压电材料非线性本构关系及有限元实施

通过对试验结果的分析 ,提出经过简化的压电陶瓷PZT 4的非线性本构关系 ,建立相应的有限元计算方法 .以多重复合式压电材料启动器为例 ,计算电荷载作用下的电畴翻转、反向极化和反向电致屈服等非线性响应 ,从而对压电材料启动器的工作特性有所了解 ,并对它的破坏机理的研究提供一些启示 .     

铁电材料的非线性本构行为

针对铁电试样电畴随机分布的情况,提出了多电畴力学模型．模型中极化后的铁电试样由许多靠近极化电场方向的随机分布的电畴所组成．每个电畴看作是一个单元,每个单元的翻转驱动力计算公式中的应力和电场强度采用宏观应力和电场强度,利用标定的电畴翻转驱动力与电畴翻转体积分数之间的强化关系,计算出每个单元的电畴翻转体积分数,将外加应力和电场强度和求得的电畴翻转体积分数代入本构方程就可以求得各个单元的应变和电位移,对所有单元进行体积平均得到铁电试样的宏观本构响应．同时也对铁电试样的非线性本构行为进行了有限元模拟．在有限元计算中,首先由宏观应力和电场强度计算出每个单元电畴翻转驱动力,进而得到各单元电畴翻转体积分数,就可以针对本次加载进行有限元计算,计算中考虑到各单元自发极化方向不同而引起的交互作用得到各单元的应力、应变和电位移,体积平均求得试样的宏观本构行为．根据以上两种方法进行了计算,计算结果包括单轴力加载和单轴电加载下的应力应变曲线、应力电位移曲线以及力电耦合加载下铁电试样的电滞回线、蝶形曲线,理论预测与实验结果符合良好．     

铁电材料P-E本构关系

铁电材料的极化机制包括：位移极化,转向极化．位移极化正比于外加电场;将电畴的固有电矩在极化方向按玻尔兹曼能量取加权平均得到转向极化．由此推出一个简单的解析表达式,表达了铁电材料极化强度P与外电场E的本构关系．将该解析表达式的结果与文献给出的电滞回线实验数据进行比较,2者符合得非常好．该解析表达式对磁滞回线的模拟效果也非常令人满意。     

铁电材料非线性力电耦合特性的模拟计算

铁电材料具有独特的内部结构 ,在外加力、电场的作用下 ,由于电畴的反转而表现出非线性滞回特性。基于单晶的本构行为 ,发展了针对铁电陶瓷性能的计算方法 ,计及了四方结构铁电多晶材料中晶粒与基体间相互的能量作用 ,考虑了 90°及 180°反转的不同能量限值 ,计算结果表明该模型能较好地描述铁电材料的非线性行为。     

平面应力状态下混凝土的本构模型

在混凝土的非线性有限元分析中，需要模拟混凝土的应力-应变关系，根据混凝土单轴受压典型曲线特征，采用Hermite插值给出了混凝土单轴受压条件下具有明显几何意义的σ-ε关系，以给定的混凝土强度准则为基础，给出了混凝土平面应力状态下的增量本构关系，利用特征屈服半径的概念将初始屈服面、后续屈服面以及破坏面表达为一个统一的形式；特征屈服半径的概念将平面应力状态下混凝土的本构关系与单轴受压状态统一起来，使问题的处理一体化，计算结果与试验结果的比较，验证了本构模型的可靠性。     

铁电单晶材料力电耦合性能模型

铁电材料是一类典型的非线性材料。作者借助晶体塑理论的方法,采用铁电畴结构的非完全连续反转模式,考虑畴壁移动的能量耦散与外力做功及内能变化的平衡关系,建立起单晶铁电材料的电畴反转模型,以期作为确立多晶铁电陶瓷本构关系的基础,计算结果表明该模型能较好地描述铁电单晶地非线性力电耦合行为。     

外推长度对铁电存储材料BaTiO_3薄膜极化分布的影响

基于朗道-德文希尔（Landau-Devonshire）平均场热力学理论,计算并阐述了在非对称的边界条件下外延生长的铁电存储材料BaTiO3薄膜的极化特性,特别研究了外推长度在薄膜由顺电相到铁电相的相变中所表现出来的重要作用,得出铁电薄膜的极化特性及其分布强烈地依赖于外推长度的取值,揭示了外推长度在铁电薄膜的铁电相变中的物理本质.     

基于M-C准则下非线性材料弹塑性矩阵的推导

由于利用应力不变量以统一形式表达四个屈服准则本构关系的方法应用于摩尔—库仑准则时，在计算中会有奇点出现．针对非线性材料的弹塑性变形特征和其屈服面的非正则性的特点．采用增量理论和等向强化模型，直接导出了平面应力状态下的应力应变间本构关系的弹塑性矩阵。不仅避开原方法中的奇点问题，提高了计算精度，而且概念清晰，便于运用．     

电致伸缩材料非线性力学计算中的几个问题

由于电致伸缩材料本构方程的非线性特性,该材料在力学理论计算、材料参数测试中会出现一定的困难.同时,电场体积力在计算与实验中也应纳入考虑范围.文章给出了一种合适的电致伸缩材料的本构方程,并指出电场体积力的表达式取为Maxwell应力较为合适.利用一种简单模型,给出了0阶近似下的2种处理方式(考虑电场体积力与否)的近似解以及一般处理方式下的解析解.利用推导结果得到了这3种不同处理方式下的位移、应力场数值算例.结果表明,应根据不同条件,在具体计算中合理地处理电场非线性效应以及电场体积力才能得到符合实际情况的结果.     

