各向同性磁流变弹性体磁相关非线性动态力学行为的本构模型

各向同性磁流变弹性体是一种将磁性颗粒随机掺入到聚合物基体中制备而成的智能材料。在磁场作用下,其模量发生快速、可逆、连续变化,在振动控制领域显示出良好的应用前景。实验结果表明,各向同性磁流变弹性体的动态力学行为具有很强的频率、应变幅值和磁场相关性。尽管上述行为对于其潜在应用具有重要的影响,但目前关于各向同性磁流变弹性体磁相关非线性动态力学行为的理论研究则关注不够。为准确评价各向同性磁流变弹性体的动态力磁耦合行为,并指导其相关产品的设计,本文建立了一个基于连续介质力学理论,反映各向同性磁流变弹性体磁相关非线性动态力学行为的本构模型。随后,开发了和本构模型对应的数值实现算法,并对模型的预测能力进行了验证。该模型有助于深入理解各向同性磁流变弹性体磁相关非线性动态力学行为的潜在力学机制。此外,该模型有助于指导基于各向同性磁流变弹性体产品的设计和应用。

碳纳米管增强复合材料Timoshenko梁弯曲和屈曲行为分析

考虑碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)的尺度效应,研究宏观尺度下碳纳米管增强复合材料(carbon nanotubes reinforced composites,CNTRCs)梁的弯曲和屈曲行为。在EMT(Eshelby-Mori-Tanaka)方法的基础上,利用非局部理论提出了可表征CNTs尺度效应的非局部EMT本构模型。根据Timoshenko梁理论,采用哈密顿原理得到CNTRCs梁的静力学微分方程和边界条件。求解简支边界条件下CNTRCs梁的弯曲响应和极限屈曲载荷,并与文献进行对比验证所建模型和求解方法的正确性。分析了CNTs的尺度效应参数和体积分数以及复合材料梁的长细比等因素对简支CNTRCs梁弯曲响应和极限屈曲载荷的影响规律。结果表明,考虑CNTs的尺度效应会削弱结构等效刚度,且CNTs体积分数和尺度效应参数对大长细比CNTRCs梁的弯曲响应和极限屈曲载荷的影响幅度较大。

大变形下固体推进剂黏弹性本构参数的识别

在ZWT非线性黏弹性本构模型中添加额外的Maxwell单元,建立了非线性广义Maxwell模型(NLGMM)并进行数值离散化,基于Nelder-Mead单纯形算法,使用端羟基聚醚(HTPE)固体推进剂在不同等位移速率下的拉伸试验数据对本构参数进行优化和验证,分析了使用工程应变速率和真应变速率对真应力计算结果的差别。结果表明:经数值离散和参数优化后,建立的NLGMM可以很好地描述HTPE固体推进剂的力学行为,对真应力的计算结果与试验结果的最大相对误差不超过6%。当HTPE固体推进剂发生的变形量较小(真应变不大于0.1)时,使用工程应变速率计算的真应力与使用真应变速率计算结果之间的相对误差不大于5%,此时可忽略变形导致的非线性效应,使用工程应力-工程应变和工程应变速率进行计算来确定NLGMM材料参数;当HTPE固体推进剂发生较大变形(真应变不小于0.4)时,使用工程应变速率计算的真应力为使用真应变速率计算结果的1.33倍及以上,材料变形导致的非线性效应不可忽略,应使用真应力-真应变和真应变速率进行计算来确定NLGMM的材料参数。

含损伤的无机防弹玻璃的JH2本构模型

防弹玻璃具有良好的抗冲击性能,能够抵御枪弹、爆炸碎片以及其他高速飞行物体的攻击性威胁,广泛应用于安全防护领域。为探究防弹玻璃的无机玻璃层在冲击加载下的动态力学性能及本构关系,首先,采用电子万能试验机和分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置,获得了不同应变率下材料的拉伸和压缩力学性能,结果表明,无机玻璃具有明显的应变率效应,材料强度随应变率的升高而增大。其次,借鉴土力学三轴围压试验,设计了适用于本研究的高强围压套筒,测试了完全损伤条件下玻璃颗粒的力学性能,发现其强度明显低于完整状态下无机玻璃的强度。最后,结合试验数据构建了含损伤无机玻璃的JH2本构模型,采用非线性有限元软件LS-DYNA模拟了材料在SHPB加载下的压缩过程,通过对比试验结果与模拟结果,验证了本构模型的有效性。

