橡胶-帘线增强复合材料的本构模型及数值模拟

针对有两族帘线的橡胶—帘线增强复合材料,基于Spencer的连续介质力学不变量理论,提出了一种非线性超弹性本构模型。通过引入两个帘线排列方向的结构张量把单位体积的自由应变能分解为便于参数识别的体积变形、等容变形和各向异性变形三部分。分别用纯橡胶单轴拉伸实验,沿帘线方向单轴拉伸实验数据拟合得到等容变形和各向异性变形的材料参数。通过COMSOL弱形式偏微分方程,对橡胶-帘线增强复合材料在有限变形下的单轴拉伸进行数值模拟。预测了帘线在不同排列方向条件下的力学性能,为轮胎的力学分析打下了坚实的基础。     

E-玻璃纤维2D编织层铺增强复合材料的损伤力学本构模型及应用

由拉伸试验获得E-玻璃纤维2D编织层铺增强树脂基复合材料的力学性能,通过弹性力学推导出材料正交各向异性的本构关系,并对本构关系中的刚度矩阵进行数值解析,得到复合材料的弹性本构方程;将结果应用于Hashin强度准则,建立了以连续损伤力学为基础的正交各向异性损伤本构模型。将所建立的弹性及损伤本构关系赋予层合板三维模型,通过ABAQUS/Explicit软件模拟弹丸冲击复合材料层合板的过程,并对模拟结果进行分析。结果表明:当冲击载荷达到材料的临界损伤值(732N)时层合板发生破裂,并在24μs达到最大变形量,此时应力重新分配,且复合材料横截面上的应力在中心处从0向外逐渐增大到509.8MPa;在冲击整个过程中,材料的损伤从中心向四周呈放射状递减。     

基于MSC.Marc接口的机织物悬垂屈曲数值模拟

利用MSC.Marc软件良好的开放性语言接口,引入机织物的细观力学本构模型,建立完整的适合进行机织物悬垂屈曲模拟的数值分析方法模型,模拟机织物在自重作用下的悬垂及屈曲.与目前研究者将机织物看作是正交异性的连续体不同,该本构模型能更好地描述机织物由其特有细观机织结构所具有的某些力学性质.应用该本构模型,采用大变形曲壳单元,对机织物的悬垂屈曲进行数值模拟,分析机织物面内的压缩模量在屈曲分析中的重要作用,并给出机织物变形的动态过程模拟.试验结果表明,采用该本构模型显著提高了机织物悬垂屈曲的数值模拟精度.研究成果为服装CAD中"试衣系统"的研制提供了理论和技术基础.     

基于循环拉-压试验的混合硬化模型参数确定及模型应用

材料弹塑性本构模型是影响有限元模拟精度的最重要因素,混合硬化本构模型能较准确表现材料塑性变形过程真实硬化特征,而本构模型中材料特性相关参数是否准确直接影响到有限元模拟的精度。基于Hill48各向异性屈服准则,结合Voce各向同性硬化模型和Armstrong-Frederic非线性随动硬化模型,建立一个考虑材料各向异性和Bauschinger效应的混合硬化弹塑性本构模型。通过循环拉伸-压缩试验,获得DC54D+ZF镀锌板的循环变形应力-应变曲线,并利用通用全局优化算法,根据单向应力状态混合硬化本构方程,准确地确定了混合硬化模型中的材料特性参数。最后,使用ABAQUS有限元软件对板材循环拉伸-压缩问题和板材过拉深筋问题进行该本构模型的适用性分析,验证了所建立的各向异性混合硬化材料本构模型的可靠性和精确性。循环拉伸-压缩试验是直接准确地获得本构模型材料参数的有效方法。     

热塑性聚氨酯复合纤维布料拉伸过程的超弹性和黏弹性本构模型

通过拉伸试验,分别考虑涂层的影响以及拉伸时间、拉伸速度、黏弹性应力与反作用力对初始应力的影响,建立了改进后的热塑性聚氨酯复合纤维布料及其单股纤维束的超弹性本构模型和黏弹性本构模型,预测了拉伸过程的应力-应变和应力松弛曲线,并与试验结果进行对比.结果表明:建立的超弹性本构模型能较准确地预测布料及其单股纤维束的应力-应变曲...     

