聚碳酸酯中应变率压缩力学特性研究

利用高速液压伺服试验机开展聚碳酸酯中应变率压缩实验,同时开展低、高应变率压缩的对比实验,验证了中应变率实验的有效性.基于不同温度下各应变率的压缩真实应力-应变曲线,获得了聚碳酸酯在中应变率压缩下的力学特征.结果表明:聚碳酸酯在中应变率下的压缩经历了弹性形变、屈服、应变软化和应变硬化四个阶段,材料力学行为的应变率和温度相关性表现为:提高应变率或降低温度,压缩屈服强度和屈服应变均增大;反之,升高温度或降低应变率,材料的应变软化更为显著.基于实验结果,构建了可描述聚碳酸酯中应变率压缩过程力学特征的 ZWT 非线性黏弹本构模型,该模型可为透明件结构设计与鸟撞仿真提供有力支撑.     

应变率对硫化橡胶压缩力学性能的影响

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)和材料实验机MTS810对硫化橡胶进行动态和准静态单轴压缩实验,获得硫化橡胶的应力-应变响应曲线,研究了应变率对其压缩力学性能的影响。实验结果表明,硫化橡胶在低应变率时的应变率效应不明显,然而在较高应变率时,应变率对其动态应力-应变关系有明显的影响,弹性模量、屈服应力以及流动应力都随应变率的增大而增大。采用基于应变能函数理论的橡胶本构模型来描述硫化橡胶压缩荷载下的力学行为。数值模拟了硫化橡胶的应力-应变历程,并与实验数据进行比较,结果显示两者吻合良好。     

一种弹芯用聚碳酸酯的动态力学性能研究及本构关系

为了研究一种弹芯用聚碳酸酯材料在冲击作用下的动态力学响应,利用材料试验机和SHPB装置对该材料在不同应变率条件下动静态压缩性能进行测试分析,获得了该聚碳酸酯材料不同应变率下的应力应变曲线,试验结果表明:聚碳酸酯材料的压缩过程呈现明显的黏弹性现象,其动静态屈服强度和模量随着应变率的增加而变大,塑性阶段表现为应变软化与应变硬化相互作用的结果,且不同应变率下塑性阶段的应力应变曲线切向模量近似相等;基于试验结果建立了描述聚碳酸酯材料大变形力学行为的黏弹塑性本构模型,并得到了该材料的本构方程。对比分析显示,该模型可以较准确地描述聚碳酸酯材料动静态压缩行为。     

数值模拟中细观泡孔构型对硅橡胶泡沫材料力学性能的影响

基于有限元方法模拟准静态单轴压缩过程中硅橡胶泡沫材料的力学响应,并基于硅橡胶泡沫材料的泡孔特征,建立具有均匀分布且球孔尺寸一致的周期性物理模型,采用多尺度结合有限元数值方法进行模拟。根据已有的实验数据,拟合了实体硅橡胶材料的唯像本构方程。多尺度模拟研究中,建立了四种不同的细观泡孔单元,模拟了四种细观泡孔单元在准静态单轴压缩条件下的力学响应。模拟结果表明,四种细观泡孔单元均具有典型的超弹性力学特性,不同泡孔构型能造成细观模型力学响应的显著差异,四种细观泡孔单元中应力最大差值超过300%。细观模型的力学性能通过数据传递机制传输到均匀化的宏观模型后,采用有限元方法对宏观模型进行数值模拟。结果表明:宏观模型具有典型的超弹性力学特性,不同的细观泡孔构型能导致宏观模型力学响应的显著差异,其中应力最大差值超过300%。     

基于不可逆热力学的Ni-Ti合金动态本构模型及其有限元实现

为了准确描述Ni-Ti形状记忆合金在高应变率下的动态压缩力学行为,基于不可逆热力学理论框架假定了两个内变量表征Ni-Ti合金应力诱发马氏体相变与塑性屈服的不可逆变形过程,分别推导了马氏体相变与塑性屈服演化规律的主控方程,构建了Ni-Ti合金的三维动态本构模型。根据材料单轴动态压缩实验的应力-应变曲线并采用最小二乘法对本构参数进行了优化识别,然后采用应力补偿更新算法,通过隐式用户子程序接口UMAT将动态本构模型嵌入ABAQUS有限元软件,实现了Ni-Ti合金在高应变率下动态压缩力学行为的数值模拟。通过比对发现,模拟结果与实验数据吻合良好,验证了动态本构模型与UMAT子程序的准确性。本工作为Ni-Ti合金在高速冲击、切削等极端条件下的工程应用奠定了基础。     