硅橡胶动态冲击本构模型

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置对硅橡胶动态力学性能进行研究,为准确获取硅橡胶动态冲击下的应力-应变曲线,对紫铜、卡纸、胶布、铅块四种整形器进行实验探究,选取适合硅橡胶SHPB实验整形器,解决试样早期不均匀变形问题;对硅橡胶进行0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa和0.4 MPa四种气压冲击实验,测试硅橡胶动态冲击性能;采用Mooney-Rivlin超弹模型和单个Maxwell模型建立了高应变率黏超弹本构模型。结果表明,铅块最适合用来作整形器,有效延长入射波下降沿时间的同时,还可以过滤高频振荡;测试了硅橡胶在1 811~3 433 s^(-1)应变率下的力学性能,硅橡胶的应力-应变曲线呈现出典型的应变率强化的黏弹特性;本构模型曲线与实验结果曲线基本重合,准确地表征了硅橡胶在高应变率下冲击力学性能,可作为后续研究和工程设计的基础。

基于有限体积法的光固化树脂黏弹性力学行为研究

光固化聚合物体系成分复杂,随时间变化的黏弹性力学行为具有不确定性.因此,以代表性光固化树脂中的聚氨酯丙烯酸树脂(polyurethane acrylate,PUA)为例,基于二阶位移展开有限体积法及分数阶黏弹性本构关系发展光固化树脂的力学模型.首先,根据边界条件确定胞元面的连续性条件和数值模型的总刚矩阵,显式计算所有胞元的未知面位移.为探究光固化树脂在不同应变率影响下的黏弹性力学行为,引入分数阶有限变形Kelvin-Voigt黏弹性力学模型,建立应力-应变之间的本构关系.然后,通过应变率分别为10^(-4),10^(-3),10^(-2)以及10 s^(-1)的单向拉伸试验完成本构模型中弹性项以及黏性项的参数识别.最后,开展不同应变率下的单向拉伸试验及数字图像散斑(digital image correlation,DIC)分析,评估数值模型的计算误差.结果表明,文章所建立的数值模型能有效预测不同应变率下光固化树脂的力学行为,并且平均预测误差仅为1.98%.

Hf元素添加对CuZr基非晶合金动态弛豫的影响

考虑到非晶合金具有独特的无序微观结构,其表现出极为复杂的弛豫动力学特性.动态弛豫行为在非晶合金中普遍存在,深刻理解其机制对于解构非晶合金固有的非均匀微观结构至关重要.少量元素的添加是调控非晶合金微观结构有效手段之一.本研究以玻璃形成能力良好的Cu_(46)Zr_(47-x)Hf_(x)Al_(7)(x=0,8)非晶合金为模型合金,运用动态力学分析方法研究复模量随频率和温度的变化,进而探究Hf元素取代Zr元素对动态弛豫的影响.在动态力学频率谱中,借助准点缺陷理论阐明非晶合金在玻璃转变温度T_(g)以下处于等构型状态,准点缺陷浓度保持恒定;而在T_(g)以上,准点缺陷浓度随温度的上升呈线性增加.Hf元素的添加会降低玻璃体系等构型状态下的准点缺陷浓度,并抑制原子迁移能力.通过获取连续和离散的弛豫时间分布,直观展示了非晶合金的动力学非均匀性特征.在动态力学温度谱中,Hf元素的引入增加了玻璃体系的混合焓,抑制了β弛豫强度.进一步从内耗角度表明,Hf元素的引入不仅提高了与β弛豫相关的基本结构单元的激活难度,还增加了整个β弛豫过程的激活能.

基于应力松弛变形探索La基金属玻璃微观非均匀性

金属玻璃由于独特的微观结构而表现出优异的物理和力学性能,大量研究表明其微观结构表现为显著非均匀性,并且采用传统分析方法难以充分表征.如何建立宏观力学性能与微观结构非均匀性之间的内禀性关联是金属玻璃在固体力学领域尚未很好解决的重要科学问题之一.文章以La_(62)Cu_(12)Ni_(12)Al_(14)金属玻璃为研究载体,研究了宽温度窗口应力松弛行为,尝试探索金属玻璃在力学激励下微观结构非均匀性的演化规律.借助于经典扩展指数方程和激活能谱模型,研究了温度以及退火效应对金属玻璃应力松弛行为的影响规律.基于自由体积理论,明晰了金属玻璃应力松弛过程应力及缺陷演化规律,揭示了应力松弛变形过程中老化与变形导致年轻化的竞争机理以及对金属玻璃结构状态和力学行为的影响.借助于流变单元模型,厘清了金属玻璃在应力松弛过程中存在的老化与变形竞争的物理机制.本研究以应力松弛作为力学激励切入口,实验研究结合理论分析,从力学响应角度尝试揭示金属玻璃在变形过程微观结构非均匀性演化规律.

