A unified viscoplasticity constitutive model based on irreversible thermodynamics

A unified viscoplasticity constitutive model for metal materials is developed within the framework of irreversible thermodynamics, and an expression for the Helmholtz free energy function involving the parameters reflecting kinematic hardening and isotropic hardening is given. At the same time a non-associated flow potential function including the corresponding state variables is also given, from which the flow equation and the evolution equations of the internal state variables are derived. Thus, a general theoretical framework constructing a unified viscoplasticity constitutive model is given. Compared with the typical unified viscoplasticity constitutive models, the presented model evidently satisfies the irreversible thermodynamics laws. Moreover, this method not only provides a new theoretical foundation for further development of the unified viscoplasticity constitutive model, but also gives a new theoretical framework for the stress-strain analysis of more materials. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant NO. 90410012)     

基于三剪屈服准则的材料弹塑性统一本构方程

为了改进双剪统一强度理论公式的分段表达,克服双剪统一弹塑性本构模型在θ=θb点上的双重滑移角现象,考虑十二面体单元上所有三个主剪应力共同作用的三剪屈服准则建立了材料的弹塑性统一本构方程,该弹塑性统一本构方程适合于服从Tresca屈服准则到Von Mises屈服准则的全部材料。     

弹粘塑性问题的增量泛函及其变分原理

塑性应变率是反映固体材料在动力作用下处于塑性状态力学特性的一个重要因素,在塑性动力学的分析和计算中应考虑它.本文在弹粘塑性动力本构模型的基础上,利用泛函分析理论导出塑性动力学问题的增量泛函.     

考虑尺寸效应的厚壁圆筒统一塑性极限解

为了扩大传统厚壁圆筒塑性极限理论的应用范围,基于俞茂宏统一屈服准则和应变梯度塑性理论,对由拉压强度相等的线性硬化材料组成的受内压厚壁圆筒进行塑性极限分析,得到考虑尺寸效应的厚壁圆筒统一塑性极限解.该统一解可以适用于各种拉压强度相等的材料,现有相应的传统解均为它的特例.利用得到的统一解,分析圆筒塑性极限荷载的尺寸效应.结果表明,当厚壁圆筒的特征尺寸为μm量级时,塑性极限荷载有显著的尺寸效应.研究厚壁圆筒塑性极限荷载和材料硬化程度的关系,发现塑性极限荷载随着材料的硬化程度增加而增大.     

高速压制成形金属粉末的本构关系

在高速压制成形中,实验证实多次小能量冲击能达到甚至超过单次高能量冲击所获得的密度．本文根据金属粉末在2次高速压制成形中的变形特征,假设预压只发生弹性变形,第2次压制超过金属粉末的屈服强度,发生塑性变形．在ZWT模型基础上,考虑黏塑性及温度引起的应力软化效应,加入损伤因子和黏塑性项,建立了高速压制成形中金属粉末的热黏弹塑性本构关系．     

考虑热粘塑性钛合金动态本构关系及其实验验证

由于钛合金在冲击载荷的特殊力学性能,经典Johnson-Cook本构模型不能很好地描述钛合金在高应变率下的热粘塑性变形,以及因热粘塑性耗散而导致温度应力降低的定量关系。本文提出了功热转换系数β与应变率 之间的指数关系,发展了一种修正的Johnson-Cook模型,建立了应变率、热粘塑性耗散功与温度应力降低的函数关系,并引入以最小二乘法为目标函数的局域搜索优化算法,能快速确定修正方程中的各待定参数,最后采用修正本构模型的增量形式描述了Ti-6Al-4V钛合金在应变控制条件下,在不同应变率、温度下的单轴动态应力-应变曲线。数值模拟和文献中实验数据吻合良好,表明本文发展的确定修正本构方程中各待定参数的算法和程序,具有概念清晰、精度高简单实用的特点,建立的修正Johnson-Cook模型很好的描述钛合金在高应变率下的热粘塑性特性。     

A generalized plasticity model for the stress-strain and creep behavior of rockfill materials

The generalized plasticity constitutive equations that simulate, in a unified manner, the stress-strain response and the creep behavior of rockfill materials are derived using the concept of elastoplasticity. A single yield surface is assumed to capture the onset of plastic strains with, however, two separate potential functions for the stress-induced plastic strains and the creep strains,respectively. The involved tensors and scalars are then specified directly, following the generalized plasticity method, to substantiate the constitutive equations. The model thus obtained is verified using triaxial compression experiments, true triaxial experiments and triaxial creep experiments. The effectiveness of the model is also demonstrated by a successful application in studying the behavior of a high concrete face rockfill dam(CFRD). It is found that for a high CFRD with a long construction period, neglecting the creep of rockfill materials during construction results in an underestimation of the deformation of the dam.The deformation and stress of the concrete slabs may also be considerably underestimated.     

