纤维应变率相关的统计本构模型的理论与实验研究

本文根据经典的纤维强度统计理论,并在某些假设的基础土,建立了纤维的应变率相关的统计本构模型及其对应的本构方程。由该模型得到了利用纤维束冲击拉伸试验确定单丝应变率相关的统计本构方程中力学参量的原理和方法。在应变率为10^(-4)～10~3 1/S 范围内,用玻璃纤维束的拉仲试验检验该模型和确定本构方程参量的方法。试验结果和分析表明,该模型的假设和有关理论是正确的,方法是可行的。该模型能较好地解释玻纤在应变率为10^(-4)～1.1×10~2 1/S 范围内的力学性能。

单向玻璃纤维增强环氧树脂在冲击拉伸时的一维本构方程

本文在自行研制的冲击拉伸装置上首次实现了单向玻璃纤维增强环氧树脂的冲击拉伸加卸载试验，结合试件在冲击拉伸过程中的瞬态温升和能量分析的结果，提出了完整的复合丝束模型，推出了冲击拉伸时的一维本构方程；并对该材料在３００～２０００ｓ￣－１的应变范围内进行了全面的冲击拉伸试验，通过对试验结果的数值统计分析和应变率相关性分析拟合出具体的本构方程，结果表明这个方程是有效的，有明显的物理意义。

马氏体含量对双相钢力学性能的影响

在Ｅｓｈｅｌｂｙ等效夹杂的基础上，建立了双相钢在单向应力作用下的自洽模型，通过该模型对双相钢的弹塑性变形进行了数值模拟，拟合的结果与试验数据十分吻合。模型分析表明，对于马氏体、铁素体双相钢，随着马氏体含量的增加，存在着三种不同的破坏形式，其强度受三种不同的因素影响：在马氏含量很小时，双相钢的强度由铁素体控制；在马氏体含量很高时，双相钢的强度由马氏体控制；马氏体含量中等时，双相钢的强度由马氏体、铁素体界面决定。

红外瞬态测温装置及其在冲击拉伸试验中的应用

为研究材料在高速变形时的性态和破坏过程以及热力偶合问题,作者自行研制并设计了一套红外瞬态测温装置,同时对它进行了整体动态标定.并利用该装置在摆锤式杆-杆型冲击拉伸试验机上首次获得了三种不同材料的试件在冲击拉伸过程中的瞬态温升曲线,得到了一些颇有意义的结论。

摆锤式块杆型冲击拉伸试验装置的动力学系统简化分析

本文对摆锤式块杆型冲击拉伸试验装置进行了较完整的动力学系统简化分析。用差分方法和特征线方法进行了数值分析,并和试验结果进行了比较。结果表明本文的分析方法和计算程序是正确的和可靠的,该试验装置是合理的,可以得到材料在一定平均应变率下的应力应变曲线。本文还用数值分析的结果解释了试验中出现的现象,指出了试验系统的匹配问题,给出了判断试验装置最大打击应力的方法。

平面应力型动态断裂韧度的一种测试方法

1 引言由于试验技术及动态断裂分析上的困难,材料动态断裂韧度的表征与测试方法至今仍然很不成熟,尤其对于弹塑性材料,进展更为缓慢.早期的动态断裂韧度测试多半是在落锤式试验机上进行的,且用表征和测量准静态断裂韧度的方法来处理试验数据。

T300／Al金属基复合材料动态Monte Carlo细观数值模拟

以修正的剪滞模型和大型精细复合材料计算模型为基础，用Monte Carlo方法对精细网格单元的纤维性能进行随机赋值，同时对网格单元的基体弹塑性能和界面性能（包括摩擦力）以及残余应力进行确定性赋值，建立单向金属基复合材料的Monte Carlo损伤细观数值动力学本构模型。从细观角度对T300/Al复合丝的静、动态拉伸变形，损伤和破坏过程进行了模拟，并对纤维就位性能，纤维原位性能与复合材料性能之间的关系进行了讨论。结果表明，用纤维就位性能模拟出的应力应变曲线与试验结果一致吻合，用纤维原位性能模拟出的结果偏离了试验结果（预报强度高于试验强度），同时也揭示了复合材料的强度主要由纤维的就位强度控制。

TC21钛合金的高温动态拉伸力学行为

在应变速率为0.001～1270s-1、温度为298～1023K条件下对魏氏组织和双态组织的TC21钛合金进行拉伸试验,利用SEM对拉伸试样的断口进行观察。结果表明:TC21钛合金的拉伸力学行为存在显著的温度和应变速率相关性;当应变速率为0.001和0.05s-1的屈服应力—温度曲线存在转折点,且转折点温度随应变速率的增大而升高;当温度低于转折点温度时,相同氧含量的TC21钛合金和多晶纯钛的屈服应力具有相似的温度相关性;微观组织影响屈服应力的幅值和拉伸塑性的大小,但不影响屈服应力的温度相关性和应变速率相关性;除魏氏组织在室温0.001s-1时为穿晶和沿晶混合断裂外,其他工况下的魏氏组织和双态组织均为穿晶韧性断裂;TC21钛合金在拉伸变形过程中未出现绝热剪切带和形变孪晶。

