基于统计损伤理论的混凝土双轴拉-压本构模型研究

基于细观统计损伤理论及宏观试验现象,本文建立了混凝土双轴拉-压细观统计损伤本构模型.该模型考虑断裂、屈服两种细观拉损伤模式,损伤演化过程由主方向的拉、压应变驱动.将单轴拉伸、单轴压缩作为两种最基本的宏观破坏形式,复杂应力状态下的损伤破坏过程理解为单轴拉伸、压缩损伤演化过程的某种组合形式.引入等效传递拉损伤应变和损伤影响参数,建立宏观拉、压破坏模式对应细观损伤机制之间的等效关系.通过与试验结果比较,表明该模型能够很好地模拟双轴拉-压加载情况下材料均匀损伤阶段的力学行为.对双轴拉-压比例加载路径下应力-应变曲线进行预测,提取出双轴拉压强度包络线,从双轴强度、变形特性、破坏形态等角度对材料的双轴拉-压损伤机制进行探讨.     

PVDF涂层织物拉伸力学性能试验研究

为获得膜材的本构关系规律,以SH-1050P膜材为试验对象,采用纱线与拉伸方向夹角α为参数进行单轴拉伸破坏试验;然后进行多比例位移加载下的双轴拉伸试验,得到完整的单、双轴试验结果.假设膜片应变均匀且铺层与纱线无滑移,对单轴下膜片弹性模量与夹角α的关系进行了理论推导,并获得膜材力学参数与方向角α的解析公式.同时,假设膜片在双轴加载下为正交弹性双向材料,求解出不同比例加载下的双轴弹性模量与泊松比.结果表明,单轴下膜片弹性模量可按2%的应变划分为弹性与塑性2个阶段,其值与2倍夹角的正弦成线性关系.而双轴试验情况下,在1∶1等量加载时,双轴弹性模量与单轴相同;在非等量加载时,双向加载力离散越大,双轴弹性模量离散性也越大.     

PVDF/PES涂层织物循环拉伸力学性能及弹性模量

以Ferrari1302膜材为对象开展试验,首先进行了单轴循环拉伸试验,然后采用自主研发的多功能薄膜双轴拉伸试验机进行多比例加载下的双轴拉伸试验,得到完整的单双轴循环试验结果.探讨了单双轴循环试验的应力应变关系及弹性模量随循环次数的变化,提出并推导了双轴耦合弹性模量的理论公式,分析了应力比对双轴耦合弹性模量的影响.研究结果与分析方法可为复杂膜结构的设计、分析及裁剪提供参考.     

双轴拉伸实验在材料力学实验教学中的应用创新

传统的材料力学实验教学项目仅涉及材料的单轴拉伸实验,未涉及双轴拉伸实验。通过学生自主设计双轴拉伸实验,利用数字散斑技术测定构件的全场应变规律,该方法具有测量速度快、非接触和精度高等优点。该实验教学项目结合工程实际,具有很强的综合性和研究性,可以加强锻炼学生分析问题、解决问题的实践能力,实现实验课程由传统模式向探究模式的转变,促进学生知识、思维、能力和素质的全面协调发展。     

圆形电场活化聚合物致动器中的褶皱和吸合不稳定性

电场活化聚合物（Dielectric Elastomer,DE）具有优异的力学性能,在电场作用下应变可达100%以上.作为一种新型的致动器,它被广泛地应用于医疗设备、适应性光学仪器和机器人等领域.根据Tommasi等人研究DE薄膜稳定性的方法,本文着力分析了圆形电场活化聚合物致动器中的褶皱和吸合不稳定性,旨在方便、直接地指导致动器设计.基于简单的几何和材料假定,作者考虑了预拉伸、致动区尺寸和材料模型这些影响DE技术应用的重要因素,采用一种解析方法有效地描述了褶皱和吸合失稳,并对失稳机理做出了清晰的物理解释.作为结果,本文给出了不同预拉伸值时失稳的一系列临界参数,找到了满足不同需求的最优预拉伸值,并与实验比较吻合较好.     

浮空器膜材循环拉伸力学性能及弹性常数研究

对全新飞艇蒙皮膜材Uretek3216L进行了单轴循环拉伸试验,采用自主研发的多功能薄膜双轴拉伸试验机进行5种应力比例下的拉伸试验.探讨了单双轴循环试验的应力应变关系及弹性模量随循环次数的变化规律,对双轴耦合弹性模量的理论公式进行了推导,分析了纬经向应力比对耦合弹性模量的影响规律.结果表明,单轴循环的第15次和第1次循环相比,经纬向弹性模量分别增大了20.7%和39.1%,其中第2次循环增大幅度最大,经纬向均占总增量的60%以上.对于双轴试验,随纬经向应力比R的增大,经向耦合弹性模量增大而纬向减小.确定了膜材的单、双轴应力下的弹性模量和3D应力应变响应曲面.     

