复合材料蠕变本构关系及实验测定Ⅱ实验测定

在前一部分,本文得到复合材料蠕变的本构关系,在此基础上,本文进一步分析了复合材料蠕变本构关系的具体形式,实验测得了长纤维增强复合材料在蠕变、恢复两个阶段的应变,以用来确定本构关系中的待定参数,考虑到本构关系为复杂的非线性方程,本文提出了用离散变量和最小二乘法联合的方法确定参数,进而拟合蠕变本构关系的理论公式,分离出了蠕变过程中的弹性变形、粘弹性变形和粘塑性变形,对本构关系中的几个参函数,本文根据有限的实验数据拟合了其函数。      

复合材料蠕变本构关系及实验测定Ⅰ.本构关系

蠕变是复合材料最重要的力学性能之一,实验表明:复合材料在蠕变条件下的变形可以分为弹性变形、粘弹性变形和粘塑性变形.应用不可逆过程的热力学和广义变量的概念可以分析材料的蠕变变形.本文首先回顾了热力学的基本方程;基于Schapery本构关系的假设和思路推导了蠕变本构关系的一般形式,其中包括弹性变形、粘弹性变形和粘塑性变形;考虑到广义力选取的不唯一性,本文提出了广义力选取的原则以使得到的本构关系尽可能地简单;由此本文给出了复合材料的一维蠕变,各向同性复合材料的二维蠕变和纤维增强复合材料平面内的蠕变的本构关系.     

沥青砂混合料粘弹塑力学特性研究

在0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.25MPa和0.3MPa下进行了沥青砂试样单轴压缩和蠕变实验,分析了其压缩和蠕变性质,根据变形机理提出了粘弹塑本构模型可由粘弹性和粘塑性的两个子模型串联构成,通过对粘塑性子模型中粘性系数进行改进,理论推导了模型蠕变本构方程,确定了模型参数,并求得模型参数与加载应力函数关系。进行模型预测与实验结果对比,结果表明:该模型能够描述沥青砂试样在不同应力下蠕变变形的3个阶段,反映了沥青砂混合料粘弹塑变形特点。     

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。      

蠕变对SMC复合材料动态粘弹性能的影响

本文采用蠕变-振动实验方法,对一种 SMC 短纤维增强复合材料,考察了在不同加载时间和温度下恒载蠕变对其动态力学参量的影响,拟合了该材料的本构关系。实验结果表明:经不同时间和温度下蠕变变形后,其动态弹性模量 E 都产生不同程度的下降,其损耗因子 tgδ都呈上升趋势。随着蠕变时间的延长和温度的提高。它们的相对改变量变化越大。但在常温下动态弹性模量随蠕变时间无明显变化;在随温度上升中,损耗因子对不同的蠕变时间具有相似的变化趋势。     

超塑性本构模型材料参数识别方法研究

金泉林等提出的超塑性本构关系考虑了三种微观变形机制和晶粒生长过程,但单纯依靠实验很难准确的测定该本构关系的材料参数。应用遗传算法和Levenberg-Marquardt算法,以Ti-6Al-4V为例,识别该超塑性本构关系中的材料参数。计算结果和实验结果符合的很好。最后讨论了各种微观变形机制的体积分数与应变、应变率和晶粒尺寸之间的关系,发现在大部分情况下扩散蠕变机制对超塑变形的贡献可以忽略。     

蠕变对SMC复合材料动态粘弹性能的影响

本文采用蠕变－振动实验方法，对一种ＳＭＣ短纤维增强复合材料，考察了在不同加载时间和温度下恒载蠕变对其动态力学参量的影响，拟合了该材料的本构关系。实验结果表明：经不同时间和温度下蠕变变形后，其动态弹性模量Ｅ都产生不同程度的下降，其损耗因子ｔｇδ都呈上升趋势。随着蠕变时间的延长和温度的提高，它们的相对改变量变化越大。但在常温下动态弹性模量随蠕变时间无明显变化；在随温度上升中，损耗因子对不同的蠕变时间…     

