形状记忆合金的宏观力学本构模型

结合作者提出的形状记忆因子的概念,阐述了形状记忆合金（SMA）超弹性和形状记忆效应的微观机理,将SMA的超弹性和形状记忆效应统一归结为形状记忆效应.重新定义了形状记忆因子,并明确了其物理意义.利用SMA在相变过程中马氏体体积分数和相变自由能间的微分关系,建立了描述SMA相变行为的形状记忆演化方程.该形状记忆演化方程能同时考虑相变峰值温度、相变开始和结束温度对SMA相变行为的影响,并能描述SMA从孪晶马氏体向非孪晶马氏体的转变过程,克服了现存SMA相变方程或形状记忆方程的局限性,能更全面准确地描述SMA的相变行为.从宏观力学角度,建立了能全面描述SMA实现形状记忆效应的热力学本构方程,在假设SMA为各向同性材料的基础上,将该本构方程从一维推广到三维.该本构方程中的所有材料参数都可以通过宏观实验测定,比现存三维本构方程更便于工程实际应用.     

考虑温度记忆效应的形状记忆合金本构模型

近年来在形状记忆合金（Shape Memory Alloy,SMA）中发现的由于不完全马氏体逆相变引起的温度记忆效应,在智能材料与结构等领域具有潜在的应用价值,建立克服现存SMA本构模型不能考虑SMA温度记忆效应这一局限性的SMA本构模型具有理论和工程实际意义．本文在前期研究的基础上,基于作者提出的形状记忆因子的概念,综合运用热力学、连续介质力学和马氏体相变学的相关理论,建立了描述SMA的形状记忆因子、应力、温度间关系的形状记忆方程和描述SMA的应变、应力、温度间关系的力学本构方程．由形状记忆方程和力学本构方程构成的SMA本构模型,克服了现存SMA本构模型不能考虑SMA温度记忆效应的局限性．数值结果表明,该SMA本构模型能有效描述经历不完全马氏体逆相变的SMA的热力学行为,可为SMA温度记忆效应的应用研究提供理论基础．     

基于广义Maxwell模型的形状记忆聚合物力学本构

为揭示形状记忆效应的黏弹性力学机制并进行形状记忆过程模拟,先推导出积分形式的广义Maxwell本构方程,再结合时温叠加原理推导出形状记忆过程的形状固定率公式及应力应变演化方程.形状固定率公式显示:增大"固定约束时长/拉伸阶段时长"的比值可增大形状固定率.应变演化方程揭示:随温度降低偏移系数变小,释放约束后应变演化方程中的时间被缩减,使应变恢复速度趋近于0;随温度升高偏移系数变大,对时间的缩减效应减弱,应变发生恢复.应用Abaqus软件的黏弹性力学模型,基于Arrhenius方程和Williams-Landel-Ferry(WLF)方程,通过二次开发建立形状记忆聚合物结构分析的数值模拟方法.采用环氧基形状记忆聚合物进行拉伸-松弛实验测定数值模拟中需要输入的材料参数,并进行形状记忆过程实验和数值模拟.结果表明,所提数值模拟方法能有效描述形状记忆过程,且针对实验所用的环氧基形状记忆聚合物,Arrhenius方程较WLF方程具有更高的计算精度.     

井筒开挖下非线性冻结壁的应力场和位移场计算

基于冻土力学性能试验获得的冻土应力一应变关系曲线所确定的冻土本构方程，分析人工冻结壁在井筒开挖过程中的力学特性；利用解除应力的概念，考虑冻结壁为非线性材料，推导出冻结壁的应力场和位移场的计算公式．通过对实际工程的计算分析表明，该计算方法可应用于深井冻结壁的设计计算．     

细片层状微结构珠光体材料损伤本构关系

基于非经典塑性理论和连续介质损伤力学,在已有的具有细片层状微观结构珠光体团的弹塑性本构方程的基础上,采用Gurson模型考虑铁素体相的孔洞型损伤,建立了基于有限大椭球体中含椭球形孔洞的细观损伤模型,得出了混合强化材料的损伤演化率,将其嵌入铁素体相的本构描述,得到了珠光体团的损伤本构模型.进而采用Hill自洽方法,得到了珠光体材料的宏观损伤本构描述,发展了相应的数值方法与程序.对典型珠光体双相材料BS11在复杂加载史下的响应特性进行了分析,并对BS11在典型轮轨接触摩擦应力状态下的响应特性与损伤进行了分析.文中工作对于揭示珠光体材料损伤宏观响应特性的微结构机理,以及发展此类复相材料的损伤本构理论具有重要的意义,并具有重要的工程应用背景.     

