Prony级数形式的形状记忆聚合物有限应变黏弹性本构模型

为考察形状记忆聚合物（SMPs）的有限应变力学特性,将SMPs材料的弹性响应采用Neo-Hookean超弹性本构方程描述,黏性响应采用Prony级数描述,从经典遗传积分形式的黏弹性本构方程出发,推导出有限应变格式的黏弹性本构方程和相应的材料参数拟合公式.采用环氧基形状记忆树脂（ESMP）进行拉伸-松弛试验,利用推导的公式进行非线性拟合得到本构方程的参数.对不同温度下ESMP的黏弹性力学特性进行试验研究,表明在试验温度范围内随温度升高ESMP的初始模量降低,初始模量中黏性部分所占比例降低,但弹性部分模量值基本不变.针对三维的SMPs结构分析问题,基于所推导本构,应用ABAQUS软件建立数值模拟方法.对拉伸-松弛试验进行数值模拟,结果表明所推导的本构方程用于SMPs的大应变分析中具有较高准确性.此外,所推导的有限应变黏弹性本构方程及参数拟合公式也适用于具有黏弹性特点的其他各向同性高聚物.     

樊鹏玄

为考察形状记忆聚合物(SMPs)的有限应变力学特性,将SMPs材料的弹性响应采用Neo-Hookean超弹性本构方程描述,黏性响应采用Prony级数描述,从经典遗传积分形式的黏弹性本构方程出发,推导出有限应变格式的黏弹性本构方程和相应的材料参数拟合公式.采用环氧基形状记忆树脂(ESMP)进行拉伸 松弛试验,利用推导的公式进行非线性拟合得到本构方程的参数.对不同温度下ESMP的黏弹性力学特性进行试验研究,表明在试验温度范围内随温度升高ESMP的初始模量降低,初始模量中黏性部分所占比例降低,但弹性部分模量值基本不变.针对三维的SMPs结构分析问题,基于所推导本构,应用ABAQUS软件建立数值模拟方法.对拉伸 松弛试验进行数值模拟,结果表明所推导的本构方程用于SMPs的大应变分析中具有较高准确性.此外,所推导的有限应变黏弹性本构方程及参数拟合公式也适用于具有黏弹性特点的其他各向同性高聚物.     

一种考虑损伤的胶凝原油启动初始应力-应变模型

引入损伤变量（因子）,结合胶凝原油恒剪切速率启动过程的应力－应变特性,建立了考虑损伤的力学本构模型,经实验验证,新本构方程可很好地描述胶凝原油启动初始破坏过程的应力－应变关系。利用获得的本构方程参数,作出了相应条件下的损伤演化曲线,与应力－应变曲线结合分析发现,启动温度对胶凝原油结构损伤破坏过程影响最小,其不同条件下的损伤演化曲线基本重合;而启动剪切速率和静态降温幅度对损伤演化过程的影响相对较大,且随其值的增大,损伤演化过程表现出加速特性。     

基于混合物理论的饱和介质体应变本构模型

为了解决饱和多孔介质的建模问题,采用工程混合物理论建立了饱和多孔介质体积本构理论框架。首先,假定多孔固相与流相基质体积变形功相互独立,采用Terzaghi有效球应力、孔压和流体基质压力作为本构模型的应力状态变量,获得了固相、固相基质和流相基质体应变的余能表达式。其次,根据Lade和De Boer模型试验加卸载测试数据,建立了加卸载阶段饱和多孔白塞木立方体流固两相体积本构方程,推导了固相体积切线模量、Biot切线系数和流相Biot切线模量等力学参数计算公式。分析了加载阶段固相体积切线模量,Biot切线系数,流相Biot切线模量等力学参数随Terzaghi有效球应力和孔压变化规律。最后,根据本文体积本构模型和静力平衡方程建立了饱和多孔介质的一维固结方程,数值分析了饱和多孔白塞木立方体的固结特性,获得了固结度和沉降随时间变化曲线。研究表明,固相体积切线模量随Terzaghi有效球应力的增大而增大,随孔压 的增大而减小。Biot切线系数介于0.42~0.95之间,随Terzaghi有效球应力和孔压的增大而减小。流体Biot切线模量随Terzaghi有效球应力增大而先减小后增大,随孔压增大而减小。孔压切线系数在大多数情况下小于1.0。考虑固相基质变形时饱和多孔介质的初始孔压不等于外荷载,因此饱和多孔介质在外荷载作用下存在瞬时沉降。本文提出的建模方法可用于非线性饱和多孔介质的建模和数值分析工作。     

33Mn2V钢热变形本构方程研究

采用压缩实验法在Gleeble-1500热模拟实验机上测定了33Mn2V钢在恒定温度和恒定速度下的变形抗力.研究结果表明:33Mn2V钢热变形的流变应力随温度的升高和应变的增大而减小.以Kumar本构模型为基础建立了33Mn2V钢热变形的本构方程,同时也通过本构模型计算值与实验所得的数据进行比较,表明该模型能够满足工程应用精度.     