2.5D机织复合材料的渐进损伤与失效模拟

为了研究典型2.5D机织复合材料的压缩性能,开展了复合材料单胞结构的经向和纬向压缩实验,并通过对材料编织结构的细观表征,建立了细观尺度的单胞有限元模型来模拟压缩载荷下单胞内部的变形及渐进失效过程。结果表明,2.5D机织复合材料在受压时表现出明显的非线性力学响应,材料沿经向的压缩模量和强度均高于纬向;经向压缩时材料的主要破坏模式有经纱的横向开裂、纤维束间的界面分层破坏、纬纱的压溃及基体的开裂,纬向压缩时出现的主要破坏模式是纬纱的压溃、纬纱纤维束的断裂及基体开裂;通过对比试验与有限元结果,认为所建立的细观有限元模型能够准确预测材料单胞在压缩载荷下的应力-应变响应,并且能够模拟编织结构中的损伤起始和演化过程。      

聚碳酸酯透明板材的高温力学行为实验研究

在温度为175～200℃、应变率为0.001～0.1s-1的范围内通过Meissner新型拉伸流变仪对聚碳酸酯进行了恒应变率下的高温单轴拉伸实验.结果表明:聚碳酸酯的高温力学行为具有明显的温度效应和应变率效应,其真应力-真应变曲线存在明显的非线性.     

钨合金动态力学性能的三维数值模拟研究

采用数值模拟的方法对钨合金在冲击载荷作用下的动态力学响应进行了研究。运用有限元动力分析程序建立了具有典型微观结构钨合金三维有限元单胞模型,对钨合金在拉伸载荷作用下的动态力学性能进行了数值模拟研究,分析了应变率对其力学性能的影响,给出了不同应变率条件下单胞模型的应力和应变分布云图,在与实验结果对比的基础上验证了该有限元模型的可靠性。     

聚碳酸酯熔体挤压流变研究

鉴于现有流变仪不能直接表征挤压过程的应力-应变关系,本工作设计了恒定接触面积模式平板挤压流动装置,通过测量上平板压力及移动位移来表征熔体的流变特征,再通过理论建模和数值计算分别研究了幂律模型、PTT模型和XPP模型表征挤压过程的准确性。结果表明:聚碳酸酯熔体挤压应力随应变的增加而增大,当熔体温度降低、挤压速率升高时,挤压应力随应变表现出三段分布,而初始挤压间距不影响应力应变分布模式,仅仅影响挤压应力的大小;黏弹本构模型可以预测出挤压应力的变化趋势,其中XPP模型的预测值更接近实验结果。     

砂浆材料SHPB实验及惯性效应的数值模拟研究

进行了砂浆材料在不同应变率下的SHPB实验,拟合实验数据得到了动态强度放大因子DIF随应变率变化的关系曲线。基于实验测得应变率时程曲线,采用简化有限元模型,对实验进行了数值模拟。该文探讨了动态压缩实验中惯性效应产生的原因,并基于数值模拟对本实验中惯性效应对材料动态强度的影响进行了剥离,得到了砂浆材料动态强度放大因子随应变率变化的固有特性曲线,并将该固有特性曲线作为数值模拟中应变率效应的输入,计算结果与实验得到的应力-应变曲线吻合较好。进一步通过比较输入CEB推荐曲线和已有半经验公式的模拟结果,验证了所提出砂浆材料动态强度放大因子固有特性曲线的优越性。     

PC/ABS在高应变率下的压缩大变形

目的对PC/ABS在高应变率下的压缩大变形行为进行实验研究与模拟。方法在应变率为1600~5000 s~(-1),温度为293~353 K的范围内,选用霍普金森压杆获取其在高应变率、高温下的大变形行为;选用DSGZ本构模型,模拟PC/ABS在高应变率下的大变形。结果 PC/ABS大变形行为强烈依赖于应变率和温度,屈服应力随应变率增加或温度降低而升高,大变形行为包括弹性、屈服、应变软化和应变硬化。结论DSGZ本构可准确模拟PC/ABS在高应变率、高温下的大变形行为。     

