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.     

粘弹性材料的微振子模型研究

针对利用粘弹性材料进行结构主被动控制的需要,建立了一套确定微子模型各参数的方法,并且与标准流变模型,分数导数模型以及试验结果进行比较,算例表明确定微振子模型各参数的方法有效,同时也表明微振子模型不但能准确描述粘弹性材料的本构关系,而且能与有限元方法相融合,建立二阶线性系统,能很方便地利用线性系统控制理论进行控制设计。     

基于GA-BFGS混合算法的多目标粘弹性模型参数优化

粘弹性材料的本构模型对复合结构的动力分析至关重要,一个精度高、结构简单的本构模型可以使系统分析简单、有效.本文首先采用动态力学热分析仪对一类沥青型阻尼材料进行力学特性测试,得出粘弹性沥青材料的存储模量,损耗模量及损耗因子随频率变化曲线.进而采用一种基于遗传算法(GA)和拟牛顿算法(BFGS)混合算法,对标准流变学模型(STD)、ADF模型以及GHM模型进行了参数优化,结合目标函数的优化结果,分析了各个模型的优缺点.研究表明:(1)GA-BFGS混合算法可以得到精确的全局最优解,且计算量不大.适合于该类问题的求解;(2)对于该类沥青型粘弹性阻尼材料,STD模型,ADF模型可以在较少的待定参数下得到较好的拟合结果;(3)由于ADF模型方便和有限元结合,更适合采用有限元方法对复杂结构分析.参数优化结果为该类阻尼材料的复合结构分析奠定了基础.     

阻尼减振材料滞弹性位移场模型参数寻优及计算

针对阻尼材料滞弹性位移场模型多参数、多目标、非线性优化问题,给出了一种粒子群算法与序列二次规划法相结合的多参数变量寻优解法,并将模型优化结果与标准流变学模型、分数导数模型及试验结果进行了比较。基于ADF数学模型建立了粘弹性集中参数系统及阻尼夹芯板结构的动力学方程,并进行了结构模态响应分析及阻尼预测。计算结果表明：该组合寻优解法不仅能得到较好的最优解,而且确定出的模型参数准确可信,优化后的ADF模型能很好的再现阻尼材料的本构特征。     

阻尼减振材料滞弹性位移场模型参数寻优及其应用

针对阻尼材料滞弹性位移场模型多参数、多目标、非线性优化问题,给出了一种粒子群算法与序列二次规划法相结合的多参数变量寻优解法,并将模型优化结果与标准流变学模型、分数导数模型及试验结果进行了比较。基于ADF数学模型建立了粘弹性集中参数系统及阻尼夹芯板结构的动力学方程,并进行了结构模态响应分析及阻尼预测。计算结果表明:该组合寻优解法不仅能得到较好的最优解,而且确定出的模型参数准确可信,优化后的ADF模型能很好的再现阻尼材料的本构特征。     

约束层阻尼夹芯板动态特性分析

本文给出了新的建立约束层阻尼薄板动力学模型的方法。粘弹性材料的本构关系随温度和频率变化,难以对粘弹结构进行动特性分析及控制研究,本文采用GHM方法描述弹性材料的本构关系,将粘弹性材料的动力特性描述与工程上最常用的有限元分析结合起来,建立了悬臂约束层阻尼板的动力学模型,计算了约束层阻尼夹芯悬臂板的模态参数,计算结果同其它方法相比,精度高且更接近于实验结果,同时与ANSYS5.5及NASTRAN70.7的计算结果基本一致,表明本文给出的方法是准确可靠的。     

磁致伸缩层合悬臂梁式作动器的振动分析

为了分析磁致伸缩薄膜型层合悬臂梁式作动器的振动问题,应用磁致伸缩材料的非线性本构关系,由哈密尔顿原理导出了双层悬臂梁的振动微分方程。采用分离变量方法和常微分方程组的解析解法对磁致伸缩薄膜型层合悬臂梁的自由振动和受迫振动进行了理论分析。数值算例表明本文计算结果与有限元结果吻合较好,从而佐证了本文理论模型和求解方法的正确性,并讨论了几何参数、材料参数对层合梁固有频率的影响。还分析了在周期输入磁场激励下悬臂梁的挠度响应,且挠度响应呈现出倍频效应的动态特性。      