TC21钛合金不同变形条件下的显微组织研究

在国内率先完成了新型八元系高强韧钛合金TC21的热模拟压缩变形实验,研究了TC21合金在β相区、(α+β)相区及相变点Tβ共8个温度点及0.01~50s-1等5个应变速率值条件下的单向热加工变形特性,重点对加工态金相组织、尤其是0.01s-1和50s-1条件下的组织进行了研究,结果发现,在试样的不同部位存在变形组织的不均匀现象,该合金在不同温度区域变形时分别发生重结晶和动态再结晶。重结晶导致晶粒粗化(约100~200μm),而动态再结晶致使晶粒细化(最小在1~2μm以下)。

复合材料飞轮的三维应力分析

高速旋转的飞轮在给定外径和质量的情况下 ,轮缘采用先进的碳纤维缠绕 ,提高飞轮的转速 ,从而增大飞轮的储能密度 ,解决了飞轮轮缘因高速旋转而断裂破坏的问题。本文采用三维实体元分析计算复合材料飞轮工作时的应力分布 。

工业纯铝L2应变率相关的拉伸力学性能研究

对工业纯铝L2进行了不同应变率下(O.001、0.02、200、500和1300 s-1)拉伸力学性能的试验,得到各应变率下完整的应力-应变曲线.试验结果表明:在应变率很低时,其屈服应力(σs)、拉伸强度(σb)和失稳应变(εb)随着应变率的增加变化不大;当应变率很高时,σe和σh随着应变率对数的增加而增大,而εb随着应变率的增加而减小;弹性模量则对应变率不敏感.采用修正的幂次强化模型及其简化模型来描述L2的应变率敏感行为,并采用Ramberg-Osgood模型拟合各个应变率下的应力应变曲线,结果表明,此两种模型能够很好地描述L2应变率相关的力学行为.

温度和应变率对多晶纯钛孪晶变形的影响

在自行研制的杆杆型高温冲击拉伸实验装置上对多晶纯钛在不同温度（298～973K）、高应变率（300和1400／s）下的拉伸力学行为进行研究，并通过与准静态下（0．001和0．01／s）的实验结果相比较，揭示纯钛中孪晶变形在拉伸载荷下与温度和应变率的相关性。结果表明，孪晶变形与温度和应变率有着明显的相关性，其密度随着应变率的增加而增大，随着温度的升高而锐减。基于上述实验结果，考虑位错运动和孪晶变形对纯钛塑性变形的影响，建立纯钛温度和应变率相关的宏观本构模型。数据拟合结果表明，该本构模型能够很好地描述纯钛的温度和应变率相关的拉伸力学行为。

侵彻混凝土弹体磨蚀的若干研究进展

在侵彻混凝土和岩石加固与防护的深埋目标的过程中,弹体需保证尽可能小的变形以保持结构完整性,其理论模型常假设为刚性体;而真实弹体随侵彻速度增加,质量损失和局部侵蚀(简称磨蚀)造成的损失不断加剧,故不再能看作刚性体。弹体磨蚀过程会显著影响弹体侵彻性能,导致弹体破坏或失效,故磨蚀研究十分必要。从实验研究、经验及理论模型分析和数值模拟角度,总结了弹体侵彻粘结基靶体(混凝土或岩石)时,磨蚀的相关研究成果,并提出了对未来研究方向的建议。

纤维束张紧力缠绕复合材料飞轮的预应力简化分析

在纤维束缠绕时施加张紧力,使得固化成型后的飞轮内部形成一定的预加径向压应力,这是提高飞轮径向强度的有效方法之一。基于过盈配合的思想建立了计算张紧力缠绕导致的复合材料飞轮内部预应力和变形的简化模型和方法。通过算例分析发现:等张力缠绕产生的环向应力在半径方向上先减小后增大,径向压应力不断变小;变张力缠绕过程中,张紧力由小逐渐变大时,飞轮的径向压应力增大,径向强度提高;飞轮设计中仅仅依靠张紧力缠绕是不够的,还必须和固化成型后的厚壁筒之间的过盈套装一起来设计合理的径向预加压应力。

轮胎振动噪声的数值模拟

给出了一个可分析轮胎滚动时振动噪声的频域计算方法。该方法先利用有限元得到轮胎在地面滚动时表面节点的振动速度,并将其转化为声学计算的频域边界条件,再利用声学边界元计算轮胎的低频振动噪声。同时对该方法的有效性进行了考评,结果表明可以在400Hz以下的低频范围内分析轮胎的振动噪声特性。利用该方法,对215/ 55R16型轮胎的振动噪声进行了分析,初步揭示了该轮胎的振动噪声主要来自于轮胎的1阶侧向振动,2阶径向振动,3阶径向、侧向复合振动以及胎侧、胎面局部振动。其中2阶径向振动噪声和胎面局部振动噪声幅度较大且容易传入车内,影响乘坐舒适性,应该作为降低轮胎低频振动噪声的重点。还揭示了轮胎噪声声压幅值随着速度升高而迅速增大;随着充气压力和载荷的增减,轮胎刚度发生变化,从而导致振动噪声的改变,但变化幅值很小,且无明显规律。

