树脂准静态拉伸黏弹性本构拟合与数值模拟

利用电子万能试验机开展了室温拉伸试验,在0.000667s^(-1)、0.003333s^(-1)、0.005333s^(-1)应变率下,研究树脂材料在准静态拉伸下的力学行为。试验结果表明,树脂材料(树脂质量:固化剂质量=3.7:1)在低应变率下的拉伸力学性能是率相关的,随应变率的升高,给定应变下的应力逐渐增大。扫描电镜(SEM)分析表明,随着应变率的升高,脆性断裂形貌特征越来越明显。采用广义非线性ZWT(朱-王-唐)本构模型描述树脂材料低应变下的拉伸力学行为,并由试验数据拟合得出一维、三维本构参数。将试验数据代入ABAQUS软件,模拟了不同应变率下的准静态拉伸试验,仿真结果与试验比较相符。

髌腱弹性蛋白降解对其准静态拉伸力学性能的影响

背景:髌腱是维持膝关节稳定的重要结构,在拉伸作用下表现出特有的非线性力学特性,但是弹性蛋白在拉伸载荷下对髌腱力学行为的影响尚不清楚。目的:通过弹性蛋白的靶向酶处理,研究弹性蛋白对髌腱力学性能的影响。方法:(1)将30个40-50 mg新鲜猪髌腱平均分配到5种不同弹性蛋白酶浓度(0,1,5,10,20 U/m L)中孵育以及在5个不同的时间(0,1,4,6,12h)的弹性蛋白酶溶液中孵育,最后检测弹性蛋白含量。(2)将髌腱分别在PBS溶液、5 U/m L弹性蛋白酶溶液中处理8h,进行Verhoeff VanGieson(VVG)染色和Masson染色。(3)将20个新鲜猪髌腱随机分为PBS对照组和弹性蛋白酶处理组(弹性蛋白酶组),在试样表面标记9个点后进行纵向拉伸及应力松弛实验,使用光学非接触法计算标记点的位移用于后续应变分析并计算应力;然后将试样分别在PBS溶液、5 U/m L弹性蛋白酶溶液中孵育8 h,再次进行同样的力学测试。结果与结论:(1)在5 U/m L弹性蛋白酶溶液中孵育8 h可以满足此次实验要求;(2)与处理前相比,PBS组和酶处理组的组织拉伸应力显著降低,均降低约40%(P<0.001,P<0.01);与处理前相比,处理后的松弛百分比显著增加,前后相差约12%(P<0.05);在归一化的平均应力-时间曲线上,酶处理组比PBS组应力降低更大,两者相差约16%(P<0.0001);(3)以上结果表明,弹性蛋白在髌腱的拉伸力学特性及黏弹性特性中起到重要作用,进一步补充了对多尺度肌腱结构-功能关系的理解,这有利于未来对微观结构本构模型的发展和改进,以模拟髌腱病变及手术干预。

准静态拉伸下PBX力学性能的三维细观模拟

为了研究PBX在准静态拉伸下的力学响应行为,探索细观结构对力学性能的影响规律及机制,采用有限元计算方法,结合双线性内聚力模型,基于自编程序构建的PBX三维细观模型,研究了在单轴拉伸条件下颗粒体积分数、颗粒尺寸以及界面性能3个细观参数对PBX力学性能的影响。结果表明,三维模拟获得的宏观力学性能与实验数据能够较好吻合。此外,还发现颗粒体积分数增加会导致杨氏模量显著增加,同时也会导致抗拉强度升高,颗粒体积分数从61.2%增加至95.6%使得抗拉强度升高了38.9%,增加颗粒尺寸则会导致抗拉强度降低,颗粒尺寸从120μm增加到160μm,使其抗拉强度降低了13%;界面性能对抗拉强度的影响最为显著,当界面强度从0.5MPa升至5MPa时,抗拉强度从2.58MPa升至6.82MPa,说明相比于颗粒体积分数及尺寸,改善界面性能是提升PBX抗拉强度更为有效的方法。