隔振橡胶材料超弹性本构模型适用性研究

填充橡胶材料在工程减隔振结构中广泛应用，对其超弹性力学特性的准确模拟对工程结构的服役性能准确预测至关重要。针对一种隔振橡胶材料试样进行了单轴拉伸(UT)、单轴压缩(UC)和简单剪切(SS)试验等3种基本材料力学试验，对其超弹性力学行为进行了表征，讨论了在3种力学试验数据不全的情况下4种常用超弹性本构模型预测其他变形模式的能力，并提出了3个误差评价指标和1个拟合优度系数R来评价拟合精度。最后，根据研究结果，讨论了不同试验条件下超弹性材料本构模型的适用性并给出了选择建议。     

环形丁腈橡胶件静刚度的有限元模拟

对矩形丁腈橡胶件进行静态拉伸试验,通过对试验得到的应力、应变数据进行拟合,得到了Mooney-Rivlin超弹性本构模型参数,利用此本构模型对环形丁腈橡胶件进行静压缩有限元模拟,进行了试验验证,并分析了环形丁腈橡胶件的壁厚、外径以及温度对其静刚度的影响。结果表明：通过有限元方法模拟得到矩形丁腈橡胶件静态拉伸大变形阶段的力-位移曲线与试验结果相吻合,相对误差小于5%,表明Mooney-Rivlin超弹性本构模型可准确描述丁腈橡胶的超弹性特性;环形丁腈橡胶件静刚度的有限元模拟结果与压缩试验结果的相对误差为13.1%,证明了该有限元方法的准确性;随着壁厚或外径的增加,环形丁腈橡胶件的静刚度减小;随着温度的升高,静刚度减小,但减小速率逐渐降低。     

形状记忆合金超弹性缆索力学行为的有限单元法

由于涉及材料和接触双重非线性问题,很难建立描述形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)超弹性缆索力学行为的理论模型,为了克服试验成本高和易受环境因素影响的缺点,基于形状记忆因子概念和SMA本构模型,推导了适于有限单元法的增量型SMA本构模型。利用ABAQUS二次开发功能,考虑相变过程中SMA弹性模量的变化,编写了SMA用户材料子程序,实现了SMA超弹性缆索力学行为的有限元单元法。利用建立的有限单元法对SMA超弹性缆索的相变和力学行为进行数值模拟,并将数值结果与文献中试验结果进行了对比验证,在此基础上,分析了SMA超弹性缆索外线股螺距对缆索整体力学行为的影响。计算结果及其与试验结果的对比表明,提出的有限单元法能有效描述和预测SMA超弹性缆索在拉伸过程中的相变和力学行为,SMA超弹性缆索外线股轴线螺距对缆索整体相变和力学行为有明显影响,研究工作可为SMA超弹性缆索设计及工程应用提供计算方法与技术指导。     

基于连续介质损伤力学的高强度钢板热成形性数值预测

基于连续介质损伤力学模型,建立耦合损伤的热成形本构方程。将该本构方程引入到自主开发的金属成形有限元软件KMAS中,从而可对高强度钢板在热成形过程中的损伤演化及成形性能进行预测。本构方程中与温度及应变率相关的损伤参数控制着热成形过程中的损伤演化,对成形性数值预测具有重要的意义。为标定本构方程中的损伤参数,进行不同温度及应变率下的等温热拉伸试验,并对拉伸过程进行数值模拟,通过优化对比数值计算和试验所得的力-位移曲线,获得了不同温度及应变率下的损伤参数。随后将损伤参数引入KMAS中,对一款典型汽车B柱在热成形过程的成形性进行数值预测,并与试验结果进行对比,结果证明了所建立耦合损伤本构方程的正确性。     

AM60镁合金Johnson-Cook本构方程的修正及冲压有限元模拟

利用Gleeble-3500型热模拟机对AM60镁合金板进行热拉伸试验，研究了镁合金在变形温度200～350℃、应变速率0.01～0.1 s^-1下的热变形行为；对Johnson-Cook方程应变硬化部分进行修正并考虑应变速率和变形温度的耦合效应，基于热拉伸试验数据建立了修正Johnson-Cook本构方程，利用该方程进行冲压有限元模拟，并进行了试验验证。结果表明：AM60镁合金的流变应力与应变速率呈正相关，与变形温度呈负相关；采用修正Johnson-Cook本构模型预测得到AM60镁合金冲压真应力-真应变曲线与试验结果吻合较好，最大相对误差为18.28%,相比于未修正模型降低了57.61%;模拟得到200～350℃下冲压成形的筒形件成形良好，无表面缺陷，与试验结果一致。