金属材料统一塑性模型及其应用

以统一屈服准则作为塑性势，建立了金属类材料的统一塑性模型，并将其应用于求解圆板的塑性极限载荷，所推出的有关公式可供参考。     

基于理想成形理论的板料设计

将基于理想成形理论的板料设计方法推广到一般的各向同性硬化的弹塑性材料。从理想成形的必要条件出发,推导了包括弹塑性理想成形的本构关系在内的有关板料设计公式。推导了线性三角形薄膜单元的变形运动学关系,采用线性三角薄膜元的有限元素法计算了一个弹塑性材料的轴对称拉深实例,并和刚塑性材料的计算结果以及边界元的计算结果进行了对比。结果表明,使用本文的方法可以取得较为精确的板料展开尺寸。该方法具有快速、准确以及实用面广的优点。     

基于热力学原理的混凝土热-力耦合本构模型

为了解决高温条件下混凝土材料力学性质描述的问题,基于热力学理论,将损伤理论与经典弹塑性理论结合,建立了一个考虑温度影响的混凝土热-力耦合本构模型,用于描述高温条件下混凝土材料的力学性质.基于热力学原理推导了考虑温度影响的弹性应变增量的表达式,并基于经典塑性理论,构造了一个考虑温度影响的硬化参数,推导出相应的塑性应变增量表达式,将上述2部分应变增量叠加得到混凝土热-力耦合本构模型的表达式.将模型预测结果与试验结果进行对比,符合良好,表明上述热-力耦合本构模型能够对高温条件下混凝土材料的力学性质进行较为准确的描述与预测.     

平均应力及塑性体积变形敏感材料全量型本构关系及其应用

对拉压性能相同的全量理论加以推广，使其成为能够反映具有塑性体积变形及平均应力敏感特点的拉压性能不同材料的本构模型，并用该本构模型进行了平面应变条件下厚壁圆筒的应力分析，由分析可凶，对于拉压性能不同材料，考虑到平均应力及塑性体积变形敏感时，是不能将其简化为拉压性能相同，体积不可压缩的理想材料的。     

Unified characteristics line theory of spacial axisymmetric plastic problem

The unified strength theory proposed by Yu in 1991 is extended to special axisymmetric problem. A unified special axismymmetric characteristics line theory based on the unified strength theory is proposed. This theory takes account of different effects of intermediate principal stress on yielding or failure and the SD effect (tensile-compression strength difference) of materials. Various conventional axisymmetric characteristics line theories, whihc are based on the Haar-von Karman plastic condition, Szczepinski hypothesis, Tresca criterion, von Mises criterion and Mohr-Coulomb theory, are special cases of the new theory. Besides, a series of new spacial axisymmetric characteristics fields for different materials can be introduced. It forms a unified spacial axisymmetric characteristics theory. Two examples are calculated with the new theory, the results are compared with those obtained by the finite element program UEPP and those based on the Mohr-Coulomb strength theory. It is shown that the new theory     

薄壁圆管截面空间梁系塑性及弹塑性矩阵

目前应用广泛的空间网壳结构,大多数均由高频焊接薄壁圆钢管作为基本结构单元,为了精确对该类结构进行弹塑性分析,必须获得材料的弹塑性本构关系。通过推导理想弹塑性材料,任意应力状态的塑性矩阵和弹塑性矩阵,并结合薄壁圆管截面空间梁系中微梁元的特殊应力状态,得出该类结构进入塑性状态后的本构关系。为空间网壳结构的弹塑性地震响应及抗震性能分析研究奠定了坚实基础。     