La基非晶合金蠕变缺陷激活机制

作为潜在的结构以及功能材料,非晶合金的变形行为研究始终受到广泛关注.非晶合金力学行为与其微观结构非均匀性之间的内禀性关联是固体力学和固体物理研究领域的重要科学问题之一.文章选取具有优异玻璃形成能力和力学性能的La_(62)Cu_(12)Ni_(12)Al_(14)非晶合金为模型体系,探索非晶合金蠕变变形机理及其缺陷激活演化机制.基于蠕变实验,系统地研究了退火对模型合金体系蠕变行为的影响,采用唯象扩展指数方程和弛豫时间谱分析,着重探讨了非晶合金扩展指数、特征弛豫时间、弛豫时间强度分布随退火时间的演化规律,获得了退火处理对非晶合金蠕变的影响机理.基于准点缺陷理论框架推导力学响应本构方程,可精确描述非晶合金蠕变变形演化过程,通过微剪切畴的形成、扩展以及不可逆合并合理解释了弹性、滞弹性和塑性变形分量的演化机制.从非晶合金高温拉伸蠕变实验出发,厘清了热力耦合作用下非晶合金缺陷激活机制,同时为进一步探究非晶合金结构非均匀性微观起源提供新思路.

从教学角度解读分子动力学模拟在金属玻璃黏弹性力学中的应用

从教学的角度出发,解读分子动力学(molecular dynamics,MD)模拟在金属玻璃黏弹性力学行为中的应用。采用MD模拟从原子尺度分析金属玻璃的微观结构,为深入理解金属玻璃黏弹性行为等提供了新的视角。蠕变、应力松弛以及动态滞后等是黏弹性材料的典型特征,其在金属玻璃中均可以归为弛豫行为,即亚稳态的原子构型在外力刺激下向稳态或另一个亚稳态跃迁的过程。借助MD模拟在典型CuZr金属玻璃体系中研究这3类的黏弹性算例,让学生更好地理解金属玻璃黏弹性力学的微观行为特征,提高学生对该领域知识的理解和掌握能力。

非晶固体动态力学弛豫分数阶黏弹性模型的教学方法

动态力学弛豫是理解非晶态固体力学/物理性能的一种重要手段。本文从基本的理论模型出发,介绍了弛豫行为的特性,并从最简单的德拜弛豫模型推广到适用于描述非晶固体动态弛豫的分数阶黏弹性模型,最后结合非晶合金的动态弛豫行为,介绍了分数阶黏弹性模型在工程实践中的应用。本文综合了笔者近几年对于非晶合金动态力学弛豫理论的教学实践,根据学生课堂学习效果,从教学内容与方法逻辑等方面进行探讨。本文教学方法可为讲授非晶固体动态弛豫相关课程的教师提供思路和方法。

大运动柔性梁非线性动力响应分析

分析了发生横、纵振动的大运动梁的非线性动力响应,引用梁横向和纵向振动的精确模态描述变形场,利 用拉格朗日方程建立了运动梁刚柔耦合非线性动力学方程。该非线性方程自动计及了动力刚化的影响。基于Newmark 直接积分法和Newton Raphson迭代法,给出了求解该非线性方程的数值方法。仿真算例证明了本文方法的正确性和有 效性。

昆虫翼拍动中受载变形的粘弹性本构模型

昆虫翼拍动受载时发生被动变形,被看作为有助于改善飞行性能的机制之一.决定这种被动变形大小的一个关键因素是昆虫翼的材料本构关系,至今缺乏研究.基于蜻蜓翼(离体)的应力松弛实验和模型翼拍动时受载变形的有限元数值分析,揭示了粘弹性本构关系是昆虫翼材料性能的合理描述,并研究了粘弹性参数对被动变形的影响.