基于实验的数值反演的滚动轮胎稳态温度场的有限元分析

根据轮胎温度场的单向解耦分析思想,形成了一个基于ABAQUS程序的轮胎稳态温度场的分析方法,单向解耦过程分为变形、损耗、热传导三个分析过程。变形分析中,采用了平衡态的超弹性材料模型;损耗分析中,依据变形分析获得的应力应变场,结合材料粘性损耗特性来获得损耗能量;热传导分析中,依据实测的轮胎胎侧温度场,提出了一种基于实验的数值反演方法来确定胎侧的对流热边界条件。由于轮胎胎侧的形状和结构细节,其对流热边界不同于旋转平圆盘的对流热边界,本文的数值反演方法避免了实测胎侧对流热交换系数的困难。

PMMA低、中应变率单向拉伸力学性能的实验研究

利用MTS810试验机和自行研制的中应变率材料试验机对有机玻璃(PMMA)准静态(应变率为2.00×10-2s-1,2.01×10-3s-1和2.38×10-4s-1)和中应变率(应变率为18.6s-1,2.81s-1,6.54×10-1s-1和2.92×10-1s-1)单向拉伸力学性能进行了实验研究。应变率为2.38×10-4s-1时,应力-应变曲线中存在软化段。结果显示,在上述应变率范围内,PMMA的力学性能具有明显的应变率相关性,表现为应变率强化、应变率硬化和高速脆性。PMMA的拉伸力学性能在应变率达到18.6s-1时出现了更大的应变率敏感性。采用包含一个非线性弹簧和六个松弛模式的粘弹性模型分析PMMA力学性能的应变率相关性,得到PMMA在低、中应变率下单向拉伸的本构方程,理论结果与实验结果符合较好。

中心裂纹圆盘集中载荷作用下的应力强度因子

在无裂纹圆盘应力分量解析解的基础上 ,利用泰勒级数展开 ,并运用三角函数的倍角公式 ,得到了σθ、σrθ和σr幂级数展开式及其系数Aji的统一表达式 .然后 ,用权函数方法推导出Ⅰ +Ⅱ复合模式加载条件下中心裂纹圆盘试件应力强度因子KⅠ 和KⅡ 的计算公式及系数 fji 的统一表达式 ,可以解决任意相对裂纹长度或任意加载角(裂纹方向与载荷作用线夹角 )下 ,KⅠ 和KⅡ 的精确计算问题 .算例分析表明随着裂纹相对长度α的增大 ,计算应力强度因子时 ,必须取足够大的项数n(n>5 ) ,才能保证级数解的精度 ;对于中心裂纹圆盘试件 ,产生纯Ⅰ型裂纹的加载条件不随裂纹的相对长度而变化 ,而产生纯Ⅱ型裂纹的条件与裂纹的相对长度和加载角相关 ;此外 ,当实施纯Ⅱ型裂纹试验时 ,可根据实测的裂纹相对长度α ,计算出试验应设置的临界加载角θc.

碳纤维静、动态加载下拉伸力学性能的试验研究

利用岛津试验机和自行研制的旋转盘式冲击拉伸试验装置 ,对T3 0 0和M40J两种碳纤维实施了应变速率范围为 0 .0 0 1～ 1 3 0 0s-1的静、动态拉伸试验 ,获得了两种材料在不同应变速率下的完整的应力应变曲线 .试验结果表明 ,T3 0 0纤维束和M40纤维束的弹性模量、拉伸强度以及失稳应变在上述应变速率范围内均未发生明显变化 ,可以认为是一种与应变速率无关的材料 .根据纤维束模型和纤维强度的统计理论 ,结合两种纤维束在不同应变速率下的试验结果 ,建立了纤维束的统计本构模型 .模型分析表明 ,T3 0 0纤维强度满足两参数的单Weibull分布 ,而M40J纤维强度则需用双Weibull分布才能更好地描述 .

复合材料空心飞轮多环套装整体变形及应力简化精细分析

采用多环过盈装配是解决复合材料飞轮径向强度过低的有效途径之一。本文作者采用平面应力简化模型,提出了计及过盈配合后变形导致实际过盈量增大计算飞轮套装后的初终应力分布的方法;提出了基于叠加原理计算多环过盈装配旋转飞轮应力的方法;提出了保证飞轮旋转时配合界面不脱离的相关临界转速的概念和计算方法。算例分析表明:过盈配合后的变形对初终应力的影响不能忽略;过盈量和套装环数与飞轮的初终应力和相关临界转速有密切的关系。