麦秆发泡包装衬垫非线性粘弹性模型及参数识别

由非线性粘弹性材料的一维Volterra-Frecher积分型本构方程推导得出了非线性粘弹性材料的一维微分型本构方程,建立了麦秆发泡包装衬垫的非线性粘弹性模型。根据在一种跌落高度、一种衬垫厚度和静态应力条件下的麦秆发泡包装衬垫的动态压缩试验数据,识别出了其缓冲性能模型参数。     

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。     

不同形状弹体高速冲击下复合材料层板损伤分析

根据纤维增强复合材料宏细观结构,基于纤维的线弹性假设和基体的粘弹性假设,推导了单向复合材料粘弹性损伤本构关系。在此基础上,结合Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别,通过界面单元模拟层间分层损伤,采用非线性有限元方法,建立了复合材料层板高速冲击损伤有限元分析模型。利用该模型,深入研究了不同形状弹体高速冲击下复合材料层板的弹道性能和损伤特性,探讨了相关参数对冲击损伤的影响规律,获得了一些有价值的结论。     

基于广义Kelvin链钢管混凝土徐变研究

混凝土徐变是混凝土材料本身固有的一个时变特性,是结构响应中一个重要组成部分,其计算方法通常是建立在单轴试验和理论基础上。为探讨钢管混凝土徐变特性,该文采用自制的压力自平衡混凝土徐变试验装置对混凝土圆柱和圆钢管混凝土柱进行了徐变试验,结果表明:钢管混凝土柱徐变变形要比普通混凝土柱的徐变变形小,在该文试验中两者相差接近50%,这可能是密闭钢管内核心混凝土无法与外界发生水分交换而不发生干燥收缩和干燥徐变以及钢管围压所致。根据粘弹性理论,引入多参数Kelvin链粘弹性元件模型,建立了求解单轴应力状态下混凝土徐变的Volterra型积分方程,模型参数近似表示为连续粘滞谱。通过离散时间变量t和分步积分,进一步得到了单轴应力状态下混凝土徐变应力-应变增量本构模型。依据徐变叠加原理,考虑Poisson效应,进一步将单轴应力状态下混凝土徐变应力-应变增量本构模型拓展到三轴应力状态,用于钢管混凝土徐变分析。对有限元商用软件Ansys进行二次开发,将反映三轴应力状态下混凝土徐变性能的本构方程引入Ansys提供的用户子程序Usermat中,并采用Fortran语言编程,从而实现了钢管混凝土徐变长期性能的有限元分析计算。将有限元数值解与试验结果进行对比分析,发现该文提出的模型是科学的和有效的。该文提出的方法将为混凝土徐变计算提供了另一条有效途径。     

Analysis of viscoelastic behaviour of transversely isotropic materials

In this paper a constitutive equation to describe the mechanical behaviour of materials, reinforced with unidirectional fibres, is presented. The material behaviour of both matrix and fibres may be viscoelastic. The constitutive equation is a linear relation between the second Piola–Kirchhoff stress tensor and the Green–Lagrange strain tensor. The effective relaxation functions in the constitutive equation are composed of component relaxation functions employing the structural model of Hashin and Rosen. A two-dimensional membrane element incorporating this constitutive equation is implemented in a finite element program. The results of several calculations are presented in order to demonstrate the possibilities of the numerical tool. One calculation concerns a square membrane with a circular hole in its centre. The effect of fibre orientation on deformation and stresses will be displayed for this structure as well as for another membrane structure.     

形状记忆合金/聚合物有效时变和伪弹性响应的变分渐近细观力学

为有效模拟形状记忆合金增强聚合物基复合材料(SMA/PMCs)有效时变和伪弹性响应,基于变分渐近理论框架构建增量型细观力学模型。首先分别导出聚合物和形状记忆合金增量本构方程,建立统一的本构方程;以此为基础推导出能量泛函的变分表达式。考虑材料的时变和非线性特征,建立与求解切向瞬时有效矩阵有关的增量过程,并通过有限元数值实现。通过数值算例表明:构建的模型可用于模拟SMA/PMCs在不同加载率和温度下的有效时变、伪弹性响应,准确捕捉聚合物基体黏弹性诱发的复合材料率相关、滞回行为等。     