电致伸缩材料非线性力学计算中的几个问题

由于电致伸缩材料本构方程的非线性特性,该材料在力学理论计算、材料参数测试中会出现一定的困难.同时,电场体积力在计算与实验中也应纳入考虑范围.文章给出了一种合适的电致伸缩材料的本构方程,并指出电场体积力的表达式取为Maxwell应力较为合适.利用一种简单模型,给出了0阶近似下的2种处理方式（考虑电场体积力与否）的近似解以及一般处理方式下的解析解.利用推导结果得到了这3种不同处理方式下的位移、应力场数值算例.结果表明,应根据不同条件,在具体计算中合理地处理电场非线性效应以及电场体积力才能得到符合实际情况的结果.     

45#钢热粘塑性本构参数的确定及应用

基于45#钢3种不同热处理状态的材料测试系统(MTS)和Hopkinson不同加载条件(应变率10-3~103/s)下的真应力-真应变曲线,利用最小二乘法拟合了Johnson-Cook本构关系中的待定参数,修正了应变率硬化指数,拟合的本构关系参数的计算值与实验数据比较,吻合很好.数值模拟结果与霍普金森压杆(SPHB)实验曲线的对比说明,修正的Johnson-Cook本构关系可以更真实地描述冲击载荷条件下45#钢的力学行为.在此基础上获得了本构关系参数与材料组织铁素体体积分数之间的定量关系,为高应变率载荷条件下使用的45#钢热处理工艺制定提供了科学依据.     

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.     

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.     

Sr_(1.95)Ca_(0.05)NaNb_5O_(15)晶体的介电、热电和热学性质

用差示扫描量热法研究了Sr_(1.95)Ca_(0.05)NaNb_5O_(15)(SCNN)晶体的热学性质,测得其铁电-顺电相变的转变热△Q=3.68×10~3J/mol.DSC分析表明,晶体的铁电。铁弹相变不会引起比热反常.介电和热电测量结果证实了SCNN晶体存在低温铁电-铁电相变,其相变温度在85K以上。     

激光作用金属板材的温度场和热应力场

基于Von Mises屈服准则和弹塑性本构关系,建立了连续激光辐照金属基体材料的空间轴对称有限元模型.该模型考虑了金属材料在激光作用过程中的热学及力学性质的非线性,计算了光强为高斯分布的激光光束加热钢板时的温度场和热应力场,得到了温度场和热应力场的分布及其随时间的变化规律.通过对结果的分析,认为在激光作用前期热膨胀会造成热应力上升,而后期材料的热软化会导致塑性区域应力水平下降和其他区域应力水平增加缓慢甚至下降.有限元计算结果与已知实验结果的对比表明了有限元法的有效性.     

人工复合铁电多层膜的极化性质研究

建立了三层铁电复合薄膜的理论模型,采用Ginzburg-Landau-Devonshire(GLD)唯象理论,引入表示不同材料过渡层性质的局域分布函数,重点研究了具有不同相变温度的铁电材料复合而成的铁电薄膜的极化性质.通过改变不同铁电材料的复合方式及不同铁电材料之间过渡层的厚度,计算了铁电多层膜内部的极化强度分布.研究表明,不同相变温度的铁电材料间复合方式以及它们之间的过渡层的厚度对铁电薄膜的极化分布都有着重要的影响,并且存在临界过渡层厚度,其它复合铁电薄膜的极化分布曲线都在取两临界过渡层的曲线之间.     

压电智能薄壁结构电致材料和几何非线性建模与分析

随着压电智能薄壁结构在航空航天领域的广泛应用,对计算模型准确性的要求也越来越高.压电智能结构在强致动电压下会同时发生电致材料非线性和几何非线性,为了给压电智能薄壁结构的设计和应用提供更准确的模型,基于一阶剪切变形假设,同时考虑压电材料非线性本构关系以及多种几何非线性理论(包括冯卡门非线性、中等转角非线性以及大转角非线性),建立了压电智能薄壁结构在强致动电压下的几何非线性有限元模型,并通过已有研究的实验数据验证了模型的准确性.最后,基于电致材料非线性和不同几何非线性模型,进行了平板结构和半圆形压电壳体结构的仿真和分析,显示了同时考虑电致材料和几何非线性的必要性.     

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.     

基于OpenSees的空间桁架后屈曲材料本构模型

空间桁架结构在轴向压力作用下容易发生失稳,采用合理的钢材本构关系进行分析是准确追踪桁架屈曲后行为的有效方法.借助Open Sees软件平台,基于桁架非弹性后屈曲单轴材料本构模型,根据滞回准则,提出了该本构模型新的实现方式;将模型分解为受拉屈服前卸载、受拉屈服后卸载、受压屈服前卸载和受压屈服后卸载4种加卸载路径,基于材料基类编制了空间桁架弹性后屈曲、非弹性后屈曲本构模型,通过算例验证了这些本构模型的正确性,并为如何采用这些模型进行空间桁架结构分析提出了建议.     

复杂应力状态下混凝土即时弹性模量的实用算法

复杂应力状态下混凝土的本构关系是混凝土上结构非线性分析及破坏过程计算机仿真的基本条件．本文提出一个简明实用的计算混凝土即时弹性模量常数的算法，计算结果与已有实验数据相比吻合较好，试算表明有足够的工程精度