基于热力学方法的甲烷水合物沉积物本构模型

甲烷水合物沉积物的力学特性研究尚处于起步阶段,较系统的试验数据仍然不够充分,能够描述甲烷水合物沉积物力学特性的本构模型也不多.基于热力学原理和临界状态的概念的本构模型,可以自动满足热力学定律,其流动法则和屈服函数都可以很自然地从耗散函数中导出.首先介绍了基于热力学方法的甲烷水合物沉积物本构模型,并利用已有的甲烷水合物沉积物的三轴试验数据对模型进行了验证,进一步地应用该模型分析应力间距比对甲烷水合物沉积物力学特性的影响,强调应力间距比和屈服面形状在模型构造中的重要性.模型参数分析表明,应力间距比对甲烷水合物沉积物排水和不排水应力-应变关系、有效应力路径以及剪胀关系都有明显的影响.     

一类双相钢循环特性的研究

基于热力学相容的本构模型，通过合理地定义广义内摩擦力，发展了可以描述具有固结相间残余应力特性的一类复杂双相钢的本构方程。其遗传积分中考虑了塑性应变状态的影响，因而能够宏观地反映这一类双相材料的基本特征，所发展的构本方程包含了内时塑性本构方程和Bower 等的经验公式为其简化结果。给出了背应力的积分形式和增量形式以及增量型本构方程，对OHFC铜和铁轨钢DBS11的循环特性进行了分析，与实验结果的比较表明所发展的模型具有较强的预言能力。     

混凝土单轴受力损伤本构模型

为了建立一种新的单轴受力下混凝土损伤本构模型,应用损伤力学理论,假设混凝土卸载刚度与初始刚度的比值和混凝土卸载后剩余的弹性应变能与总应变能的比值在数值上是一致的,由此将弹性模量损伤和能量损伤结合为一体,通过数值方法可确定混凝土单轴受力损伤变量的具体数值.在已有不同强度等级混凝土单轴受力的应力一应变全曲线统一计算方法的基础上,通过数值积分和拟合回归,建立了单轴应力状态下混凝土损伤演变方程和损伤本构模型.结果表明:该模型可描述混凝土单轴循环加载受力状态下的力学特性,与混凝土单轴受力试验结果吻合较好;该研究成果可望进一步应用于反复加载下混凝土结构非线性有限元分析中.     

乙烯-四氟乙烯薄膜循环拉伸的黏弹塑性本构模型

对250μm厚乙烯-四氟乙烯(Ethylene-Tetra-Fluoro-Ethylene,ETFE)薄膜进行了单轴循环拉伸试验,通过试验得出ETFE薄膜的应力应变曲线,基于宏观现象和各向同性材料小应变假设,推导了适用于ETFE薄膜单轴循环拉伸第1次加载和卸载的本构方程,编写了采用两步法确定本构方程中参数的程序,利用程序模拟了ETFE薄膜在循环拉伸状态下第1次加载和卸载的应力应变关系.通过与试验得到的应力应变关系对比分析,验证了该本构方程和程序的正确性.提出的ETFE薄膜的本构方程可以较为准确地预测ETFE材料的应力应变关系,为ETFE薄膜结构的分析和计算提供参考.     

37Mn5钢热变形行为与流变应力模型研究

利用 Gleeble-1500热模拟实验机研究37Mn5钢在变形温度为800~1 150 ℃、变形速率为0.1~10 s-1条件下的热压缩变形行为.采用应变硬化率-应力曲线图较精确地获得峰值应力,并用双曲正弦方程描述37Mn5钢热压缩变形过程中的峰值应力与Zener-Hollomon参数的关系.回归分析得到方程中变形激活能及各材料常数的值,获得37Mn5钢在高温条件下的流变应力本构方程.结果表明,采用该本构方程计算出的流变应力值与实验所得应力值非常接近.     

