高温高应变率下钛合金Ti6Al4V的动态力学行为及本构关系

采用分离式霍普金森压杆实验技术,研究了钛合金Ti6Al4V在温度为25~800℃、应变速率为2 000~7 000 s-1的冲击压缩下的动态力学行为和微观组织演变,分析了其力学响应的温度依赖性和应变率敏感性,构建了可准确表征材料塑性流动行为的修正Johnson-Cook模型。结果表明,Ti6Al4V具有显著的应变硬化、应变率强化、应变率增塑和温度软化效应。随着加载温度和应变率的升高,材料的应变硬化效应减弱。温度敏感性随加载温度的升高而显著降低。应变率敏感性因子与加载温度呈负相关,随真实应变的增大呈下降趋势。高温高应变率下细小等轴α相、拉长型α相和块状α相取代初始等轴α相成为Ti6Al4V微观组织的典型特征。考虑率-温耦合作用和绝热温升影响的修正Johnson-Cook模型能够准确地预测Ti6Al4V的塑性流动应力-应变响应。

不同密度硬质聚氨酯泡沫的力学性能和本构关系

目的不同密度的硬质聚氨酯泡沫(RPUF)适用于不同的工程应用,通过对不同密度RPUF力学性能开展研究,并对现有的本构模型加以修正,得到材料真实的本构关系。方法通过开展不同密度RPUF材料的准静态压缩实验(0.001 s^(−1))及不同加载速率(100~1000 s^(−1))下的动态压缩力学性能实验,得到材料的应力-应变曲线,在此基础上分析RPUF材料的密度效应及应变率敏感性,得到其真实本构关系。结果RPUF材料力学性能受到密度和应变率的耦合影响,随着密度以及应变率的增大,RPUF材料的屈服应力呈指数函数形式增大;给出了RPUF材料屈服应力与应变率及密度之间的函数关系式。结论得到了基于实验数据以及横向惯性效应修正后的Sherwood-Frost模型(M-S-F模型),研究结果可为RPUF材料在抗冲击方面的工程应用提供指导。

水力压裂体积张开度-应力扰动本构关系及压裂效果调控

储层体积张开和应力扰动是水力压裂过程中相互伴生的力学行为.前者创造了储层水力裂隙网络,包括主裂缝和分支裂缝网络,它们为游离气提供运移通道.后者是储层基质骨架上的压应力增量,包括主裂缝应力扰动和静水应力扰动,它们通过在脆性储层产生剪胀扩容或在塑性储层产生塑性变形,控制骨架基质吸附气的解吸和扩散通道.二者共同决定水力压裂的工程效果.为了进行压裂效果调控,文章建立体积张开度-应力扰动本构关系,包括体积张开度-应力扰动细观机理、数学表达式以及施加流体载荷的方法,从而将水力压裂众多影响因素融入一个模型中.水平井压裂实例表明,该本构关系揭示了水力压裂和效果评价的各主要力学特征、机制和影响因素,可以反映断裂传播机制(黏性-储存主导机制和黏性-滤失主导机制)、压裂液(水、液态CO_(2)、超临界CO_(2)和N2)以及流量对体积张开度和应力扰动的影响,为建立压裂效果调控机制:流体载荷-体积张开度-应力扰动-长效导流机制,奠定了关键理论基础.

玄武岩纤维沙漠砂混凝土本构关系及损伤特性研究

为了有效提高沙漠砂资源化利用,研究了玄武岩纤维掺量(0、0.3%、0.4%、0.5%)对沙漠砂混凝土本构关系和损伤特性的影响。结合本构模型拟合了玄武岩纤维沙漠砂混凝土的应力-应变曲线,利用声发射事件数分析了玄武岩纤维沙漠砂混凝土损伤破坏过程,并借助速率过程理论对玄武岩纤维沙漠砂混凝土的损伤程度进行了评估。研究表明:掺入适量的玄武岩纤维(0.4%)可以减小沙漠砂混凝土构件的损坏;Carrerira J模型与试验数据具有较高的吻合度;同时还发现构件在到达峰值应力附近时,声发射事件数会急剧增加;基于速率过程理论以损伤变量D与相对荷载V之间的关系建立的损伤演化曲线,可用来评估玄武岩纤维沙漠砂混凝土的损伤破坏程度。