碾压混凝土HJC动态本构模型修正及数值验证

研究高应变率冲击爆炸荷载作用下水工碾压混凝土大坝结构的动力响应,离不开对筑坝材料动态力学特性和本构关系的深入认识。参考实际水工混凝土大坝筑坝材料的配合比和施工方式,制备碾压混凝土试样,分别开展了静态压缩试验和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验,以探求碾压混凝土的动态力学特性。基于静、动态力学试验结果,对目前多用于描述混凝土类材料高应变率下力学行为的HJC模型的强度面、应变率增强效应和破坏准则进行了修正,并利用有限元计算手段,建立SHPB试验的数值模型,以验证修正HJC模型的有效性。结果表明:碾压混凝土在高应变率冲击荷载下的动态力学特性表现出明显的应变率效应,动态压缩强度随应变率增加而提高,且与试样尺寸有关。基于试验数据的改进HJC模型有效预测了碾压混凝土在高应变率冲击荷载作用下的动态力学行为,数值计算得到的重构应力——应变曲线基本与SHPB试验结果吻合,采用最大主应变失效准则模拟得到了与SHPB试验加载过程中接近的试样损伤破坏模式,研究成果可用于碾压混凝土结构的抗冲击爆炸设计中。     

双轴受压状态下的高延性纤维增强水泥基复合材料本构模型

基于Darwin和Pecknold考虑混凝土双轴力学行为的方法,建立一个同时考虑双轴受压状态下非线性力学行为和抗压强度变化的高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)二维正交各向异性本构模型。在因双轴加载而产生的正交各向异性的2个方向上引入等效单轴应变,建立非线性应力-等效单轴应变关系以考虑ECC的双轴非线性行为,并采用一条双轴强度包络线确定2个方向上的抗压强度。推导模型的显式数值算法,编写包含该算法的用户自定义材料子程序UMAT,并嵌于有限元计算程序ABAQUS v6.14中。通过对两组不同配合比的ECC试件在不同应力比下的双轴受压加载试验进行数值分析验证本模型的有效性。数值计算得到的主压应力方向上的应力-应变曲线及预测的抗压强度与试验结果吻合较好,表明该文提出的本构模型能够有效地预测ECC在双轴受压状态下的非线性力学行为和破坏强度。     

闭孔泡沫铝在动态加载下的压缩力学行为研究

为研究闭孔泡沫铝的动态压缩力学响应过程,基于典型泡沫铝试样的孔型和分布情况构建了Voronoi模型,根据实验结果验证了模型的准确性。基于LS-DYNA分析了目前泡沫铝常用的Kelvin模型和Voronoi模型之间的差异性,研究了加载速度、基体应变率效应和压缩惯性效应对闭孔泡沫铝变形模式和应力水平的影响规律。研究结果表明:Voronoi模型应力-应变水平和变形模式与实验结果拟合较好,内部结构比单胞阵列的Kelvin模型更趋真实合理;在低速压缩下,泡沫铝惯性效应基本上可以被忽略,而高速压缩下,受压缩惯性效应影响,泡沫铝平台应力随着加载速度的增大而增大;当考虑泡沫铝基体应变率效应时,泡沫铝平台应力水平会得到有效的改善,且泡沫铝整体呈现应变率效应。     

HISS模型在ABAQUS中的三维实现、验证和应用

分级单屈服面(HISS)模型的屈服面是单一光滑的函数,解决了“帽子”模型存在的数学不完备问题。该文介绍了HISS模型中非关联流动法则各向同性硬化的模型及其主要参数对屈服面的影响,使用MATLAB对一个高斯积分点进行加载试验,观测了在加载过程中应力路径及屈服面的变化;基于ABAQUS有限元程序提供的二次开发平台,首次编写了土体HISS模型的三维用户材料子程序。使用ABAQUS外接该文开发的用户子程序模拟了Leighton Buzzard砂土的4种三轴试验算例(静水压试验、常规三轴压缩试验、三轴压缩试验和三轴拉伸试验),并将计算得到的应力-应变关系和体积变化与实验观测结果对比,模型计算的结果与实验结果符合较好,验证了HISS模型用于砂土性质描述的适用性,并将模型用于分析分层路基的平板载荷试验。HISS模型三维子程序的实现为ABAQUS分析三维土体弹塑性问题提供了一种新的本构关系。     

