的均质体,建立橡胶支座在两种外部荷载同时作用下,能宏观反映剪切变形与弯曲程度的偏微分平衡方程,并得到通用解答,解决了橡胶支座竖向与水平两种荷载耦合作用时大剪切变形的几何非线性问题。在此基础上,开展了足尺隔震橡胶支座压剪实验,依据实验剪切模量G和水平剪应变γ曲线,得到的支座水平推力F H和γ的实验曲线与理论曲线几乎完全重叠,即通过将材料非线性引入以上微分平衡方程,实现了超弹性橡胶支座大剪切变形的双非线性问题。通过以上解答,得到了隔震橡胶支座内力分布规律,对判断支座薄弱部位有明确的指导意义。随后,对隔震橡胶支座比较重要的两个特性(剪应变相关性,轴压力相关性)进行了对比分析,结果表明：随着轴力增大,橡胶支座的P-Δ效应并不明显,而橡胶内应力的变化不可忽视,同时,剪应变越大,压力相关性越强。可以采用该文的理论方法,通过传感器监测到...     

炭黑填充橡胶超弹性本构模型的选取策略

橡胶材料超弹性本构参数的精确性是影响橡胶结构有限元计算精度的关键因素。对炭黑填充橡胶材料进行单轴拉伸(ST)、平面拉伸(PT)以及等双轴拉伸(ET)等三类基本变形试验,考察6种常见超弹性本构模型对试验数据的拟合能力,探讨在三类基本试验不齐全情况下超弹性本构模型的预测能力和模型选取策略。结果表明,为尽量准确地描述橡胶材料的大变形和复杂变形行为,根据基本变形试验数据的齐全程度,对超弹性本构模型应采取不同的选取策略。在ST、PT和ET基本变形试验齐全的情况下,依次优先选用Ogden(N=3)、Yeoh和Arruda-Boyce模型;只有两类基本变形试验时,应包括ET试验,这时Ogden(N=3)模型对第三类变形行为给出准确模拟;仅有ST试验时,优先选取Arruda-Boyce模型。     

新型自复位黏弹性阻尼支撑力学性能研究

提出了一种新型的自复位黏弹性阻尼支撑(self-centering viscoelastic damping brace,SCVEDB),该支撑利用形状记忆合金的拉伸变形和黏弹性材料的剪切变形共同耗散能量,同时利用形状记忆合金的超弹性特性复位。设计和加工了SCVEDB最基本的模型,对该支撑试件进行了循环往复荷载作用下的力学性能试验,研究了位移幅值、加载速率、SMA丝数量、黏弹性材料的厚度对其性能的影响,同时通过割线刚度、耗散能量、等效阻尼比、自复位比4个参数量化分析了SCVEDB的力学性能。对SMA丝进行了循环拉伸试验,利用OpenSees平台建立了SMA的材料本构数值模型,然后将其与模拟黏弹性材料的Bouc-Wen模型并联,建立了该支撑的力学模型,进而模拟了支撑的力学性能,数值模拟结果与试验结果吻合较好。     

超弹性NiTi合金循环相变诱发塑性本构模型

为定量描述镍钛形状记忆合金循环相变诱发塑性导致的超弹性退化行为,在广义粘塑性框架下对Graesser模型进行了拓展,考虑了奥氏体和马氏体弹性模量的差异以及马氏体非线性硬化行为,引入循环相变过程中相变应力和残余应变的演化方程,建立了超弹性Ni Ti合金循环相变诱发塑性本构模型,总结了模型参数确定方法.通过镍钛形状记忆合金微管的循环相变试验结果和模拟结果的对比表明,提出的模型能够很好地预测镍钛形状记忆合金的循环相变诱发塑性行为。     

填充橡胶超弹性本构参数试验与应用

橡胶本构参数的精确性对橡胶结构力学分析的精度有至关重要的影响。开发一种基于图像分析的完整橡胶材料参数试验系统,并应用该系统对载重轮胎常用的橡胶进行了单轴拉伸、等双轴拉伸以及纯剪切的试验。在此基础上研究了多项式、Ogden以及Arruda-Boyce等流行橡胶本构关系的可靠性、稳定性与精度。结果表明双轴拉伸和纯剪切试验对确定可靠的橡胶本构是必不可少的。基于获得的橡胶本构参数对某全钢子午胎进行了充气和静载有限元分析,并进行了试验对比。分析证明轮胎接地压力、最大应变能密度等关键参数与橡胶本构参数有较大的相关性,二次多项式模型和Ogden模型在橡胶轮胎FEA中有较好的效果。