一个非线性粘弹性本构模型及其在聚合物材料中的应用

在引用三维Stieltjes卷积形式的简化非线性粘弹性本构关系和三维本构关系的弹性回复对应原理的基础上,提出了一个新的非线性粘弹性本构模型,运用该本构模型对聚丙烯材料在不同应变率条件下的单轴拉伸和已知等幅循环应变历史两种情形的应力响应进行预报.理论计算表明,建立在弹性回复对应原理基础上的非线性粘弹性本构模型能够对聚合物一类非线性粘弹性材料的本构行为进行合理的描述.图9,参23.     

轧机辊系弹性变形的有限元计算

建立了分析轧机辊系弹性变形的有限元方程和边界条件，在计算模型中首次考虑了辊间非线性接触摩擦，分析了在接触非线性条件下辊间载荷分布和辊缝形状的变化规律，考题计算与实验结果吻合，这为板带轧机设计、轧制工艺优化、板形控制等提供了一个高精度的分析方法。     

基于颗粒接触理论的岩石压密阶段本构模型

鉴于岩石压密阶段非线性变形与岩石内部颗粒之间的相互接触有关,引入基于凹凸体正态分布的G-W接触模型并建立接触体元件模型;将该模型与弹簧元件串联,建立压密阶段的本构模型。利用元件模型对实验结果进行模拟,同时对模型中参数进行分析。研究结果表明:岩石颗粒间的张开度及颗粒表面的粗糙度均对岩石压密阶段本构关系有一定影响。颗粒间的张开度越大,压密过程越长;在相同应变条件下,粗糙度越大,应力增长越缓慢。本文模型在模拟4种岩石压密阶段的本构关系过程中,拟合优度均大于0.95,说明模型能够准确描述岩石的应力-应变关系。同时,模型还能够反映围压对本构关系的影响,证明利用接触模型来描述压密阶段本构关系是合理的。     

弹性回复对应原理在非线性粘弹性本构理论中的应用

 在引用三维Stieltjes卷积形式的简化非线性粘弹性本构关系和三维本构关系的弹性回复对应原理的基础上,提出了一种寻求非线性粘弹性本构关系的新方法,运用上述理论对聚丙烯材料在不同应变率条件下的单轴拉伸应力应变曲线进行了模拟,理论计算表明,建立在弹性回复对应原理基础上的非线性粘弹性本构关系能够对聚合物一类非线性粘弹性材料的本构行为进行合理的描述.     

超弹性形状记忆合金简化多维本构模型

建立简单有效的多维本构模型是形状记忆合金(SMA)工程应用的关键问题之一.在NiTi形状记忆合金丝拉伸实验的基础上,根据Brison模型的相变动力学方程,得出了相变应力与加载条件的关系. 借助线性化方法,建立了SMA超弹性简化一维本构模型;基于塑性理论,将马氏体体积分数作为状态变量之一,推导了SMA超弹性简化多维本构模型,应用该模型对超弹性SMA进行了数值模拟,并与实验结果进行了比较.分析结果表明:理论模型曲线与实验曲线接近,理论模型能够较为准确地模拟形状记忆合金的屈服机制和耗能能力.该本构模型可以用于模拟复杂荷载条件下的SMA超弹性特性.     

颗粒振动及耗能特性研究的弹塑性接触建模方法

提出一种颗粒弹塑性接触的通用建模方法来研究颗粒系统的振动及耗能特性.构造颗粒法向塑性接触本构方程基本形式,并采用有限元法(FEM)获得无量纲本构关系;提出颗粒弹塑性细观接触加-卸载多路径模型,给出了颗粒塑性接触能量耗散的计算公式.采用离散单元法(DEM)对简谐激励下颗粒系统的振动和耗能特性进行了数值仿真分析.结果表明,颗粒使系统产生非线性振动,颗粒介质在系统进入共振区的前后均呈现出类似混沌的复杂非线性运动状态.颗粒间的法向塑性接触没有改变颗粒阻尼效应的主要耗能方式,但对颗粒动态接触行为及颗粒系统动力学特性产生重要影响.     

土与结构间一种新的接触单元模型

将非线性弹性理论与弹塑性理论相结合,对于土与结构间接触面切线方向提出了一种非线性弹性-理想塑性本构模型,用于模拟土与结构相互作用体系中切向变形与破坏机理.该模型将接触带内的变形分为剪切变形与错动变形两部分,对于法线方向采用法向应力与法向相对变形之间的非线性模型.将该模型与有厚度接触面单元相结合,提出了一种用于有限元计算的接触带单元.详细推导了该模型的弹塑性矩阵以及应力修正方法.     

