水饱和混凝土静力抗拉强度降低细观机理及本构模型

试验研究表明裂纹及孔隙中的自由水降低了混凝土的静力抗拉强度.本文根据表面物理学及水的特性探讨了自由水降低混凝土静力抗拉强度的细观机理,并根据拉伸荷载作用下混凝土中微裂纹的扩展规律和不同阶段微裂纹引起的混凝土非弹性柔度张量的变化,考虑自由水的作用,利用线弹性断裂力学建立了饱和混凝土的受拉本构模型.理论计算与试验应力-应变关系曲线的对比表明:理论模型可以较好地反映饱和混凝土的受拉力学特性.     

考虑细观缺陷和静力本构的混凝土动力本构模型

混凝土的动力特性一直是研究人员关心的一个问题。经典的细观力学方法虽然可以较好地描述混凝土的性质,但计算比较复杂。该文提出了一种考虑细观缺陷的混凝土动力本构模型,该模型不需要进行繁琐的计算,直接在混凝土静力应力应变关系基础上,考虑混凝土断裂韧度和微裂纹应力强度因子在静动力荷载下的差异,推求动力荷载下的应力应变关系。与试验结果对比表明,本文提出的理论模型能较好地反映混凝土的动力特性。     

循环荷载作用下沥青混合料的黏弹塑性损伤本构模型

为较好描述损伤状态下沥青混合料的黏弹塑性应力-应变关系、明确动态循环荷载对其损伤本构关系的影响,利用经典黏弹塑性流变理论,在Burgers黏弹性模型上串联一个黏塑性元件,并根据损伤力学应变等效原理,建立了一个能体现动态循环荷载作用特点及能考虑加载频率影响的沥青混合料黏弹塑性损伤本构模型.同时进行间接拉伸疲劳试验,研究加载频率、环境温度、应力水平、沥青用量及沥青种类对混合料应力-应变关系的影响,并标定模型参数、验证模型的有效性.结果表明:所建模型不仅能较好描述沥青混合料在动态循环荷载作用下的损伤本构关系,还能体现加载频率、环境温度及荷载水平等因素对应力-应变关系的影响;模型参数意义明确、规律性强,值得进一步研究和推广.     

聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯材料中低应变率动态拉伸力学性能

为研究(PC/ABS)的动态力学性能,利用静力材料试验机和高速液压伺服材料试验机,于常温环境中开展了PC与ABS混合比为5∶5的PC/ABS材料在准静态和中低应变率下的拉伸试验,得到了材料在应变率为0.002、0.017、0.12、1.2、12.8 s~(-1)和130 s~(-1)时的真实应力-应变曲线,结果显示该材料具有应变软、硬化效应,并表现出明显的应变率敏感特性。基于试验数据拟合Johnson-Cook本构模型参数,建立了PC/ABS材料的动态本构方程,拟合结果与试验结果较为符合,能较好地表征PC/ABS在塑性段的动态拉伸力学行为。     

X52管线钢的本构关系及失效判据研究

X52管线钢广泛应用于石油天然气长输管道工程,具有良好的力学特性:强度高、塑性好。其本构关系的研究确定、矩阵表达及失效判据的建立是研究的主要内容。通过对比该材料的静力拉伸实验结果和Ramberg–Osgood本构模型,发现εεP0.2时,Ramberg–Osgood本构方程能够比较准确地反映X52管线钢的拉伸应力–应变关系,但当εεP0.2时,基于Ramberg–Osgood模型所得理论本构曲线与实验结果有较大的误差。基于此,对Ramberg–Osgood本构模型做出了修正,提出了X52管线钢在单向拉伸状态下的全局二段式应力应变关系式,并建立了X52管线钢本构关系的矩阵表达式。根据X52管线钢塑性极好的特点,分别研究了塑性材料基于应力的失效判据和基于应变的失效判据,给出了X52管线钢的应变控制失效准则。     