准静态拉伸过程中CoCrFeMnNi高熵合金显微组织的演变

采用电子背散射衍射技术,研究室温下CoCrFeMnNi高熵合金在准静态单向拉伸(应变速率为1×10^(-1)s^(-1))过程中显微组织的演变。结果表明:合金的变形机制主要是位错的滑移,同时伴随着少量的孪生。当应变约为0.81%时,合金开始出现新的Σ3孪晶界。晶向<001>附近的拉伸轴向<001>方向转动,形成弱的<001>//RD丝织构,符合Toylor模型,晶粒拉伸轴向<001>-<111>连线转动,符合Sachs模型。晶粒尺寸显著影响晶粒的转动速率,小尺寸晶粒转动最快,大尺寸晶粒次之,中等尺寸晶粒转动最慢。晶粒Schmid因子越大,晶粒的转动越快。

室温下TC11钛合金准静态拉伸力学性能实验研究

针对典型航空材料TC11钛合金的拉伸性能,采用准静态拉伸实验对不同应变率条件下的TC11钛合金的应力-应变关系进行了研究,利用扫描电镜分析了其拉伸断口形貌。实验结果表明:TC11钛合金具有一定的应变率敏感性,抗拉强度和屈服强度均会受到应变率的影响;准静态拉伸时TC11钛合金试样出现了颈缩现象,试样截面形状为杯锥状,试样断口存在光滑的剪切唇区和灰色的纤维区,其断裂属于韧性断裂,但是其韧性较差;TC11钛合金拉伸断口形貌主要为大小不一的韧窝,随着应变率的增大,试样拉伸断口韧窝的大小和深度均变小,同时出现了少量的撕裂棱和准解理面,试样的断裂机制为以韧性断裂为主和伴有准解理断裂。因此,在准静态拉伸条件下,TC11钛合金的力学行为与应变率有关。

三维纺织复合材料准静态拉伸实验的有限元模拟

对三维机织角联锁结构复合材料进行了准静态拉伸测试,并通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA对拉伸过程进行了有限元模拟。为了验证模拟结果的准确性,将模拟得到的结果与实验结果进行对比,结果表明:两者具有较好的一致性,材料的破坏模式也与实验结果相符,说明建立的有限元模型及设定的模型参数是正确的。

不同温度下有机玻璃厚板的准静态拉伸试验研究

为研究温度对有机玻璃厚板准静态拉伸力学性能的影响,得到有机玻璃的本构关系,设计了母材试件和带拼接缝试件,分别进行单轴拉伸试验,试验温度为-40~40℃.对比试件的真实和名义应力应变曲线,采用ZWT模型的非线性弹性部分表达式对试验结果进行拟合,并且对试件断口进行电镜扫面分析.试验结果表明,有机玻璃厚板的应力应变曲线表现出非线性,无屈服点,试件为脆性破坏.随着温度的升高,试件的极限强度和初始弹性模量均减小.带拼接缝试件的强度为母材试件强度的77.2%~89.6%.设计的有机玻璃试件强度较高,初始弹性模量偏小.拟合得到的本构方程能较好地描述有机玻璃厚板的本构关系.当温度高于0℃时,断口表面的河流花样变得明显.