聚碳酸酯的动态应力应变响应和屈服行为

测量聚碳酸酯在3.8×10-5 s-1到大约8000 s-1应变率范围内的单向压缩力学行为,研究了应变率对聚碳酸酯屈服应力的影响.结果表明:在应变率低于1 s-1时,聚碳酸酯先出现应变软化,然后出现稳定的塑性流动和应变硬化;在高应变率时,应力应变曲线的软化区域消失,屈服应力和屈服应变随着应变率的增大而增大.分析了高应变率时热软化与应变硬化的竞争机制,提出了描述宽应变率范围内聚碳酸酯的屈服应力与应变率关系的幂律型本构模型,能在较宽的应变率范围描述聚碳酸酯屈服应力与应变率的关系.     

复合材料层合板开口翻边补强试验和数值研究

对复合材料开口补强层合板进行压缩试验研究。对复合材料开口非补强和开口补强层合板建立有限元模型,采用三维8节点厚壳单元 ( S8R),分别利用非线性分析和线性分析方法对复合材料的应力-应变响应进行模拟。通过试验数据与数值结果对比发现,几何非线性分析方法较线弹性分析方法能更好地符合试验结果。通过编制材料子程序 (UMAT) 来预测材料的损伤萌生和扩展,预测的应力-应变响应、损伤扩展、失效强度基本与试验结果一致。      

基于非线性有限元法的印刷纸力学特性研究

利用流变学的基本理论,对印刷纸压缩流变特性进行理论分析和实验研究,表明印刷纸应力应变呈现出非线性关系,是典型的材料非线性问题.应用薄板非线性理论,对印刷纸粘弹性力学行为进行数值模拟研究,得出增量平衡方程.运用分析软件ANSYS建立有限元模型,得出应力应变关系曲线.有限元分析结果与理论分析和实验结果相一致,验证了模型的有效性.     

聚脲材料动态压缩力学行为的数值模拟研究

以聚脲材料动态压缩力学特性为研究对象,提出了考虑动态弹性模量、动态强度因子和动态切线模量的简化三直线弹塑性本构模型;基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,建立了低、中、高不同应变率下聚脲材料压缩有限元模型,并与实验结果进行对比分析。结果表明：动态弹性模量增大因子、动态强度因子和动态切线模量因子随应变率增加而有规律的增大,均和应变率的对数呈双线性关系。在中低应变率下,三者的线性关系斜率都比较平缓;在高应变率下,三者的线性关系斜率都比较陡,且弹性模量动态增大因子的斜率比动态强度因子的更大,而第二阶段动态切线模量因子的斜率与动态强度因子的基本一致,但第三阶段动态切线模量因子的斜率是动态强度因子的2.3倍左右,说明高应变率下聚脲材料的后期应力强化效应更加显著。聚脲材料的简化三直线弹塑性本构模型可以在ANSYS/LS-DYNA有限元软件中较好地实现。该文建立的有限元模型能较为准确地模拟聚脲材料压缩实验,进一步验证了简化弹塑性本构模型在不同应变率压缩加载下的有效性。该研究可以为聚脲涂覆加固防护结构有限元模型提供材料模型参数依据。     

2.5D机织复合材料压缩性能实验与数值模拟

为了研究2.5D机织复合材料的压缩损伤和失效机制,验证双尺度渐进损伤有限元数值模拟方法的有效性,对这类复合材料分别沿经纱方向和纬纱方向进行了准静态压缩实验,获得了其相应的应力-应变曲线,并测定了材料的初始弹性模量和极限强度。在此基础上,利用双尺度渐进损伤有限元数值方法模拟分析了材料的压缩应力-应变响应和损伤演化行为,取得了与实验吻合较好的模拟结果。结果表明:2.5D机织复合材料在纬向压缩下的主要失效模式是纬纱的轴向压溃与断裂,可获得相对较高的压缩强度;但在经向压缩下,经纱因弯曲会承受附加弯矩作用,从而对周围基体造成挤压,故在经纱轴向断裂之前容易出现经纱之间基体的压溃和纱线之间的分层开裂,使强度降低,不利于发挥纤维的承载优势。