X60管线钢的本构关系及失效判据

X60管线钢是石油、天然气输送用的主要钢种,在外界载荷作用下,易发生局部变形或应力集中,而导致屈曲甚至拉裂失效。对其进行力学研究,评价其力学安全性已成为管道风险管理的重要内容之一。其中,本构关系方程是力学研究的基础内容,失效判据则决定了管道生命的周期。通过对比X60管线钢的静力拉伸实验应力应变关系和Ramberg-Osgood本构关系,发现ε≤εP0.2时,Ramberg-Osgood本构方程能够比较准确地反映X60管线钢的拉伸应力应变关系;但当ε＞εP0.2时,基于Ramberg-Osgood模型所得理论本构曲线与实验结果有较大的误差。基于此,笔者根据X60管线钢静力拉伸弹性阶段和塑性阶段的不同力学特征,采用插值法对Ramberg-Osgood本构模型做出了修正,提出了X60管线钢在单向拉伸状态下的全局二段式应力应变关系式,该关系式更加准确地表达了X60管线钢的拉伸应力应变关系。考虑到焊缝及热影响区对管道强度和刚度的影响,结合塑性材料基于应力的失效判据和基于应变的失效判据,笔者提出了焊缝影响因子及X60管线钢的应变控制失效准则,建立了基于第四强度理论的管道失效时的临界应力计算方程。     

热镀锌双相钢DP590力学特性及其本构模型

通过单轴拉伸试验及液压扩胀试验,分析了热镀锌双相钢DP590准静态条件下力学特性及大应变力学行为,同时利用高速电液伺服试验机及分离式Hopkinson拉杆试验机测试了该材料中高应变率下的动态力学特性.试验数据表明,DP590呈现微弱的各向异性,同时其动态等效应力应变曲线簇具有随应变增加而渐进收敛的特性.在此基础上提出了一个基于YLD2003各向异性屈服准则的混合流动硬化收敛型黏塑性本构模型,并提供了模型参数的识别方法.利用该本构模型对一薄壁管梁结构的轴向冲击试验过程进行了数值模拟,结果表明,采用新本构的仿真模型可以准确模拟试验结果,因而该本构更适用于工程精细仿真的需要.     

初始温度条件下全尾胶结膏体损伤本构模型

膏体充填料到达采场初始温度不同是矿山存在的普遍现象,不同初始温度条件下膏体力学特性及应力-应变关系直接影响到矿山采充周期及相邻采场开采时贫化指标.通过对初始温度为2、20、35和50℃的硬化膏体进行单轴抗压强度试验,获得不同初始温度下充填体应力-应变演化曲线.根据理论推导和试验结果,建立了不同初始温度下膏体损伤本构模型,通过本构模型参数回归,提出膏体温度-时间耦合损伤本构模型.最后,采用Comsol数值模拟软件,将温度-时间耦合损伤本构模型嵌入solid mechanics模块,对单轴抗压试验进行数值模拟,模拟应力-应变曲线与试验结果较为吻合,验证了所提出本构模型的可靠性.     

金属材料宽应变率下动态本构模型及其扩展有限元应用

为了准确描述金属材料在各类动荷载下的力学行为,基于金属流变应力在不同应变率范围内的不同函数表现形式,采用开关函数反映金属宽应变率强化效应差异,考虑应变硬化效应与绝热温升影响相互耦合,结合多种金属材料在不同应变率下的试验数据进行拟合分析,发展了一种动态本构统一方程JC-CS模型。通过UMAT用户子程序,将新模型导入ABAQUS有限元分析软件中预测不同应变率下的金属动态应力应变关系,并基于此进行动态正弦荷载下的金属裂纹扩展分析。研究结果表明,新构建模型的数值模拟本构曲线与试验数据吻合良好,且能结合扩展有限元在ABAQUS动态隐式环境中使用,为准确描述金属在动荷载作用下的力学行为提供了一种工程应用分析模型。     

无机玻璃材料的改进TCK本构模型

为了研究冲击荷载作用下无机玻璃材料的拉伸损伤特性,将适用于陶瓷材料率相关的TCK动态拉伸型本构模型加以改进,并将改进后的TCK本构模型应用于侧向撞击玻璃平板试验数值仿真.由仿真分析结果发现,改进的TCK本构模型对于无机玻璃材料的应力波传播速度、拉伸和压缩损伤区域的面积和位置,以及损伤扩展速度的计算分析较为准确.     