真应力—应变的定义及其力学特征

材料的真应力和真应变与常用的工程应力-应变有明显的差异,作者从真应力和真应变的定义出发,论述了塑性材料在轴向拉伸条件下变形过程的力学行为,阐明了应变硬化、最大均匀真塑性应变、应变硬化指数的相互关系,真应力-应变曲线直观地反映了材料拉伸变形时的应变硬化行为,其数学表达式为Hollomon公式,由拉伸实验得到的logσ-logε曲线的斜率即为应变硬化指数,其数值与材料拉伸变形时的最大均匀应变相等,是衡量材料塑性均匀变形能力的力学指标。     

用巴克豪森噪声测量铁磁材料拉伸损伤的实验研究

本文实验研究了09CuPTi(耐候钢)在拉伸过程中巴克豪森噪声的变化,得到了巴克豪森噪声强度与拉伸损伤(即残余塑性应变)之间的关系.从而得出了整个拉伸过程中材料的损伤与演化过程的表达式.     

各向异性本构关系的测量

为确定三种不同金属薄板材料的本构关系,进行了多种简单拉伸实验和平面应变实验,并应用了SIMPLEX数值拟合法.对应每种应变率的简单拉伸实验,都用几种不同的硬化模型进行了拟合.阶跃实验揭示了不同的应变率效应.通过比较简单拉伸曲线和平面应变曲线,证明对于这些实验材料,Hill的等向硬化新理论是一种比较合理的模型.综合各种因素而得到的本构关系及屈服准则,可用于国冲头类型冲压实验的有限元分析中.     

尺寸效应下的紫铜薄板力学性能试验研究

通过对0.1、0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 mm厚的T2紫铜薄板在不同温度(450、650和850℃)下的热处理,获得不同的晶粒尺寸的试样,并采用数字图像相关性(DIC)方法对单向拉伸试验中的变形进行了测量,获得了相关力学性能参数(屈服强度、抗拉强度、最大均匀应变和断裂应变)与晶粒尺寸和板料厚度之间的关系.实验结果表明:所考察的退火T2紫铜薄板的力学性能参数均表现出明显的尺寸效应,抗拉强度、最大均匀应变和断裂应变均随材料厚度的减小或晶粒尺寸的增大而减小,且与厚度晶粒尺寸比呈近似指数关系.     

曲面件柔性拉伸成形时的过渡区

利用多夹钳式拉伸成形机能够实现夹持和拉伸成形的柔性化特点,对投影面为梯形的曲面件分别建立矩形板料和梯形板料夹持有限元模型,并进行了不同过渡区的矩形板料和梯形板料的数值模拟.结果表明,随着过渡区最大长度的减小,板料容易贴模,成形力减小,成形件的最大应变值减小,有效成形区应变、厚度分布更均匀,成形效果更好.对投影面为梯形的曲面件进行拉伸成形实验,实验结果与数值模拟结果吻合,验证了数值模拟的正确性.多夹钳式拉伸成形机能够根据模具形状合理设计过渡区形状,提高成形质量,节省材料,降低拉伸成形成本.     

应变强化对压力容器安全裕度的影响

通过试件拉伸试验和圆筒容器的有限元模拟,分析了加载路径和预应变量对应变强化容器塑性失稳压力的影响.拉伸试验和有限元模拟结果表明:加载路径对试件和容器的极限承载能力影响较小;不同预应变量虽使容器产生不同程度的塑性变形,但材料的强化效应在一定程度上弥补了容器尺寸变化的影响,仅使圆筒容器的塑性失稳载荷略有下降;在径比为1.02～1.10的薄壁容器范围内,壁厚对应变强化后容器塑性失稳压力的下降影响很小.在同时考虑预应变后容器几何形状改变和材料应力应变曲线改变的情况下,4%～12%预应变后,最小安全裕度由按常规设计的4.76降至2.21,与国内外标准中的最低安全裕度要求相当,表明应变强化后容器仍有较高的强度裕度.     

大骨料混凝土动态双轴拉压强度试验研究

为了研究不同应变速率下混凝土双轴动态受力状态的力学性能,在大型静、动态三轴试验机上,对大骨料混凝土和湿筛混凝土试件进行了不同应变速率和应力比下的双轴动态拉压试验,系统研究了应变速率和应力比对混凝土双轴拉压强度的影响.试验结果表明:两种混凝土双轴拉压强度均低于单轴拉伸或单轴压缩强度,其变化规律不但与应力比有着密切的联系,还随应变速率的增大而增大.在主应力空间建立了考虑应变速率和应力比的混凝土双轴拉压破坏准则,为水工结构物的非线性分析提供了试验依据.     