基于连续本构模型的泡沫铝弹塑性断裂问题无网格法分析

应用无网格伽辽金法对单轴远场拉应力加载下泡沫铝弹塑性断裂问题进行了分析.首先,基于连续本构模型,将泡沫铝考虑成塑性可压缩材料,并通过引入Weibull分布,建立了宏观尺度上的泡沫铝本构关系.其次,在无网格伽辽金法的基础上,采用应力应变增量形式表征材料的弹塑性本构关系,用罚函数法施加本质边界条件,并考虑裂纹区的不连续性,用Newton-Raphson增量迭代实现非线性分析.最后通过算例讨论了概率参数对本构关系的影响,及泡沫铝相对密度与J积分值的变化规律.算例分析表明Weibull分布中的尺度参数对泡沫铝的宏观力学性质和断裂参数J积分有较大影响,而形状参数影响较小.     

岩石的弹塑性扰动状态本构模型

假定岩石的相对完整状态符合分级单屈服面(HISS)模型并考虑其各向同性硬化,岩石的完全调整状态对应于理想刚塑性,通过定义扰动函数,则岩石应力峰值后的软化行为可用HISS模型叠加扰动进行描述,从而建立基于扰动状态概念理论的岩石弹塑性本构模型.利用RMT-150B对焦作砂岩进行单轴、三轴压缩破坏试验,以确定本构模型中的材料参数.应用建立的弹塑性本构模型,对岩石在单轴应力状态下的力学响应进行了描述.研究结果表明,建立的弹塑性本构模型能描述单轴下岩石的应力-应变全过程.     

混凝土细观扩展有限元法建模及宏观力学性能估算

混凝土内部的界面过渡区是材料的薄弱环节,一定程度上控制着混凝土材料的宏观力学性能,在界面应力和界面相对位移的框架下描述界面过渡区的本构行为,首先在界面应力空间下构建一个能够综合反映界面过渡区纯拉、拉剪和压剪加载下的初始开裂滑移面,然后通过两个独立的断裂能释放率参数:I型断裂能释放率和渐进II型断裂能释放率,来控制开裂滑移面的后继软化过程,建立了界面过渡区的摩擦剪胀型本构模型.并把该本构模型嵌入到扩展有限元的模式下,建立了能够反映界面过渡区复杂力学行为的扩展有限元模型.将建立的扩展有限元模型应用到混凝土细观数值模拟中去,探究了界面过渡区的初始界面刚度、峰值强度和断裂能释放率对混凝土宏观力学性能的影响规律.     

基于嵌套思路的饱和孔隙-裂隙介质本构理论

为了指导本构建模工作,需要建立饱和孔隙-裂隙介质的一般本构理论框架.首先,从混合物理论和嵌套思路出发,获得饱和孔隙-裂隙介质的能量平衡方程.其次,根据热力学功共轭特性确定了饱和孔隙-裂隙介质本构方程的应变状态变量和应力状态变量.再次,根据热力学局部平衡假定,获得饱和孔隙-裂隙介质的自由能势函数一般本构方程.最后,从一般自由能势函数本构方程出发,获得孔隙骨架和裂隙骨架变形相互耦合的各向同性线弹性方程.当孔隙骨架和裂隙骨架变形解耦时,该方程能够退化到Khalili线弹性方程.研究表明,在小应变情况下固相应变可分解为裂隙骨架应变、孔隙骨架应变与固相材料体应变之和;当混合物均匀化响应原理成立和流相材料本构模型与单相一致时,裂隙骨架应变、孔隙骨架应变、固相材料体应变、裂隙流相材料体应变和孔隙流相材料体应变分别唯一决定裂隙介质有效应力、孔隙介质有效应力、固相材料真实压力、裂隙孔压和孔隙孔压;当自由能函数是状态变量的二次函数时,可获得线弹性本构模型.     