超弹性胶原材料本构关系的对数应变模型

获得不可压缩条件下自然对数表示的各向同性超弹性胶原材料的本构关系,给出2组对数应变张量不变量,由弹性能量密度直接推导得到对数应变与Cauchy应力偏量间的本构关系.将理论模型与单向拉伸实验数据进行对比,结果表明模型及参数选择有效.     

土与结构间一种新接触单元的数值解

推导了基于非线性弹性-理想塑性本构模型的接触带单元的单元刚度矩阵，并对接触带厚度的确定、非线性迭代方法等数值计算中一些重要的细节问题进行了论述．最后对某一典型算例进行了分析，分析结果表明，所提出的接触带单元能够合理地模拟接触面上的变形机理和受力状态，是一种比较适用的模型，在土与结构相互作用分析中具有一定的应用前景。     

基于超弹性模型的牙周膜力学行为数值模拟

为了准确预测牙周膜的力学行为,采用指数超弹性模型对牙周膜剪切实验及临床口腔正畸进行模拟分析,基于连续介质力学理论推导了模型的本构方程和弹性张量,开发了模型的ABAQUS UMAT子程序,并通过指数超弹性模型的本构方程与4组剪切实验数据的拟合获得模型参数.拟合结果表明,指数超弹性模型能够准确描述牙周膜的非线性力学行为.同时,通过有限元分析所获计算结果分别与4组牙周膜剪切实验结果的对比,验证了所开发的牙周膜指数超弹性模型UMAT子程序的正确性.经临床口腔正畸模拟结果显示,在正畸载荷作用下,牙周膜的应力主要集中在牙颈和根尖处.     

钢纤维聚合物混凝土抗弯性能的分析

从微细观力学角度出发,借助损伤本构关系模型分析了钢纤维聚合物混凝土的弯曲性能。探讨了钢纤维聚合物混凝土材料细观结构对宏观性能的影响。这些研究结论,为进一步研究钢纤维聚合物混凝土的性能提供新的理论分析方法。可为满足不同应用领域的特定性能要求设计最优的钢纤维聚合物混凝土材料组分时参考。     

流动应力下降尺度效应的数值模拟

采用率相关晶体塑性本构关系及弹塑性大变形增量有限元方法,通过在晶粒尺寸相同条件下模拟不同尺寸微型铜圆柱体镦粗实验,对流动应力下降尺度效应现象进行了数值模拟研究,获得了与实验及表面层模型较为一致的结果.结果表明,随着坯料尺寸的减小,流动应力逐渐下降;晶体塑性理论能够解释并描述流动应力下降尺度效应现象,并在一定程度上对流动应力下降幅度做出预测.     

分布式光纤裂缝传感技术的试验研究

为探讨光纤-混凝土复合体在开裂过程中形成的力学-光学本构关系,本文采用模型试验方法对混凝土裂缝监测的分布式光纤传感力学-光学本构关系进行了实测标定,将试验结果中的混凝土裂缝宽度和光损耗值绘于坐标图上,分别采用半对数坐标幂函数拟合和普通坐标的多项式拟合2种方法建立了二者之间的函数关系。2种拟合方法结果的比较表明,普通坐标多项式拟合法优于半对数坐标幂函数拟合法。     

压剪耦合损伤演化方程在混凝土本构模型中的应用

将等效微孔洞体系的概念与有核长大模型的思想相结合,根据有关物理关系通过严格的数学推导,提出了一种脆性材料的压剪耦合损伤演化方程.将该演化方程应用于混凝土脆弹性损伤软化本构模型之中,通过对混凝土一维应力条件下的实验应力应变曲线的优化数值模拟确定了损伤演化方程中的材料参数.研究结果表明,应用含损伤的本构关系和该压剪耦合损伤演化方程能得到损伤随时间变化的曲线,该曲线与采用CT技术观测的混凝土内部微孔洞扩展图像和结果有较好的一致性.所提出的损伤演化方程揭示了脆性材料压剪耦合损伤发展的宏细观机制,为更好地分析计算混凝土的高速贯穿等问题奠定了基础.     