室温下TC11钛合金准静态拉伸力学性能实验研究

针对典型航空材料TC11钛合金的拉伸性能,采用准静态拉伸实验对不同应变率条件下的TC11钛合金的应力-应变关系进行了研究,利用扫描电镜分析了其拉伸断口形貌。实验结果表明:TC11钛合金具有一定的应变率敏感性,抗拉强度和屈服强度均会受到应变率的影响;准静态拉伸时TC11钛合金试样出现了颈缩现象,试样截面形状为杯锥状,试样断口存在光滑的剪切唇区和灰色的纤维区,其断裂属于韧性断裂,但是其韧性较差;TC11钛合金拉伸断口形貌主要为大小不一的韧窝,随着应变率的增大,试样拉伸断口韧窝的大小和深度均变小,同时出现了少量的撕裂棱和准解理面,试样的断裂机制为以韧性断裂为主和伴有准解理断裂。因此,在准静态拉伸条件下,TC11钛合金的力学行为与应变率有关。     

电致动驱动器的变形量研究

用红外光谱、扫描电镜表征了介电弹性体VHB4910在不同预拉伸条件下的结构和形貌;用能谱分析了柔性电极导电膏中元素的种类和数量;在优化条件下由VHB4910和柔性电极制备了电致动驱动器,测试了其应变响应特性,并在柔性电极中加入0.3%的银粉进行相关对比实验.研究表明:VHB4910经等轴预拉伸后,材料表面更均匀,应变效果更好;在加压5 kV时,未添加银粉的柔性电极制作的电致动驱动器能产生更大变形量,为149.8%,推测其与"量子隧道效应"有关.     

声弹性螺栓应力测量影响因素

为了分析声弹性法螺栓应力测量中的影响因素,从固体质点声弹性理论入手,在模型中加入质点受力形变因素,建立质点时差法应力测量模型;针对螺栓结构建立不同轴向预紧力下应力分布,获得超声传播路径上的应力分布表达式,建立不均匀应力下的螺栓声弹性测量模型;设计应力不均匀区占超声路径比例不同的实验,采用基于ZnO压电薄膜的方式激发超声,压电薄膜溅射于螺栓表面,避免使用超声耦合层引入的测量误差,得到应力不均匀区与测试误差的关系;进行螺栓反复拉伸后声弹性测量的重复性实验,验证材料性质与螺栓应力测量的关系。研究结果表明,超声时差与应力呈线性关系;声弹性系数由螺栓的弹性模量、泊松比以及螺栓长度决定;不同应力非均匀区占比的螺栓应力测量误差相同,初始误差小于2%;螺栓反复拉伸后,声弹性螺栓应力测量误差变大;应力分布不会产生测量误差,测量误差来源于材料的非均匀性;经过拉伸后的螺栓,材料中的缺陷和错位增大,增强高频超声的散射,引起应力测量误差变大。     

应变疲劳对20G钢材延性断裂韧度JIC的影响

初步探讨了应变循环加载对20G钢材的延性断裂韧度JIC的影响,对各种情况20G材料延性断裂韧度JIC测试数据进行了比较,结果表明,应变循环加载对钢材的延性断裂韧度JIC的影响很明显,钢材单调拉伸0.3%应变后,材料的延性断裂韧度JIC均比未经单调拉伸0.3%应变时降低了11%.控制±0.3%全应变的循环加载500周后,延性断裂韧度JIC比未经单调拉伸0.3%应变时钢的延性断裂韧度JIC降低了35%,这种变化与Rice提出的循环加载变形功与J积分之间的函数关系比较符合.     

介电型电活性聚合物应变响应的优化

为了得到最佳DEAP(介电型电活性聚合物)变形量,用正交试验法综合分析了电场强度、预拉伸率、柔性电极厚度、预拉伸后放置时间、柔性电极填充粒子五个因素对DEAP应变响应产生的影响,同时对各因素的显著性进行了数量对比分析.研究结果推导出各因素对DEAP变形量的影响大小,顺序依次为电场强度、柔性电极填充粒子、预拉伸后放置时间、预拉伸率、柔性电极厚度,确定了最佳制备参数,并指出在最佳制备参数的条件下制得的DEAP变形量为221.3%.     

建筑PVC膜材双轴正交拉伸循环试验

通过对PVC膜材进行7种应力比下的双轴正交拉伸循环试验,经纬向应力比值分别为0∶1,1∶5,1∶2,1∶1,2∶1,5∶1和1∶0,对膜材在双轴拉伸作用下的拉伸特性进行了研究.试验表明,经过3次循环作用后,膜材的力学试验性能更接近工程实际情况,且材料具有非线性和正交各向异性.在循环荷载作用下,初次循环后残余应变较大.随着循环次数的增加（一般3次后）,残余应变趋于常数,滞回曲线形状趋于稳定.采用双轴拉伸试验方法测定了PVC膜材的广义泊松比,验证了广义泊松比的非线性特征.试验证明,当经纬向应力比C≥1时,经向应变为正值;当C≥0.5时,广义泊松比变为负值;当应力比C为1∶0或0∶1时,双轴变成单轴试验,广义泊松比测定变成常规泊松比试验.理论和试验均证明当C1时,膜材的经向和纬向同时具有最大的弹性模量.     

基于损伤理论的混凝土双轴压本构模型

对快速冻融循环作用后的普通混凝土进行双轴压试验研究,测得其双轴压应力-应变关系曲线.根据Weibull统计分布理论和等效应变假定原理,建立基于损伤理论并考虑应力比影响的普通混凝土双轴压本构模型.研究结果表明:该模型可以有效地描述双轴压荷载作用下普通混凝土的本构关系.