热塑性聚烯烃大变形行为建模及数值模拟

为了研究热塑性聚烯烃(TPO)大变形过程中力学行为,将基于高分子材料微观特征建立的本构模型加入有限元软件中,实现了TPO变形和微观特征演变的耦合.该模型考虑了TPO材料与应变速率有关的初始均匀变形、屈服、应变软化和应变硬化的变形过程.采用数值模拟的方法,研究了TPO在拉伸状态下的力学行为.结果表明,本构模型的预测结果与试验结果比较接近,模拟结果清晰地描述了三维变形过程中应力场的分布以及颈缩演变,为TPO材料零件的虚拟设计提供了依据.     

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.     

混凝土冻融损伤后双轴受力下的脆弹性损伤本构模型

针对普通混凝土受冻融循环损伤作用后,其力学行为不仅依赖于混凝土基体的行为,而且与冻融循环次数有关的特性,以冻融循环作用后混凝土试件在双轴压加载条件下的应力-应变关系曲线为研究对象,考虑到混凝土主压向应变会受到次压向有效应力影响的特点,建立了基于损伤力学理论和热力学原理,并考虑了双轴压应力比影响的普通混凝土双轴压损伤本构模型,与冻融循环作用后普通混凝土在双轴压加载条件下测得的应力-应变关系的试验曲线进行了对比分析.研究结果表明:所建立的普通混凝土双轴压损伤本构模型,可以较好地描述冻融循环作用后普通混凝土在双轴压加载条件下的本构关系.     

Q420钢材应变硬化与应变率效应的试验

利用INSTRON拉伸试验机和Zwick/Roell HTM5020型高速拉伸试验机对Q420钢材开展了不同应变率下(0.001~288s-1)的单轴拉伸试验,研究应变率效应对钢材力学性能的影响.试验结果表明,Q420钢为应变率敏感型材料,其硬化特征随应变率的提高而变化.采用ANSYS中LSDYNA模块对静力和动力拉伸试验进行仿真模拟,通过逆向反推的方式获得了Q420钢颈缩后的真实应力应变曲线.仿真结果显示,Q420钢材的真实应力应变关系随着应变率的提高,从幂次型的Ludwik准则向指数型的Voce准则转化.为得到更优的动本构模型,在H/V-R本构模型中引入新的应变率准则,以Cowper-Symonds模型中的钢材动力放大系数代替H/V-R本构模型中的线性Wagoner应变率准则.结果显示,修正H/V-R本构模型很好地吻合了试验数据,准确反映了大应变状态下的应变硬化特征和应变率对应变硬化的影响.     

钢材应变硬化与应变率效应的试验

利用INSTRON拉伸试验机和Zwick/Roell HTM5020型高速拉伸试验机对Q420钢材开展了不同应变率下（0.001-288s-1）的单轴拉伸试验,研究应变率效应对钢材力学性能的影响。试验结果表明,Q420钢为应变率敏感型材料,其硬化特征随应变率的提高而变化。采用ANSYS中LS-DYNA模块对静力和动力拉伸试验进行仿真模拟,通过逆向反推的方式获得了Q420钢颈缩后的真实应力应变曲线。仿真结果显示,Q420钢材的真实应力应变关系随着应变率的提高,从幂次型的Ludwik准则向指数型的Voce准则转化。为得到更优的动本构模型,在H/V-R本构模型中引入新的应变率准则,以Cowper-Symonds模型中的钢材动力放大系数代替H/V-R本构模型中的线性Wagoner应变率准则。结果显示,修正H/V-R本构模型很好地吻合了试验数据,准确反映了大应变状态下的应变硬化特征和应变率对应变硬化的影响。     

