用于三维机织物预成形变形预测的各向异性超弹性本构模型

随着三维机织物逐渐广泛应用在航空发动机叶片、机匣等复杂曲面结构的制造方面,预测三维碳纤维机织物在曲面结构制造的预成形过程中的复杂变形行为对提升纤维结构的成形质量具有重要意义。基于连续介质力学理论,本文提出一种各向异性超弹性本构模型描述三维机织物在成形过程中由于大变形所引起的各向异性力学变形行为。通过三维机织物的变形试验,建立了应变能密度函数,获取了三维机织物材料参数,并通过偏轴拉伸、半球冲压预成形有限元仿真与试验对比,验证了本文提出的超弹性本构模型的有效性。超弹性本构模型的提出可对三维机织物成形的有限元仿真模型与成形工艺优化设计起指导作用。

石英纤维/硅橡胶柔性复合材料超弹性本构模型构建及实验验证

柔性纺织复合材料因具有柔韧性和可折展特性在变构型飞行器的应用中获得越来越多的关注,然而其力学性能仍有很大的不确定性。对石英纤维/硅橡胶柔性纺织复合材料进行5种偏轴角度的单轴拉伸实验,研究其单轴拉伸力学行为。针对石英纤维脆性强和硅橡胶涂层柔韧性强的特点,建立一种石英纤维/硅橡胶柔性复合材料的超弹性本构模型,将应变能密度函数解耦为经向、纬向的拉伸应变能密度函数以及将硅橡胶拉伸与纤维剪切耦合的应变能密度函数,基于单轴拉伸实验数据确定模型参数,与偏轴拉伸实验结果对比表明超弹性本构模型对面内拉伸行为预测误差小于3.88%。针对变构型飞行器中膜材柔性、可大变形的特点采用一种圆形膜材气压加载实验验证方法,可向柔性复合材料的膜面均匀施加载荷,并通过有限元软件Abaqus的用户子程序UANISOHYPER_INV实现所采用的超弹性本构模型,仿真数据与实验数据误差小于2.9%,表明所建立的超弹性本构模型对石英纤维/硅橡胶柔性复合材料的力学表征和数值仿真均具有良好的适用性。

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。

非线性粘弹性材料的一个瞬时弹性本构关系

运用非线性粘弹性本构理论中的弹性回复对应原理 ,得到了一个简单的适用于非线性粘弹性材料的瞬时弹性本构关系 ,并结合实例分析 。

非线性粘弹性材料的一个瞬时弹性本构关系

运用非线性粘弹性本构理论中的弹性回复对应原理 ,得到了一个简单的适用于非线性粘弹性材料的瞬时弹性本构关系 .结合实例分析 ,验证了由该瞬时弹性本构所表征的非线性粘弹性本构关系能对非线性粘弹性材料的力学行为进行合理描述的结论 .

朱-王-唐非线性粘弹性本构模型在有限元分析中的实现及其应用

LS-DYNA可以满足用户对某些材料本构关系子程序开发的要求。本文首先编制了各向同性线弹性材料本构模型子程序,计算单轴拉伸作用,得到材料子程序开发的可行性;另外主要编制了飞机风挡材料采用的具有应变率效应的非线性粘弹性朱-王-唐本构模型,结果能很好地对朱-王-唐模型进行描述,特别是应变率对该模型的影响。并用于真实风挡的计算,得到的数值结果与试验值比较吻合。

土工格栅蠕变特性的试验研究及粘弹性本构模型

土工格栅的蠕变特性是影响土工格栅加筋支挡结构长期工作性能的重要因素。通过实验室内蠕变试验,针对不同荷载和温度组合,对土工格栅的蠕变特性进行了对比试验。通过对试验结果的综合比较,详细地分析了土工格栅载荷-应变等时曲线、蠕变曲线及松驰曲线的变化特征,由此并基于粘弹性理论提出了能够反映土工格栅蠕变特性的粘弹性本构模型,提出了模型参数的合理确定方法。并通过模型预测与试验结果的对比论证了所建议粘弹性本构模型的可靠性。

轮胎超弹性本构材料参数确定的影响因素分析

轮胎橡胶超弹性本构模型材料参数的准确确定对车辆轮胎设计理论具有重要意义。首先研究国内外超弹性本构模型参数确定中常用的理论计算流程和试验方法,并回顾常用的几种确定本构关系材料参数的应力应变曲线。通过对橡胶材料硫化程度、疲劳试验次数、加卸载顺序等因素对橡胶材料性能的影响研究,对车辆轮胎超弹性本构模型参数确定方法进行探讨,发现橡胶材料的力学性能不仅取决于其承受的峰值载荷,而且很大程度上取决于载荷的施加顺序。基于橡胶弹性物理学理论,通过分析比较,确定轮胎力学分析中用于本构模型参数拟合的试验曲线选取原则:首先应确定所研究的轮胎橡胶材料的实际硫化程度;再结合考察轮胎实际运行工况,通过试验或者数值仿真技术确定材料加载历程中经历的最大峰值载荷:采用该载荷峰值下的橡胶材料循环特性曲线作为材料本构关系曲线来拟合相应材料参数。循环次数采用3万次可满足精度要求;从提高试验效率出发,也可采用定载荷下7次循环后稳定的力学曲线。