基于截面配筋率的钢筋混凝土统一本构关系研究

为避免数值化分析中直接处理钢筋与混凝土之间的复杂关系,推导出钢筋混凝土构件轴心受压统一理论公式,做了不同配筋率与不同混凝土强度等级下的钢混棱柱体轴心受压试验,利用试验量测的荷载位移数据,结合Matlab曲线拟合工具的线性回归与拟合功能,建立了一种基于截面配筋率的能够描述钢筋混凝土材料力学性能的统一本构关系。对试验梁进行数值化分析表明,所建立的数值化模型应力应变特征与试验结果吻合较好,证明了该模型在钢筋混凝土实际运用过程中的可行性与适用性。

UHPC直拉试验方法与本构关系研究

超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete, UHPC)单轴拉伸(直拉)试验是分析UHPC抗拉性能和直拉本构关系的基础性试验,经过对其试件形状与尺寸的优化,试验成功率已得到了较大提升。但由于试件连接方式和局部加强方式的差异,各机构试验成功率参差不齐。为进一步保证直拉试验成功率,采用试验研究和数值模拟的方法系统分析了常见的四种试件连接方式和三种试件局部加强方式对试验成功率的影响,比选出最优试验方法。结果表明:面内夹持装置具有连接可靠、操作简单的优点,适合推广。但夹具的尺寸加工误差或微变形可能导致其与试件的接触面变窄、加剧夹持引发的试件应力集中,致使主裂纹位于测距范围之外;试件与夹具的接触区域进行柔性加强(粘贴碳纤维布)和刚性加强(粘贴铝片)均能有效解决上述问题,提高试验成功率。此外,采用比选的直拉试验方法,探究了钢纤维长径比和体积率对UHPC直拉损伤本构关系的影响。通过声发射(Acoustic emission, AE)监测探究了UHPC在直拉荷载作用下的损伤演化规律,利用声发射参数(累积计数比)构建损伤因子,得到了考虑钢纤维影响的UHPC直拉损伤本构关系。

超低温作用下UHPC受弯力学行为及其本构关系

研究了不同温度下超高性能混凝土(UHPC)的受弯力学行为,并利用吸能效率、声发射能量释放率和振铃计数表征了UHPC脆性失效的演变机制,构建了3种UHPC受弯本构模型.结果表明:当温度为-170℃时,UHPC的初裂抗弯强度和峰值抗弯强度分别从20℃的10.6、20.9 MPa增至21.1、42.5 MPa;在20~-170℃范围内,UHPC的脆性随温度降低先减小后增大,并在-80℃时达到最小值、-170℃时达到最大值;相较于过镇海教授和吴泽媚博士的本构模型,线性-非线性本构模型的预测精度最高、数据离散性最低.

ZL114A铝合金本构关系与失效准则参数的确定

针对航空发动机机匣材料ZL114A铝合金,构建描述该材料在较大温度范围下大变形及失效行为的材料模型。通过万能试验机及分离式霍普金森压杆试验装置测试ZL114A铝合金在常温准静态、高温和高应变率下的力学性能,分析温度和应变率对材料流动应力的影响。采用有限元程序和优化算法反求25~375℃内材料的硬化参数,结合高应变率(1310~5964 s^(-1))下材料的动态行为关系,构建包含塑性应变、温度及应变率的经验型本构模型。开展缺口拉伸、缺口压缩等试验并建立相对应的有限元模型,获取材料在不同应力三轴度下的失效应变,标定分段形式的Johnson-Cook(J-C)失效准则参数。通过不同温度下的平板侵彻试验和数值模拟验证失效准则及其参数的有效性。结果表明,ZL114A铝合金具有明显的应变硬化、温度软化及高应变率强化特性;具有应力饱和特征的Hockett-Sherby(HS)硬化模型较为准确地描述材料大变形下的力学行为;构建的材料本构关系可以描述ZL114A铝合金在大应变、宽温度、高应变率下的力学行为;分段形式的失效准则具有预测不同温度下材料失效行为的能力。