基于SPH方法的LY12-CZ铝合金平板鸟撞模型

为了得到更准确的飞机鸟撞分析模型,基于显式有限元分析程序PAM-CRASH建立了LY12-CZ铝合金平板的鸟撞数值模型.采用Johnson-Cook方程表述LY12-CZ材料的本构.LY12-CZ铝合金在4种不同应变率下的应力-应变曲线通过电子万能试验机和分离式霍普金森拉杆(SHTB)拉伸试验获得,对曲线进行拟合得到Johnson-Cook方程中的4个常数.基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法建立了鸟体模型,引入Monaghan EOS方程来描述鸟体材料.针对所建立的鸟撞数值计算模型,开展相对应的鸟撞试验,获得测试点的应变,并将数值计算结果和试验结果进行对比.结果表明:计算应变与试验测得的应变吻合较好,验证了鸟体、铝合金本构模型以及鸟体高速冲击计算分析模型的合理性、可靠性.     

重复拉伸荷载下锈蚀钢筋力学性能及本构关系研究

通过锈蚀钢筋重复拉伸荷载试验,分析了重复拉伸荷载作用下锈蚀对钢筋力学性能的影响,并建立了锈蚀钢筋本构关系模型.试验表明,重复荷载作用下,随着锈蚀率的增大,钢筋力学性能退化,变形能力下降,屈服平台逐渐缩短甚至消失;耗能性能降低,破坏时更加表现为脆性断裂,使得结构在地震发生时更易出现脆性破坏,甚至突然倒塌.基于试验成果本文建立了锈蚀钢筋应力-应变本构关系模型,研究成果可为锈损结构耐久性、残余承载力及抗震性能评估提供技术依据.     

用于剪力墙滞回性能分析的材料本构模型研究

目的提出适用于ABAQUS的混凝土本构计算方法,解决现有材料本构模型不能准确模拟地震作用下钢筋混凝土剪力墙的滞回性能的问题.方法基于《混凝土结构设计规范》附录C混凝土应力-应变曲线,提出适用于ABAQUS的混凝土本构模型;采用钢筋单轴本构模型合理考虑了Bauschinger效应,利用ABAQUS用户子程序接口VUMAT进行二次开发,编制了用于显式动力分析的钢筋本构模型的计算程序,并采用分层壳单元对往复荷载下钢筋混凝土剪力墙滞回性能进行数值模拟.结果通过实验对比,验证了采用笔者采用的混凝土和钢筋本构模型能够较好地反映钢筋混凝土剪力墙在低周往复荷载作用下的滞回性能.结论数值模拟结果与试验结果吻合良好,笔者采用的材料本构模型能够较好地模拟钢筋混凝土剪力墙的滞回性能.     

H62铜合金本构模型构建及游动芯头拉拔力影响分析

以H62铜合金为实验材料,进行不同应变率下的单向拉伸试验。采用唯象建模方法建立铜合金的本构模型。通过二次开发,将本构模型导入MARC,以拉拔速度为实验参数,对游动芯头拉拔过程进行数值模拟。结果表明:利用强化系数与黏性系数建立的本构模型,对不同应变率下单向拉伸实验数据拟合效果较好,弹黏塑性模型对不同应变率下拉伸成形具有较好的适用性;随着拉拔速度增加,拉拔力逐渐增大,但增加的幅度较小。     

岩石变形全过程冻融损伤模型及其参数

寒区岩石受到荷载及冻融循环的作用,考虑岩石微元破坏的特点,将其简化为冻融损伤、受荷损伤及未损伤3部分组成。基于损伤力学理论,通过探讨冻融损伤变量、受荷损伤变量以及总损伤变量之间的关系,假定岩石微元破坏符合D-P准则,建立冻融与荷载作用下考虑残余强度的岩石损伤本构模型,并由冻融砂岩力学特性试验验证其合理性;在此基础上探讨了模型参数对岩石损伤本构关系的影响。结果表明:不同冻融次数及围压作用下的模型理论曲线与试验曲线较为吻合,较好地描述了岩石变形的全过程;模型参数对岩石损伤前及破坏后残余段的应力应变曲线几乎没有影响,但对损伤阶段的影响较大。研究成果将会对寒区岩石损伤演化认知具有较好的参考价值。