含金属芯压电压磁纤维/聚合物基复合材料时变、非线性和多物理场响应的细观力学模型

为有效模拟新型多功能智能材料——金属芯压电压磁纤维/聚合物基复合材料(MPPF/PMCs)的有效时变、非线性和多物理场响应,基于变分渐近法建立增量形式的细观力学模型。首先分别导出聚合物、压电压磁材料和金属芯的增量本构关系,建立统一的本构方程;以此为基础,推导出能量变化泛函的变分表达式。考虑材料的时变和非线性特征,建立与求解瞬时切线电-磁-力耦合矩阵有关的增量过程;通过最小化近似泛函求解场变量的波动函数,并通过有限元数值实现,从而建立逼近物理和工程真实性的细观力学模型。通过含铝芯压电(BaTiO_3)压磁(CoFe_2O_4)聚合物基复合材料算例表明:构建的模型可用于模拟不同多物理场下MPPF/PMCs的有效响应,可准确捕捉纤维与基体间的应力突变现象。     

聚氨酯隔振器特性的有限元分析

利用不同的本构模型对聚氨酯材料的实际应力－应变曲线进行拟合,运用ABAQUS软件的超弹性材料评估功能,得出了适合聚氨酯材料的最佳本构模型。基于该本构模型,对一种新型聚氨酯隔振器的静、动态性能进行有限元分析,得到了隔振器的主要性能指标。通过隔振器的试验,验证了有限元分析的有效性,对聚氨酯材料在新型隔振元件设计中的应用具有一定的指导意义。     

复合共挤成型中挤出胀大的三维粘弹数值模拟

采用Phan-Thien and Tanner(PTT)本构方程,建立了矩形截面共挤口模内外两种聚合物熔体流动的三维粘弹数值模型,有限元模拟了聚丙烯/聚苯乙烯(PP/PS)共挤过程中的挤出胀大现象,并用实验验证了模拟结果。研究表明:当入口体积流量相同时,两熔体挤出口模后会朝向黏度较高的PS熔体一侧偏转,型材截面呈非对称畸变。两熔体在垂直挤出方向上的速度分布导致了挤出胀大过程中熔体的偏转流动,而口模出口处的剪切速率分布基本决定了共挤型材截面的形状。实验结果与模拟结果基本相符,模拟所得挤出胀大率比实际值大8.6%。等温假设是影响共挤出胀大数值模拟准确度的主要因素。     

Fatigue life prediction method of face-centered cubic single-crystal metals under multiaxial nonproportional loading based on structural mechanical model

Based on the characteristics of the sliding surface, sliding direction, and fatigue damage mechanism of metal materials, the mechanical model of a body–bar–plate structure is proposed with consideration to the plastic damage mechanism. The elastoplastic constitutive equations and damage constitutive equations of the face-centered cubic (FCC) structure subjected to multiaxial cyclic loading were derived, and the damage evolution law of the body–bar–plate mechanical model was investigated. Then, the meso-damage evolution equation was established under multiaxial nonproportional loading. Subsequently, the relationship between the fatigue performance and microstructure under multiaxial nonproportional loading was investigated, and a damage mechanics–finite element method (FEM) with consideration to the damage evolution is proposed. The proposed model and method provide a new approach for predicting the fatigue life of metal materials.     

A Cauchy‐stress based solution for a necking elastic constitutive model under large deformation

A finite element based method for solution of large‐deformation hyperelastic constitutive models is developed, which solves the Cauchy‐stress balance equation using a single rotation of stress from principal directions to a fixed co‐ordinate system. Features of the method include stress computation by central differencing of the hyperelastic energy function, mixed integration‐order incompressibility enforcement, and an iterative solution method that employs notional ‘small strain’ stiffness. The method is applied to an interesting and difficult elastic model that replicates polymer ‘necking’; the method is shown to give good agreement with published results from a well‐established finite element package, and with published experimental results. It is shown that details of the manner in which incompressibility is enforced affects whether key experimental phenomena are clearly resolved. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

Modeling constitutive relationship of Ti40 alloy using artificial neural network

Constitutive relationship equation reflects the highly non-linear relationship of flow stress as function of strain, strain rate and temperature. It is a necessary mathematical model that describes basic information of materials deformation and finite element simulation. In this paper, based on the experimental data obtained from Gleeble-1500 Thermal Simulator, the constitutive relationship model for Ti40 alloy has been developed using back propagation (BP) neural network. The predicted flow stress values were compared with the experimental values. It was found that the absolute relative error between predicted and experimental data is less than 8.0%, which shows that predicted flow stress by artificial neural network (ANN) model is in good agreement with experimental results. Moreover, the ANN model could describe the whole deforming process better, indicating that the present model can provide a convenient and effective way to establish the constitutive relationship for Ti40 alloy.