岩石爆破基础理论研究进展与展望Ⅰ—本构关系

岩石爆破技术在国民经济建设中发挥着重要作用,尤其在资源开采、基础设施建设等领域.本文对岩石爆破本构关系进行了深入研究和探讨,在传统本构关系研究的基础上,提出了本构关系1.0、2.0和3.0的演化阶段,分别探讨了矛盾关系、能量平衡以及最小作用量理论.本构关系1.0从岩石与爆炸、冲击荷载的相互作用出发,强调了矛与盾的关系,重点分析了岩石材料的动态力学响应;本构关系2.0以能量为切入点,将含有节理裂隙、层理和腔体等缺陷以及显著各向异性的岩石视为复杂结构材料,研究荷载输入能量与材料破坏所需能量之间的动态平衡关系,解析结构强度与输入能、耗散能及可释放应变能之间的关联;本构关系3.0关注爆炸荷载下应力波的传播规律及其与介质破坏效应的关系,特别是通过最小作用量理论来优化能量的传播路径,提高炸药能量的利用效率.这些理论不仅揭示了岩石在不同荷载条件下的力学行为,还为优化爆破设计和改善爆破效果提供了理论依据.同时,本文结合人工智能和大数据技术,提出了岩石材料工程基因的概念,通过建立岩石基因库,系统化管理岩石的物理力学参数,构建性能预测模型,提升了对岩石特性的理解和工程应用的精确度.未来,岩石材料基因库有望在矿产资源开发、地质灾害防治和基础设施建设等领域发挥更大的作用,推动工程技术的发展和应用.

往复压载下纤维增强混凝土力学行为退化及本构关系

为研究钢纤维混凝土在往复轴压荷载下的力学性能及其本构关系,开展单轴往复压缩试验,以不同纤维掺量和长径比为变量,探究钢纤维混凝土的力学行为退化及损伤演化规律。结果表明,与单调加载相比,往复加载作用下钢纤维混凝土试件强度有轻微退化;混凝土塑性应变累积随钢纤维体积掺量的增加而大幅降低,弹性刚度退化率随之增大,但对纤维长径比的影响不显著;应力退化率随卸载应变呈先减小后增大的变化趋势;基于力学行为退化现象和纤维增强效应,建立了钢纤维混凝土往复轴压下混凝土损伤演化模型,与试验结果进行比较发现该模型与试验数据吻合较好。

具有J形本构关系的气管支架结构设计与力学分析

目的气管支架移位、气管肉芽组织增生等并发症的发生,与气管支架的线性本构关系和天然气管的J形本构关系之间的力学性能不匹配有关。本文探讨如何设计一种具有J形本构关系的气管支架,实现气管支架和天然气管之间的力学性能匹配。方法依据负泊松比结构的本构特性,设计了一种由1个中心圆环和4条波浪形韧带组成的支架单元。利用控制变量法构建不同结构参数(韧带起点角度、圆环宽度、韧带宽度、圆环半径)的支架单元。利用有限元法分别对支架单元和支架整体进行拉伸模拟,分析结构参数对支架力学行为的影响。结果不同结构参数下支架单元拉伸模拟的本构关系曲线均呈J形;随着韧带起点角度从15°增大至60°,本构关系曲线逐渐左移;随着圆环宽度从0.3 mm增大至0.7 mm,本构关系曲线无显著变化;随着韧带宽度从0.15 mm增大至0.35 mm,本构关系曲线逐渐上移;随着圆环半径从1.1 mm增大至1.9 mm,本构关系曲线逐渐右移。5种不同韧带起点角度的支架整体拉伸模拟的本构关系曲线均呈现J形,本构关系曲线变化趋势与支架单元一致,且支架具有负泊松比效果。结论所设计的气管支架具有J形本构关系;调整不同结构参数可以呈现不同的力学行为,从而能够实现与天然气管的J形力学特性的匹配。