铸轧液固两相区本构方程

为研究金属在铸轧液固两相区的各种行为，根据变形基本理论，在液固两相区考虑粘弹性、粘塑性、温度、相变的影响，建立了包括粘弹性应变、粘塑性应变、固相率以及温度等影响因素的粘弹塑性本构方程．此方程不仅具有明确的物理意义，也具有实用价值。     

复合材料层合板粘弹性本构方程

本文从连续介质力学角度，用宏观哈象理论，给出了复合材料层结构变温下的线性粘弹性本构方程的一般形式，并将本构方程在时间域上离散，采用线性拉格郎日插值函数，导出积分型本构方程的递推公式，便于实际工程问题求解。     

火灾下钢筋混凝土结构热弹塑性变形分析

为了研究钢筋混凝土结构在火灾作用下的力学性能,利用弹塑性理论,根据材料不同的屈服法则,分别给出了钢筋和混凝土材料考虑温度变形和徐变变形热弹塑性问题的增量本构方程。考虑钢筋和混凝土力学性能随温度的变化,编制程序对钢筋混凝土简支板进行了非线性分析,并利用相关文献的试验结果,对本构方程的正确性和适用性进行了验证。对火灾作用下1榀单层单跨钢筋混凝土框架进行了非线性分析,并给出了部分节点位移随受火时间的变化规律。结果表明,钢筋混凝土结构在高温下会产生很大变形,钢筋混凝土框架梁柱节点位移随受火时间变化的曲线并不是呈单调变化趋势,有拐点存在,梁柱节点竖向位移值小于梁跨中节点值。     

面向金属切削过程数值模拟的材料本构方程和刀-屑摩擦特性

为了提高金属切削过程的数值模拟精度,围绕与其密切相关的材料本构方程和刀-屑摩擦特性展开研究。针对铝合金7050-T7451材料,采用分离式霍普金森压杆实验（Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB）获取材料本构方程,采用正交切削实验获取切削过程的刀-屑摩擦曲线。对AdvantEdge FEM软件进行二次开发,输入材料本构方程和刀-屑摩擦系数,研究切屑厚度、剪切角、应变、应变率等切削过程典型特征随切削参数的变化规律。结果表明：所提出的数值模拟方法对切削过程的典型特征具有很好的预测效果,在AdvantEdge FEM软件中输入合适的材料本构方程和刀-屑摩擦系数能够明显提高数值模拟精度。     

石墨烯增强铝基复合材料的热变形本构方程研究

采用热模拟实验机对石墨烯增强7075铝合金复合材料进行高温热压缩实验,变形温度为300～450℃、应变速率为0.001～1 s^-1,分析其在不同应变速率及温度条件下的高温流变应力特征,并以实验数据为基础,通过函数拟合确定包含应变、应变速率和温度等变形参数的双曲正弦本构方程。研究结果表明：铝基复合材料热压缩变形时流变应力随应变增加迅速增大,达到峰值应力后略有下降且出现锯齿状波动;给出的双曲正弦本构方程可以较好地描述流变应力与应变、应变速率及温度之间的关系,计算值与实验值吻合良好。     

Mg-9Gd-3Y合金热变形行为与本构关系

为了解决Mg-9Gd-3Y合金在热塑性变形过程中的本构关系问题,对Mg-9Gd-3Y合金进行了不同变形温度（653～753K）下采用不同应变速率（0.01～10s-1）的热压缩试验,利用载荷/位移数据建立真应力/真应变曲线和本构方程.结果表明：动态再结晶在晶界处较易发生,流变曲线显示出典型的动态再结晶特征,以及应力水平与变形温度和应变速率的关系.本构方程预测出的流变应力数据与相应的试验结果较一致.     

内压作用下球形孔洞膨胀损伤力学分析

为研究岩土材料爆炸损伤场的特点,采用受内压作用下的球形孔洞模型进行分析.利用连续介质损伤力学方法引入一个含损伤变量的自由能函数构造了损伤材料的本构方程;在此基础上,给出了球形孔洞膨胀的控制方程并应用初始损伤概念给出问题的边界条件,通过数值分析得出材料的损伤场;讨论了初始损伤和材料损伤指数对损伤区的影响.分析结果表明,损伤变量以及损伤区应力-应变场只在一定范围内连续,超过此范围材料需要采用新的本构方程加以描述.因此,损伤场的大小与材料性质、初始损伤都有关系,只有综合考虑这些影响因素,才能深入地理解材料的变形本质.     