HTPE/AP/Al/RDX推进剂的准静态拉伸力学性能

为研究HTPE/AP/Al/RDX推进剂在宽温域下的准静态力学性能,通过单轴拉伸试验获取了HTPE/AP/Al/RDX推进剂在温度-50~70℃及5种应变率下的应力—应变曲线,通过推进剂的断面形貌法分析了其损伤失效形式,分析了温度和拉伸速率对推进剂力学性能的影响规律,并拟合了相关力学性能主曲线。研究表明,随温度升高,HTPE/AP/Al/RDX推进剂的最大拉伸强度从-50℃的5.44MPa下降至70℃下的0.75MPa,断裂延伸率先升高后降低,常温最高可达75.9%,-50℃下最低仅有25.9%;随应变率增加,最大拉伸强度提高,如-50℃下从1.99MPa提高到5.44MPa,断裂延伸率变化较为复杂;HTPE/AP/Al/RDX推进剂的断裂发生了脆-韧转变,推进剂在常温和高温下的损伤主要以脱湿为主;在低温下的损伤主要为黏合剂基体撕裂和填料的穿晶断裂,且随应变率增加,填料的穿晶断裂更显著。建立的力学性能主曲线可对HTPE推进剂在-50℃至70℃的宽温域内不同应变速率下的最大拉伸强度进行预测,为装药结构完整性分析提供数据帮助,为HTPE推进剂的实际应用奠定基础。

基于准静态拉伸试验的临界CTOA测量

为了寻求更为简单、准确的临界裂纹尖端张开角(CTOAc)测量方法以推广CTOA准则的应用,本文对材料CTOAc的测量方法进行了研究。根据CTOA的性质及Gteborgs Kungliga Segel Sllskap(GKSS)提出的CTOAc估算方法导出了两种不同裂纹尖端张开位移(CTOD)定义之间的关系,并进一步得到一种基于准静态拉伸试验的CTOAc测量方法,该方法与GKSS提出的估算方法相等效但更加简单。为了验证准静态拉伸试验法的准确性,对7B04 M(T)试样进行了静态拉伸试验,并使用上述两种方法估算7B04的CTOAc,结果表明两种方法估算出的CTOAc仅相差1%。同时分别采用平面应变核模型、平面应力模型对试样进行了弹塑性有限元模拟,模拟结果与试验结果相吻合。

负泊松比经编间隔织物的准静态拉伸性能

为探究织物受单向拉伸时的能量吸收性能与负泊松比之间的关系,测算和表征了基于旋转六边形结构设计和制备的4种经编间隔织物的负泊松比,并分别对其进行经向和纬向的单向拉伸,通过应力与应变曲线积分换算得到各织物受单向拉伸时吸收的能量。结果发现:织物单向拉伸时的能量吸收性能由结构变形容量和纱线承载容量决定,其中纱线承载容量起主要作用,结构变形容量的影响较小,负泊松比的影响则包括在结构变形容量内;在纱线承载容量相同的情况下,织物受某一单向拉伸时的负泊松比越好,该方向上的能量吸收性能越好。

应变速率对硬质聚氨酯准静态拉伸行为的影响

在准静态范围内,对硬质聚氨酯进行了不同应变速率下的拉伸实验,根据应力-应变曲线研究其变形行为及力学性能与应变速率之间的相关性,通过观察试样断口形貌分析其破坏机理,应用Eyring理论对材料的弹性模量和屈服强度与应变速率之间的关系进行拟合。结果表明:在实验范围内,随应变速率增加,材料的弹性模量和屈服强度均呈现快速升高后逐渐趋于稳定的规律并符合Eyring理论的对数关系,而伸长率则显著减小至无明显强迫高弹形变;材料的破坏模式依次由软段大分子链主导过渡到软、硬段协同作用及硬段主导;依据研究结果,测量硬质聚氨酯弹性模量时应变速率应大于0.33×10^(-3)s^(-1),测量屈服强度时应变速率应大于1.52×10^(-3)s^(-1)。本工作旨在进一步揭示应变速率对聚氨酯树脂材料性能的影响,以期为相关研究与工程实践提供参考和借鉴。

1000MPa级DP钢的准静态拉伸行为与应变速率的关系

研究1000 MPa的双相钢(DP钢)在室温下的准静态拉伸行为与应变速率(10-3、10-2、10-1s-1)的关系。结果表明,在准静态拉伸条件下,DP钢的拉伸性能是与应变速率相关的。随着应变速率提高,材料的屈服强度、抗拉强度、屈强比和加工硬化指数明显升高,而均匀伸长率、断裂伸长率略有下降;另外,应变速率对材料的应变强化系数影响不大。利用SEM分析了DP钢的断口形貌和微观组织随应变速率的演化及与拉伸行为的关系。研究可为超高强度钢在车身上的应用提供技术支持。