钢板-泡沫铝-钢板新型复合结构降低爆炸冲击波性能研究

泡沫铝材料具有减振和吸收冲击能量的特点,但是单一的泡沫铝材料强度较低。为降低爆炸冲击荷载对框架底层柱的破坏,在两层钢板中间添加一层泡沫铝材料以构成多层复合抗爆结构,从而实现防爆和衰减冲击波的功能。当爆炸冲击波作用到复合结构时,泡沫铝产生塑性变形被压实,由于泡沫铝冲击波阻抗比较低,能够大大地削弱应力波的强度。在这个过程中,空气冲击波能量被减小,和单层材料相比,防爆能力得到提高。在研究过程中,主要进行了理论研究和LS-DYNA有限元动力分析,计算结果表明钢板—泡沫铝—钢板复合结构具有较好的吸能减振效果,可以运用到地面军事工程结构防爆设计中去,以提高地面军事建筑的战时生存能力。

低密度聚氨酯泡沫压缩行为实验研究

在室温下，对一种低密度硬质聚氨酯泡沫进行了准静态压缩及应变率在1×10^3～5×10^3s^-1范围内的冲击压缩实验。结果表明，所测试的聚氨酯泡沫材料在准静态实验与动态实验之间存在明显的应变率效应，但在纯动态实验中应变率效应不明显。最后，给出了以屈服应力、密度、应变等为参量的动态压缩本构关系，且能较好地与材料的动态压缩曲线吻合。

分层介质冲击响应的SHPB实验研究

借助SHPB实验装置建立了用于分层介质动态性能研究和数据分析的实验方法,通过调整子弹速度进行反复试验,测得由C30混凝土和泡沫混凝土组成的硬-软分层介质在冲击荷载下的应力、应变随时间的变化关系。实验结果显示,硬-软分层介质表现出的塑性性质明显强于硬材料的塑性,在应力、应变增加时,弹性模量逐渐减小,软材料的吸能作用很好的保护了硬材料,说明硬-软分层介质具有很好的抗高速冲击和削波作用。

黏弹性传动带1∶3内共振时的周期和混沌运动

研究了参数激励作用下黏弹性传动带在1∶3内共振时的周期解分岔和混沌动力学,同时考虑传动带的线性外阻尼因素和材料内阻尼因素。首先建立了具有线性外阻尼情况下的黏弹性传动带平面运动时的非线性动力学方程,黏弹性材料的本构关系用Kelvin模型描述,然后考虑黏弹性传动带的横向振动问题,利用多尺度法和Galerkin离散法得到黏弹性传动带系统在1∶3内共振时的平均方程,最后利用数值模拟方法研究了黏弹性传动带系统的周期振动和混沌动力学,得到了系统在不同参数下的混沌运动,数值模拟结果说明黏弹性传动带系统存在周期分岔,概周期运动及混沌运动。

粘弹塑性理论在混凝土变形中的应用

首先文章介绍了粘弹塑性统一本构模型的基本方程,根据混凝土的特点对统一本构模型进行了简化,简化后的模型对混凝土的无损伤段的变形模拟,取得了满意的结果。之后应用粘弹塑性统一本构模型对混凝土进行跳跃实验预测,同样获得了预期效果,证明粘弹塑性统一本构模型在混凝土的变形预测中的应用是成功的。

粘弹性力学的对应原理及其数值反演方法

积分变换是处理粘弹性混合边值问题的重要数学工具,积分变换的应用使粘弹性混合边值问题在象空间与相应弹性混合边值问题对应起来，从而使粘弹性混合边值问题的求解可以继承和借鉴弹性问题的求解方法，再利用积分反演方法就可求得时间域粘弹性边值问题的解．本文结合国内外的研究成果，就粘弹性力学中存在的各种对应原理及数值反演方法进行了归类和总结．结合在求解粘弹性边值问题中的应用，对各类方法的特点进行了评述，并指出存在的问题及发展新的数值方法的研究重点．

橡胶类材料大应变硬化的本构关系

橡胶材料具有良好的弹性性能和拉伸能力,为典型的超弹性材料.其在大应变时常呈现出应力-应变的增强或软化效应,本构关系较复杂.目前,有关橡胶材料大应变硬化的本构关系实验研究尚属匮乏.文中对橡胶类材料大应变时的硬化现象进行了实验和理论研究,提出了一种新的应变能函数来描述橡胶材料的本构关系,测定了橡胶材料硬化时的本构参数,并进行了实验验证.研究结果表明该应变能函数可较好地描述橡胶材料在大应变时的硬化现象,为进一步研究橡胶材料硬化的本构特性提供了参考依据.