面向数值模拟的砖砌体单轴受压本构关系模型研究

在现有的砖砌体单轴受压本构关系模型中,弹性模量和峰值应变预测精度较差,导致砖砌体的数值模拟分析难度较大。基于收集到的145个试件数据,对砖砌体的弹性模量、轴心抗压强度以及峰值应变取值进行分析。结果表明:现有的弹性模量计算公式不适用于过低或高弹性模量的砖砌体,弹性模量与峰值点割线模量呈倍数关系,应按照砌体的材料强度和种类进行取值;轴心抗压强度计算公式适用性较好;砖砌体的峰值应变应按照混凝土砖和非混凝土砖进行分类,非混凝土砖砌体峰值应变与砂浆强度呈非线性关系,应按照砂浆强度大小进行取值;然而混凝土砖砌体峰值应变受砂浆强度影响较小,取值在0.001和0.002之间。最后,提出了适用性更好的面向数值模拟的砖砌体单轴受压本构关系模型。

岩石吸能锚杆本构关系理论研究现状与展望

岩石吸能锚杆有效解决了工程领域中软岩大变形和高冲击荷载的问题,在深部软岩工程中发挥着重要的作用,分别从材料和结构方面归纳和阐述了国内外典型岩石吸能锚杆的发展历程,根据岩石吸能锚杆组成方式和吸能机理,将岩石吸能锚杆分为材料型和结构型两类,总结了两类锚杆中典型岩石吸能锚杆的结构组成元件与杆体本构关系。另外还引入微型阻尼器装置,设计了一种具有高强、高韧、高吸能效率的新型阻尼器式(DTEA)岩石吸能锚杆,完成了DETA岩石吸能锚杆在静力、临界静力及高冲击3种状态下杆体本构关系理论的推导。

高掺氢比高钢级管材环焊缝材料轴向本构关系研究

为了研究氢环境下管道环焊缝材料轴向本构关系,开展了典型掺氢环境(掺氢比20%)与空气环境下高压力(10 MPa)、高钢级(X80)管道环焊缝材料含缺口试样慢应变速率拉伸对比试验研究,提出了一种基于有限元模型与优化算法的反演掺氢环境下高钢级管道环焊缝材料本构关系的新方法,并利用核极限学习机(KELM)与改进灰狼优化算法(I-GWO)获得了掺氢环境下环焊缝材料真实应力应变本构关系。该方法具有较好的准确性,与试验数据相比,相对均方根误差(RMSE)小于3×10^(-4)。本研究建立的适用于高掺氢比、高压力、高钢级管道环焊缝材料的应力应变本构关系可为掺氢管道环焊缝完整性评价模型提供重要的数据支撑。

非线性本构关系下两端固定多孔梁的大挠度弯曲变形

本文以经典梁理论和非线性本构关系为基础,研究了两端固定多孔梁在不同的孔隙分布类型下受到外部均匀荷载作用的大挠度弯曲问题。首先设多孔梁的弹性模量与应变是线性函数关系,对非线性本构关系下多孔梁弯曲问题的基本方程进行了推导。采用打靶法计算出该边界条件下的多孔梁弯曲问题的数值解,分析非线性本构参数、载荷、孔隙率、孔隙分布类型对弯曲变形行为的影响。

基于长短期记忆网络的海冰本构关系预测

为了准确建立海冰的本构关系,针对传统的物理试验和数值模拟试验2种海冰本构关系研究方法均存在的弊端和效率较低的问题,寻找一种能高效、准确预测海冰本构关系的方法。基于长短期记忆(LSTM)神经网络对海冰本构关系进行预测,通过离散元法(DEM)黏结单元模型对海冰三轴压缩试验进行数值模拟,获取不同组围压和加载速率下试样的应力-应变曲线作为数据源,搭建多层LSTM网络,采用其中5组围压、3组应变率下的应力-应变曲线作为训练数据对神经网络进行训练,预测剩余1组围压、1组应变率下海冰的应力-应变关系,并采用均方误差作为评价指标对预测结果进行评估。研究结果表明:采用LSTM神经网络数据驱动模型能较好地对海冰材料的本构关系进行预测,该方法可供极区海洋结构物的设计和海冰力学行为研究参考。