家蚕前部丝腺准静态轴向拉伸力学特性

为了研究仿生微通道的制作工艺和流动特性,提出了符合家蚕前部丝腺特征的生物软组织复合体准静态轴向拉伸力学性能测试方法。以五龄家蚕前部丝腺为试验对象,进行了准静态轴向拉伸试验,观测了拉伸试样断口形貌,测量了前部丝腺体和丝蛋白溶液纤维化过程(简称丝纤维)的准静态轴向拉伸力学性能。应用超弹性材料Ogden模型,构建了家蚕前部丝腺体和丝纤维的准静态轴向拉伸力学本构方程,利用ABAQUS软件进行了试验结果拟合,相关系数达98%以上。结果表明:家蚕前部丝腺体及其丝纤维具有优异的超弹性力学特征,且丝纤维力学性能优于丝腺体的。

典型航空用合金准静态拉压力学性能研究

针对典型航空用钛合金和铝合金,通过准静态拉伸和压缩试验研究不同加载速率下TC4钛合金和7075铝合金的力学性能,并分析了材料拉伸微观断口形貌。研究表明:相同加载速率下钛合金的抗拉强度比铝合金高约300 MPa、抗压强度高约800 MPa;拉伸速率对钛合金和铝合金的弹性模量和断面收缩率均有较为显著的影响。压缩速率对两种合金的力学性能影响均不显著。但同种材料的拉、压弹性模量相差较大;拉伸断裂后钛合金颈缩较为明显,铝合金放射区较为明显,表明钛合金塑性较好,铝合金硬度较大。压缩破坏后钛合金与铝合金断面角度约为45°~55°;拉伸条件下钛合金断口微观组织形貌中出现大量大小不一的韧窝,断口伴有少量的撕裂棱。铝合金断口出现了较大的韧窝,部分韧窝内还包含空洞。

Q235钢拉伸过程热塑性效应试验研究及有限元分析

在分析材料热弹塑性效应的基础上,用红外热像仪对Q235钢试件在拉伸过程中的表面温度进行测量,获得了不同应变率条件下试件表面温度分布及随时间的变化;确定了Q235钢全程拉伸真应力-真应变曲线,以此作为材料本构关系对拉伸过程中的热塑性效应进行数值模拟,讨论了应变率、η系数、对流换热系数等对试件表面温度的影响。结果表明,应变率越大,变形过程中的热损失越小,从而由塑性变形产生的温升也越高;由拉伸过程中颈缩区域的温升最高、颈缩区域向试件两端温升逐渐降低的分布特点,则可说明在同一时间内塑性变形越大、越集中的区域,其温升也越大。文中的数值计算结果表明,用现有的有限元软件对材料热塑性效应进行数值分析不失为一种有效的研究方法。

航空常用铝合金板料拉伸性能参数及应力—应变曲线拟合

采用标准试样在材料试验机上按照规定的试验方法和程序,通过准静态单向拉伸试验得到航空领域常用2024、6061、7075 三种规格的铝合金板料不同状态、不同厚度和取向(轧制方向、横向、45°方向)的拉伸性能参数及应力应变数据。选用Hockett-Sherby双 Voce模型,通过最小二乘法拟合未经淬火处理的合金板料的真实应力—真实应变曲线,选取Swift模型拟合经淬火处理的合金板料真实应力—应变曲线,得到相应的模型参数。