循环荷载三面本构模型及与实验结果比较

为探求形式简洁,参数较少,便于工程应用的循环本构模型,本文基于边界面模型和多面模型理论,建立了一个可描述金属材料三轴循环加载力学行为的三面本构模型.把塑性应变分解成塑性应变1和塑性应变2,塑性应变1对应于一套屈服面-边界面模型,塑性应变2对应于一套单屈服面模型.提出了当前应力点与边界面上对偶点之间距离的演变公式,基于一致性条件得出边界面模型中塑性模量的计算与运动硬化准则的联系.采用塑性应变作为硬化参数,应用关联流动法则计算塑性应变.相比于经典的边界面模型,本文模型形式简明;相比于前人修正随动硬化准则模型,本文模型需要的材料参数较少.结合金属稳定材料U71Mn的单轴循环实验结果,对其4种力学行为进行模拟,分析了非对称应力循环下平均应力和应力幅值对稳定材料棘轮效应的影响,以及对称应变循环下材料的最大应变幅值记忆效应.研究结果表明,本文模型的模拟结果与前人文献的实验结果一致性较好,可为研究材料的本构行为提供一条新的途径.     

杆件内时模型在柱偏压问题中的应用

将内时思想方法用于杆件本构研究中,建立截面内时本构模型,并将其与杆件有限单元法相结合,建立一种新型杆件恢复力模型——杆件内时模型,重点讨论杆件偏压条件下截面综合内时的定义及杆件内时模型对该问题的适用性．单柱偏压算例表明杆件内时模型具有以下特点：加、卸载本构方程统一,编程简单;弹性到塑性之间逐渐过渡;考虑弹塑性沿杆长的分布,计算得到的分布规律更符合实际;处理复合受力问题具有优越性．对于型钢柱的单、双偏压问题,采用本文的杆件内时模型进行弹塑性分析是可行的;对于钢筋混凝土柱偏压问题,本文模型可以近似用于小偏压,为使模型更加符合实际,应进一步寻找能够反映大、小偏压特性的截面内时模型．     

基于扭转试验的大变形本构关系分析

研究采用实心圆轴扭转试验标定大变形弹塑性本构关系时客观应力导数的影响问题.给出了在实心圆轴扭转试验中,几种常用旋率的具体形式.应用等向强化的J2流动塑性理论,建立了以扭转试验的应力-应变曲线为基准的,分别由Oldroyd、广义Jaumann应力导数和相对于变形率标架旋率的应力导数表述的大变形弹塑性本构关系.所得各本构关系中的塑性刚度函数与由Jaumann客观应力导数给出的塑性刚度函数形式相同,说明用扭转试验标定大变形弹塑性本构关系时,塑性刚度函数不受客观应力导数的影响,本构形式相对稳定.     

三剪统一屈服准则在柱形孔扩张问题中的应用

基于三剪统一屈服准则,通过用3条折线来描述土体的本构特征,对柱形孔扩张问题进行分析,考虑岩土材料的软化和剪胀特性,推导出柱形孔扩张问题下的应力场、应变场、扩张压力、塑性区半径的解析解。算例表明,临界扩孔压力随土的软化程度的减小而增大,在一定剪胀和软化程度下,临界扩孔压力随b的增大而增大。     

复合材料非线性蠕变的本构关系

本文以R.A.Schapery非线性热粘弹性本构关系为出发点,从理论上推导了各向同性复合材料蠕变的本构关系,并将之与经典的粘弹理论进行了比较.对正交各向异性复合材料给出了其蠕变的本构方程,并给出了一个算例.     

带空洞损伤的梁的纯弯曲

从弹性微结构理论出发研究了带空洞损伤线弹性材料的本构方程，把这种考虑损伤的本构方程应用到梁的纯弯曲．得到了关于梁的应力场、应变场、位移场和损伤场．通过简化与假设，其应力场、应变场可以得到与古典弹性力学关于梁的纯弯相同的结果．文中结果既验证了考虑损伤的本构方程的正确性，又在一定程度上更精确地反映了梁的受力及变形情况．     

位错理论在金属切削中的应用

位错理论已用于新型材料的研究,近年来开始用于金属加工包括铸锻加工和切削加工机理的研究.本文用位错理论来阐明材料在切削过程中的塑性变形、硬化和断裂的机理,以期在原子级的水平上揭示金属切削过程的物理本质,建立更准确更符合实际情况的切削过程的物理模型;优化切削过程以及提高加工效率和加工质量.本文还用位错理论指出研制新型刀具材料的途径.