VPF粘性介质粘弹性本构关系研究

为研究粘性介质的力学性能对板材变形的影响,通过剪切蠕变-回复和松弛试验分析了甲基乙烯基粘性介质的流变性能.实验结果表明粘性介质可以简化为线性粘弹性材料.建立了粘性介质的积分型粘弹性本构方程,并结合剪切蠕变-回复过程的有限元分析确定了方程中的材料参数.利用该本构方程对粘性介质压力胀形过程进行了有限元分析,模拟结果与试验结果对比表明,所建立的本构方程可以较好的预测板材的变形过程.     

一种新的聚合物基复合材料应力松弛经验模型

视黏弹性元件弹簧和粘壶的特性参数为时间的函数,建立双变参Maxwell模型,求解其本构方程及松弛函数,探讨了其松弛函数与经验KWW函数的关系,提出了一种新的应力松弛经验模型。运用最小二乘原理,建立该模型参数的确定方法。开展了玻璃纤维增强聚合物(GFRP)复合材料的长期应力松弛实验,并通过实验数据的分析验证了该模型的正确性。研究表明,新应力松弛经验模型拟合曲线与实测曲线吻合较好,相关系数达到96%以上,说明了该模型适合描述GFRP复合材料的黏弹性松弛特性。     

GH2901镍基合金蠕变及疲劳的实验和数值研究

以GH2901高温合金为研究对象,通过实验测定了其在500℃下,730 MPa和850 MPa的恒定单轴拉伸力作用下的蠕变应变与时间的关系曲线。然后基于该曲线采用组合时间强化蠕变本构方程对其进行函数拟合,并获得相应的蠕变本构方程。通过该方程采用蠕变有限元计算和疲劳寿命的计算,获得了该合金的应变规律及使用寿命情况。分析结果表明:该合金在500℃,730 MPa恒定应力作用10h,蠕变应变值为0.002553~0.010767,总应变值为0.0027544~0.012411。该数据表明,率无关应变值(弹性应变加率无关塑性应变)相对于蠕变应变值(率相关塑性应变)来说非常微小,约为其1/10。     

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。     

基于Norton-Bailey模型的P92钢初期蠕变过程分析

以Norton-Bailey时间硬化模型和Kachanov损伤模型为基础,提出一种能够全面描述蠕变全寿命期蠕变变形发展的本构模型。与Norton-Bailey模型相比,该模型可以更准确地反映蠕变第一阶段的变形累积,以Kachanov损伤演化方程描述蠕变第三阶段的变化;推导模型第一阶段和第三阶段的参数确定方法;根据实验数据,确定P92钢的模型参数。将该模型嵌入到在ANSYS接口程序中,并用于高温合金钢P92的蠕变寿命计算,结果表明模型与实验数据基本吻合。     

三维机织复合材料多尺度黏弹性分析

建立了一种三维机织复合材料多尺度的黏弹性分析模型。首先构造了微观尺度纱线束胞元和细观尺度复合材料周期结构胞元两级有限元模型, 由微观尺度胞元分析得到纱线束的弹性常数, 再代入细观尺度胞元计算出复合材料的平均弹性常数。两级胞元模型均施加周期边界条件, 保证了胞元边界上位移和应力满足周期性和连续性。随后分别建立了树脂基体和浸润树脂纱线束的蠕变模型, 用实验标定树脂的蠕变参数, 代入微观尺度胞元进行蠕变计算来修正纱线束蠕变模型的参数。最后将树脂和纱线束的蠕变本构关系应用于细观尺度胞元, 得到材料宏观平均的应力-应变响应, 模拟了三维机织复合材料的蠕变实验曲线。本文模型对于该种复合材料弹性常数和蠕变性能的预测, 均与实验吻合。      