BFRP复材的体育器械连接部用胶技术与粘接性能分析

为扩大BFRP在体育器械生产加工领域的应用范围,实现BFRP与传统铝合金材料之间的有效连接,研究提出了一项基于胶粘剂的基板材料连接方案。采用Araldite 2015高韧性胶粘剂和回天7130高模量脆性胶粘剂对BFRP和5052-H32铝合金2种基板材料进行胶粘连接处理,通过准静态加载试验的方式来测试该方案的应用效果。结果表明,具有高模量脆性的回天7130胶粘剂能够显著提升基板试件接头的力学性能,充分发挥5052-H32铝合金基板的初始刚度优势以及BFRP基板的峰值荷载优势,有助于BFRP基板在结构更加复杂的体育器械中广泛应用,推动体育器械朝向小型化、轻量化的方向发展。

弹性蛋白对前交叉韧带力学响应影响的弹性蛋白酶定量分析

背景:前交叉韧带在复杂的生理加载环境下具有其独特的非线性力学特性。弹性蛋白作为前交叉韧带力学特性的重要贡献者,其在轴向拉伸下对前交叉韧带力学响应特性尚不明确。目的:定量分析弹性蛋白对前交叉韧带拉伸力学响应的影响。方法:制备弹性蛋白酶溶液及对照缓冲液。将猪前交叉韧带样品制备成小规格样品,随机分别浸泡于0,0.1,1.0,2.0,5.0,10.0 U/mL的弹性蛋白酶溶液中6 h,另取相同规格小样品分别浸泡于2 U/mL的弹性蛋白酶溶液中0,1,3,6,9,12 h,以确定适合弹性蛋白靶向酶的浸泡条件并进行消化效果验证,使用组织学染色比较酶处理对组织结构与成分的影响。将韧带样品随机分为酶处理组和PBS组,分别浸泡在2 U/mL弹性蛋白酶溶液和PBS中6 h,于浸泡前、后均进行力学拉伸测试。结果与结论:①生化结果表明,2 U/mL弹性蛋白酶溶液浸泡6 h能将弹性蛋白含量降低31.1%,且没有显著影响组织内其他力学相关成分;②组织学结果显示,弹性蛋白酶可渗透入组织内部,浸泡后的组织松散程度增加;③在浸泡前、后的力学结果中,PBS组的多项力学性能均显著下降,酶处理组仅有低张弹性模量显著升高及初长度显著增加;④组间比较结果显示,浸泡前PBS组与酶处理组差异均无显著意义,而浸泡后的酶处理组的低张弹性模量、初始斜率、饱和斜率和初长度比PBS组显著增加;⑤以上结果表明,弹性蛋白降解显著影响了前交叉韧带的生物力学属性,进一步补充了对前交叉韧带结构-功能关系之间的理解。

AZ31B镁合金断裂应变与应力三轴度的关系研究

对AZ31B镁合金光滑圆棒和缺口圆棒进行了系列准静态拉伸试验,采用ABAQUS对各试样拉伸过程进行了模拟分析。拟合得到了Johnson-Cook断裂失效模型的部分材料常数,建立了AZ31B镁合金断裂应变与应力三轴度的关系模型。将建立的失效模型输入到ABAQUS中进行仿真模拟,模拟结果与试验结果基本一致,验证了断裂失效模型的正确性。

应力三轴度对7075铸态铝合金断裂应变的影响研究

基于ABAQUS/Explicit有限元平台,以有限元仿真为主,并结合室温下的准静态拉伸试验,研究了应力三轴度对7075铸态铝合金断裂应变的影响,建立了可靠的7075铸态铝合金单向拉伸断裂预测模型,进而采用正交回归分析建立了7075铸态铝合金断裂应变与应力三轴度的关系模型。结果表明,在室温下,单向拉伸速率为0.004 mm·s^（-1）时,每个试样在缺口处断裂应变最大,而应力三轴度最小;在断裂临界点,缺口处的应变随着缺口半径R的增大逐渐增大,由缺口处向两端逐渐减小;应力三轴度随着缺口半径R的增大逐渐减小,且由缺口处向两端逐渐增大;7075铸态铝合金断裂应变随着应力三轴度的增大而减小;断裂应变与应力三轴度成反比例关系。