基于超弹性PDMS的摩擦纳米发电机的性能研究

常用于摩擦纳米发电机的聚二甲基硅氧烷是一种超弹性聚合物,但迄今对其理论分析均采用线弹性本构假设,没有通过实验证明其是否有效.首先基于超弹性本构对PDMS摩擦纳米发电机的接触力学和静电感应性能进行仿真;其次通过光刻和复型工艺制备了PDMS金字塔织构,构建了摩擦纳米发电机实验装置,并将实验与理论结果对比.研究表明:随着施加压力增大,摩擦纳米发电机的接触面积和开路电压均随之增加,之后趋于稳定;相比于超弹性本构,采用线弹性本构高估了金属与PDMS的接触面积,低估了使摩擦纳米发电机开路电压稳定所需施加的压力;采用超弹性PDMS本构的仿真结果与实验更为吻合.      

铸造镁合金弹塑性多尺度模型数值分析

为了实现应力与应变等力学量跨不同尺度的定量转换,并获得跨微/细/宏观的多尺度有效本构方程,利用MTS材料实验机对镁合金(AM60)和美国通用汽车公司提供的纯镁基体进行了力学性能测试,得出镁合金和基体材料的力学性能参数,采用混合物定律,得到相应的颗粒材料力学性能.根据镁合金(AM60)结构特点,建立具有复杂内部结构(任意夹杂形状)的镁合金体胞的有限元模型,夹杂和基体的材料性能分别选用颗粒材料和纯镁基体材料力学性能参数.通过对镁合金体胞的有限元数值分析,该方法克服了目前解析法建立多尺度模型的局限性.利用所发展的多尺度本构模型对镁合金AM60的单向拉伸过程进行了数值计算,结果与实验数据吻合较好.     

波速与混凝土裂纹拓展的相关性实验研究及数值模拟分析

为了研究腐蚀条件下混凝土裂纹拓展的行为过程,结合断裂力学理论,采用声波测试仪进行裂纹探 测,建立相关性本构关系;借助高速摄影机观测了腐蚀条件下混凝土裂缝的拓展过程,分析了裂纹的影响因素及拓展过程;利用拓展有限元软件ABAQUS进行了数值模拟,验证了其有效性。结果表明：混凝土内部的微观裂纹拓展过程与波速有很强的相关性。早期,波速保持不变,维持较长一段时间,超过临界点后,波速急剧减小,直至再次进入一个新的平稳状态。     

驻留-伸缩式胃肠道微型机器人的临界步距模型与实验分析

为获得驻留-伸缩式胃肠道微型机器人的主要设计参数范围,采用超弹性应力-应变本构方程描述肠道的生物力学特性,推导了驻留-伸缩式胃肠道微型机器人的临界步距模型.针对伸缩机构,根据临界步距模型中的速度-阻力关系系数,设计了光滑外壁的单舱体机器人模型实验,采用不同直径的离体肠道进行测试;为获取驻留机构设计参数,采用足模型测试了同一直径下不同足伸出长度的驻留力.将获得的机器人参数返回到数学模型中,导出了若干机器人设计准则.最后采用机器人样机的离体实验,验证了临界步距模型的有效性.     

含损伤的冻土动态本构模型研究

为研究冻土动态本构关系,基于损伤理论研究冻土的变形过程,用唯象模型将冻土看成黏性体和损伤体的并联组合体,并且利用强度理论以及复合材料等效夹杂原理获得冻土在冲击载荷作用下的动态本构模型及其参数的确定方法. 利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对冻土进行冲击加载实验,获得冻土在不同应变率冲击载荷作用下的应力-应变曲线,实验结果表明冻土具有明显的应变率相关性. 对比实验曲线和理论曲线可以看出模型计算与实验结果吻合良好,说明了建立模型的方法是可行的,且该模型能够很好地反映冻土动态加载过程的主要特征.     

基于纤维模型的外粘型钢加固混凝土柱静力弹塑性分析

基于纤维模型,引入约束混凝土本构关系,提出了对外粘型钢加固混凝土柱进行静力弹塑性分析的方法,并在OpenSees平台上编程实现.在此基础上,对约束混凝土本构参数进行了敏感性研究,探讨了混凝土材料本构模型对截面层次的弯矩曲率关系和构件层次的荷载位移关系的影响.经与2次不同的试验结果比较,计算的荷载位移曲线与试验结果符合良好,表明在外包钢加固柱进行弹塑性分析时,对约束混凝土采用Kent-Scott-Park本构模型可以获得良好的分析结果.本构模型中约束增强系数和应变参数对于分析结果,特别是弹塑性阶段结果的准确性起到非常重要的作用.