低碳钢热塑性成形过程本构模型

根据高温流动应力行为的主导软化机制不同,建立了低碳钢热塑性成形过程的动态回复和动态再结晶两阶段本构模型.采用单一内变量的位错密度演化模型描述加工硬化和动态回复对流动应力的影响;应用Avrami方程表达动态再结晶软化作用对流动应力的影响.采用Gleeble1500热模拟实验机对低碳钢进行热压缩实验,依据实验流动应力曲线确定本构模型中的参数,并分析了模型参数随变形条件的变化规律.应用建立的本构模型计算实验条件下的流变曲线,结果计算值与实验值吻合良好,表明所建立的本构模型可以用于低碳钢热压缩成形过程的数值模拟.     

煤岩体裂隙集度演化理论模型

为了描述煤岩体内裂隙演化对其宏观力学特性的影响,引入了裂隙集度参量,从热力学平衡方程出发,推导出裂隙集度演化方程;根据岩石试件单轴压缩的全程应力应变实验结果,给出了单轴压缩下的裂隙集度演化方程和考虑裂隙集度对煤岩体力学性质影响的非线性弹性裂隙演化本构方程;通过单轴压缩煤岩试样实验数据值与理论值对比,两者吻合度相当高,证明了理论分析及其理论模型的正确性。     

混凝土破裂过程渗流-应力-损伤耦合模型

从基础理论方面研究混凝土材料渗流和应力的耦合作用机理,首先叙述了混凝土材料细观和宏观的联系,分析了混凝土的渗透特性以及耦合的基本概念.在经典Biot渗流力学基本方程的基础上,增加一个反映渗流系数和孔隙变化关系的耦合方程,并结合混凝土的弹性损伤本构方程,引入渗流突跳系数ξ这一概念,提出了复杂应力作用下混凝土损伤演化过程渗流-应力耦合方程.本模型通过渗流、应力和损伤的相互作用反映出材料的宏观复杂破坏现象和非线性行为.     

形状记忆聚合物复合材料梁的弯曲变形

基于形状记忆聚合物(SMP)材料研制了热激励主动变形的纤维增强形状记忆聚合物复合材料(SMPC),对其动态力学性能进行了测试分析,应用有限元模拟分析法和层合板理论,得到SMP和SMPC悬臂梁的弯曲变形与刚度变化曲线.分析表明:SMPC材料抵抗变形的能力高于SMP材料.在等温度条件下,SMP梁和SMPC梁的变形与载荷呈线性关系;在等载荷条件下,SMP梁和SMPC梁的变形与温度呈非线性关系.SMPC的刚度特性使其在高温下应用领域得到拓展.     

苯乙烯基形状记忆复合材料梁的弯曲性能分析

为了提高形状记忆聚合物(SMP)的刚度性能,研制了纤维增强苯乙烯基形状记忆聚合物复合材料(SMPC),对其动态力学和弯曲性能进行了测试分析,采用有限元分析法得到SNIP和SMPC梁的弯曲变形规律,并利用经典层合板理论对其刚度进行分析.结果表明:SMPC材料的弯曲回复率和抵抗变形的能力都高于纯SMP材料.在等温度条件下,SNIP梁和SMPC梁的变形与载荷呈线性关系;在等载荷条件下,SMP梁和SMPC梁的变形与温度呈非线性关系.SMPC的刚度特性使其应用领域得到拓展.     

工程材料本构模型辨识及参数反演新方法

概述了采矿、岩土、土木等工程材料本构模型辨识及物理力学参数的反 分析等研究;针对具体工程材料最佳本构模型的选择（模型辨识）及基物理力学参数确定问题,视工程对象（岩土体）为一复杂系统,施工中实测获得的工程对象随时间的响应（如载荷、变形位移等宏观信息数据）隐式地蕴含着工程材料的本构信息,即工程对象的应力－应变本构关系和模型的物理力学参数。作为系统识别模拟的理想工具,神经网络能够学习模拟到工程材料的本构关系,这样即工程对象体的本构模型和参数识别为一“黑箱”,给定某一应变向量就可得到期望的输出应力向量,而无需写出显式参数的数学表达式,此即基于神经网络的隐式材料本构模型－智能本构模型。