弯管血管壁本构方程的理论研究

在已有的直管动脉壁本构方程研究基础上,提出一个理论方法来分析弯曲动脉壁的非线性弹性力学性质,在弯曲动脉壁被模拟为局部三重正交、横向同性、不可压缩和可经受大变形的厚壁材料下,作者从理论上建立了一个表达弯管动脉壁非线性弹性性质的三维ｅ指数型本构方程．另外文中还进一步探讨了弯曲动脉壁内的残余应变分析．本文听取得的这些成果,可为血流脉搏波沿弯曲动脉传播的数值分析以及弯曲血管壁本构方程的研究和残余应变和残余应力的分析奠定理论基础．     

火灾下钢筋混凝土热弹塑性徐变本构方程研究

火灾高温作用下钢筋和混凝土材料的力学性能变化非常复杂.为了研究钢筋混凝土材料的抗火性能,基于热弹塑性徐变理论,考虑了材料性能随温度的变化,并根据不同的屈服法则,推导出了钢筋和混凝土材料热弹塑性徐变问题的增量本构方程.采用了向后Euler积分法和隐式积分的广义中心法,根据给出的求解步骤对推导得出的钢筋和混凝土热弹塑性徐变本构方程进行了数值模拟,所得结果与现有试验模型基本吻合.从计算结果可以看出,高温下钢筋混凝土材料的徐变应变是不可忽略的,并且随着温度的升高而升高.该研究为进行钢筋混凝土结构在火灾高温作用下的耐火性能分析提供了理论依据.     

TC11钛合金高温塑性本构方程研究

有限元数值模拟技术的重大发展使得其在锻造加工研究领域中得到了越来越广泛的应用。本文通过实验,研究了TC11钛合金在高温条件下的塑性本构方程,本构方程是描述材料的基本信息和有限元模拟中不可缺少的数学模型,它反映了流动应力与应变、应变速率以及温度之间的依赖关系。为了建立本构方程,必须测量一定温度、应变速率范围内的流动应力值,这通常是由压缩试验来完成的。有限元模拟结果的有效性首先取决于本构方程的精确程度,所以,如何获取精确的本构方程成为锻造成形过程计算机模拟技术中的首要问题     

不同本构关系下基于剪切破坏准则的板料成形极限

本文应用剪切破坏准则,利用MATLAB编程软件,在Swift本构方程、修正Voce本构方程、修正Hockett本构方程模型下,基于Hill48、Gotoh、Barlat89、Mises4种屈服准则对材料AA5182、DP600与TRIP780进行成形极限理论计算.通过对比实验数据与理论结果具体分析不同本构方程与屈服准则对成形极限的影响.针对不同本构方程与屈服准则预测的结果选取适合该种材料的最佳成形极限曲线.     

形状记忆合金混杂复合材料弯曲变形的研究

为精确地预报形状记忆合金混杂复合材料的弯曲变形量及在不改变构件刚度的条件下增大其弯曲变形量,对该材料悬臂梁的弯曲变形进行了研究．采用板状形状记忆合金增大形状记忆合金的体积分数;通过测试形状记忆合金关键温度点上的回复应力与弹性模量,确定形状记忆合金本构方程中的有关变量,解本构方程获得各个温度下的回复应力与弹性模量．采用有限元方法进行计算,获得了悬臂梁弯曲变形的温度响应曲线．测试实验验证了计算的正确性．     

FCC晶体结构多晶铜的动态本构方程参数确定

以带有同步组装技术的分离式Hopkinson压杆作为热模拟装置，采用基于MTS(Mechanical Threshold Stress)模型建立的FCC晶体结构的动态本构方程，确定了多晶铜动态本构方程参数，研究了连铸多晶铜的动态冲击特性，获得的理论应力一应变曲线与实验结果相当吻合，但不能描述485～585K间回复与再结晶温度区间的变形。     

AA2050合金蠕变时效本构方程的改进

有限元法预测铝合金蠕变成形工件回弹量的关键是蠕变时效本构方程的构建,为更精确模拟铝合金蠕变时效成形过程,本文改进了文献[18]提出的AA2050合金蠕变时效本构方程,提出本构方程中微观组织相关参数的新算法。基于改进后的本构方程,模拟计算了Al-Cu-Li合金AA2050-T34试样受拉应力作用下的蠕变时效行为,计算结果与实验结果吻合良好。改进后的本构方程可用于模拟预测AA2050合金蠕变时效成形行为。     

聚氨酯泡沫材料的高温蠕变特性

在不同温度、应力条件下对聚氨酯泡沫进行蠕变实验研究,用Modified Time Harding模型对获得的蠕变 时间关系曲线拟合,得到高温条件下聚氨酯泡沫的蠕变本构方程。将拟合的模型及实验测得的稳态阶段的蠕变速率进行比较,发现聚氨酯高分子材料的蠕变特性与温度、应力水平有着重要的联系。随着温度的升高,应力水平的提高,材料的蠕变行为更加显著。高温蠕变曲线分为两个阶段：第一阶段,蠕变速率较大,且随着时间的增长,蠕变速率逐渐下降;第二个阶段,蠕变速率较小,且基本保持恒定。Modified Time Harding模型能够较好地预测聚氨酯材料在高温条件下的蠕变速率。