树脂基三维编织复合材料粘弹性能的数值预报

建立了基于三细胞模型数值预报三维编织复合材料粘弹性能的方法。首先构造了三维编织复合材料的三细胞模型并施加周期性边界条件,随后利用标准线性固体模型模拟树脂基体的粘弹性能,导出基体的松弛模量,再通过有限元计算及Prony级数拟合,得到三种胞元的粘弹性参数。然后根据三种胞元的体积分数和粘弹性参数,利用三个标准线性固体模型并联,模拟得到三维编织复合材料沿编织方向的粘弹性参数和蠕变本构关系。最后,分析了编织角和纤维体积含量对粘弹性能的影响。     

富水软岩流变扰动效应实验及本构模型研究

动力扰动下的深部富水软岩巷道流变变形量大,变形速率快是导致巷道支护困难和发生蠕变型冲击地压的主要原因。为了研究富水软岩在动力扰动下蠕变特性及本构模型,采用自主研发的岩石流变扰动效应实验仪对不同含水率软岩进行分级加载流变扰动效应试验,实验结果表明:施加扰动的瞬间软岩都会出现变形突然增大,随后该变形值会有不同程度的回弹,最后在此基础上变形持续发展;当应力水平较小和含水率不高的情况下,扰动变形速率随着扰动能量的增加而缓慢增大,而当应力水平较高和含水率较大时,扰动变形速率随着扰动能量的增加快速增大,使岩石试件迅速破坏;推导了扰动能量的扰动状态方程,在此基础上建立了富水软岩流变扰动效应本构模型,并对参数进行识别与验证;模型拟合曲线与实验值吻合效果良好,验证所建模型可正确描述动力扰动下富水软岩蠕变特性,该成果可为今后展开此类问题的研究提供一定的参考。     

竖向集中力作用下分数导数型半无限体粘弹性地基变形分析

研究成果表明地基土体具有粘弹性性质,在长期荷载作用下会产生蠕变变形。为了准确预测地基变形,必须建立精确的土体本构模型。分数导数粘弹性模型具有精确度高,确定模型所需的实验参数少,应用范围广的特点。针对半无限体粘弹性地基,采用分数导数粘弹性本构模型模拟土的力学行为,运用弹性-粘弹性对应原理分析了粘弹性地基的变形。研究发现,采用分数导数粘弹性本构模型得到的地基沉降量较经典粘弹性模型要小,经典粘弹性模型不能很好地反映集中力对周围地基沉降的影响以及地基的蠕变性质。     

纤维缠绕壳体材料非线性及大变形分析计算

论述了Jones-N elson-Morgan 模型的构成原理及其参数的确定方法, 利用这个模型研究了纤维缠绕复合材料的非线性本构关系。推导和建立了纤维缠绕壳体大变形有限元公式和有限元模型。在同时考虑材料非线性和大变形情况下对纤维缠绕壳体内压进行了有限元分析计算, 获得了与实验结果符合较好的理论预报结果。      

沥青砂粘弹特性实验研究

进行了沥青砂在不同加载应力和不同实验温度下单轴压缩蠕变实验,得到其在不同实验条件下的蠕变曲线,选择Burgers模型,编制非线性拟合程序,求得模型参数值,通过相关性分析,得到了模型参数与温度和应力函数关系式,分析了模型参数对沥青砂蠕变性能的影响,最后进行模型预测值与实验结果对比,结果表明Burgers模型能够描述沥青砂蠕变过程的第一阶段、第二阶段,反映了其粘弹特性。     

沥青砂粘弹塑蠕变损伤本构模型实验研究

针对沥青砂的非线性材料特性,结合连续损伤力学理论,对传统Burgers模型进行改造,提出了粘弹塑蠕变损伤本构模型,通过对不同实验条件下沥青砂单轴蠕变试验结果的非线性拟合,获得模型参数,然后利用模型进行预测分析,得到了不同应力水平与环境温度下的蠕变曲线和损伤演化曲线,通过比较发现该文模型能够更合理地反映沥青砂加速蠕变的非线性特征,而且蠕变过程中损伤演化的速度受蠕变时间、应力水平与环境温度的影响很大。     

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。