山岭隧道纤维抗裂混凝土抗压性能与本构关系试验研究

针对普通混凝土具有抗拉强度低、延性差的局限性,为满足山岭隧道二次衬砌抗裂防渗要求,提出采用纤维复合材料进行混凝土抗裂防渗的一体化性能提升,在混凝土中掺入包含PVA纤维及高分子活性材料的纤维复合材料。基于可压缩堆积模型进行纤维抗裂混凝土骨料最紧密堆积设计,并确定纤维抗裂混凝土配合比,通过开展抗压试验对纤维抗裂混凝土抗压力学性能及本构模型进行研究。研究结果表明,在混凝土中掺入纤维复合材料可提升抗压强度与韧性;存在最佳纤维复合材料掺量,当纤维复合材料掺量未超过最佳掺量时混凝土抗压强度及韧性均提升,当纤维复合材料掺量超过最佳掺量时混凝土抗压强度及韧性逐渐降低。

铁路桥梁接缝用密封材料的本构关系

双组分聚氨酯材料适用于铁路桥梁接缝密封,该材料固化后属于各向同性的超弹性体。本文总结分析了基于分子统计热力学和连续介质唯象学理论的常用超弹性体本构模型及其适用范围和局限性。结果表明:铁路桥梁接缝用聚氨酯密封材料的主要变形为拉伸变形;根据铁路桥梁接缝的工作状态和使用条件,采用单轴拉伸、纯剪切等典型力学性能试验拟合密封材料的本构模型时,五参数Rivlin模型模拟效果最好。研究结果为准确仿真接缝用密封材料在实际使用工况下的力学行为提供了参考。

受压徐变后混凝土断裂特性及拉伸软化本构关系研究

为了对服役期间的混凝土重力坝进行抗裂性评估,开展受压徐变后混凝土断裂特性与拉伸软化本构关系研究。首先对混凝土棱柱体试件进行应力水平为轴心抗压强度的40%为期360 d的受压徐变试验,然后进行准静态加载条件下的三点弯曲断裂试验,测定混凝土的起裂韧度、失稳韧度、断裂能,采用改进的J积分法计算裂缝扩展消耗的能量,推导混凝土的软化本构关系。试验结果表明:受压徐变试验后,混凝土的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、起裂韧度、失稳韧度、断裂能提高。受压徐变对混凝土软化本构关系有显著影响,应力自由张开位移变小,使混凝土基本力学性能以及抗裂性增强,但也使混凝土的脆性增加。

装配式结构中半灌浆套筒钢筋连接的本构关系研究

以山东省青岛市某多层装配式商业办公楼为研究背景,运用室内试验的方法,制作了半灌浆套筒头钢筋连接模型,通过单调拉伸试验和反复循环加载试验获得其应力-应变曲线,提出半灌浆套筒头钢筋的本构关系曲线模型。结果表明,钢筋拉伸试件的应力应变曲线大致呈4个阶段的变化过程,分别为弹性变形阶段、屈服变形阶段、塑性非线性变形阶段、塑性破坏阶段;半灌浆套筒试件的应力应变曲线变化过程与单向拉伸钢筋的应力应变曲线不同,应变极限值远远小于钢筋的应变极限值,应力应变曲线大致呈3个阶段的变化过程,分别为弹性变形阶段、屈服变形阶段、塑性破坏阶段;HRB400钢筋的本构关系模型为4段式,半灌浆套筒的本构关系模型为3段式,反复循环加载试验进一步验证了本构关系模型的可靠性。