超弹性本构模型对橡胶隔振器静态特性预测影响的研究

通过对某橡胶材料标准试件的单轴拉伸、平面拉伸和等双轴拉伸的应力-应变数据的测试,并利用最小二乘原理识别了5种常见橡胶超弹性本构模型的参数,对比了不同模型间的拟合精度。以某款车型的橡胶隔振器为实例,计算不同本构模型在3种典型工程应变下的力-位移曲线,并与实测数据进行对比。结果表明,Mooney-Rivlin模型在处理较小应变数据时具有较好的计算精度和计算稳定性,Van der Waals模型和3阶Ogden模型在处理较大应变数据时具有较好的计算精度。

一种适合橡胶类材料的非线性粘弹性本构模型

借助非线性流变模型建立大变形情况非线性粘弹材料的本构关系 ,考虑到大多数橡胶类材料具有的几乎不可压缩性 ,以及体积响应和剪切响应的流变性能不同 ,将变形梯度乘法分解为等容部分和体积变形部分 ,给出了一种适合橡胶类材料的非线性粘弹性本构模型 ,并模拟了粘滞效应。对于极快或极慢的过程 ,该模型退化为橡胶弹性理论 ;在小变形情况下退化为经典的广义Maxwell粘弹性材料。模型与热力学第二定律相容 ,适合于大规模数值分析。

聚氨酯橡胶超弹性本构模型拟合效果评估

对聚氨酯橡胶进行了单轴拉伸、单轴压缩和平面拉伸试验,采用常用的超弹性本构模型拟合试验数据,并基于拟合优度、拟合曲线与试验曲线相似性、相对偏差三方面,对拟合效果进行评估.结果表明:采用拟合优度评估,能从总体上反映超弹性本构模型对试验数据的拟合效果,采用拟合曲线与试验数据相似性的对比进行评估,能直观反映超弹性本构模型对试验数据的拟合效果,若同时考虑相对偏差,则可以反映超弹性本构模型与试验数据之间的相对偏差量,更为准确地对超弹性本构模型的拟合效果进行评估.

立方晶粒各向异性集合金属的非线性弹性本构关系

在Voigt模型下,Barsch(1968)和Johnson(1985)分别给出了立方晶粒各向同性集合和正交集合的非线性弹性本构关系.本文推导出基于Voigt模型的、比Barsch和Johnson结果更一般的、立方晶粒各向异性集合的非线性弹性本构关系,这里金属的各向异性通过织构系数来描述.

考虑细观脱湿损伤的NEPE推进剂粘弹性本构模型研究

为了描述NEPE(Nitrate Ester Plasticized Polyether Propellant)复合固体推进剂的非线性粘弹性力学行为,基于粘弹性脱湿准则及所建立的粘弹性时间-损伤等效原理,将颗粒脱湿所造成的材料损伤以折算时间的形式引入至线性粘弹性本构关系中,从而建立起可考虑细观颗粒脱湿影响的NEPE复合固体推进剂非线性粘弹性本构模型。通过定制配方NEPE材料在不同温度(-50,-35,-20,0,20,35及50°C)、不同应变水平(5%,10%,15%,20%,25%以及30%)的应力松弛试验及单轴拉伸试验,结合反演技术,获取了本构模型参数。最后利用Matlab软件平台实现了本构模型对于NEPE单轴拉伸力学行为的数值预测,数值计算结果与试验曲线较为吻合,预测数值与试验值差值在15%以内,说明所建本构模型能够较好地描述NEPE推进剂在一定应变率范围内(3.333×10-4~0.1s-1)的粘弹性力学行为,为预测具有复杂细观结构的复合固体推进剂的宏观力学行为提供了一条较为简单便利的实现方式。

ZWT非线性热粘弹性本构关系的研究与应用

回顾和介绍了源于高分子材料非线性热粘弹性本构特性研究的ZWT（朱玉唐）本构模型。该模型揭示了高聚物在跨越准静态到冲击动态8个量级应变率范围和大应变下的本构非线性来自纯弹性响应而其率相关响应基本呈线性；发现准静响应和高应变率响应分别由各自的特征松弛时间控制，而各自的影响域仅为4．5个量级应变率；在同时考虑湿度效应后发展了非线性热粘弹性本构模型，并建立了相应的时间／速率与温度间的互换／等效关系；实验证实ZWT方程对热固性塑料、热塑性塑料和高聚物基复合材料都适用，并可推广到混凝土；在研究了材料内部损伤在冲击大变形下的率相关抽伤学化律后，进一步提出了计及损伤率型演化的ZWT方程和相应的双变量（应变、应变率）动态破坏准则；基于ZWT方程研究了粘弹性波的弥散和衰减特性，指出存在一个由高应变率松驰时间占统治地位的“有效传播时间”或“有效传播距离”；进而一方面提出了一个确定高聚物在高应变下粘弹性本构方程的反问题解法，另一方面把传统的SHPB弹性压杆技术推广到粘弹性压杆，从而可对低波阻抗材料进行冲击试验研究。

HTPB/IPDI弹性体的粘-超弹性本构模型研究

研究了HTPB/IPDI弹性体材料单轴等速拉伸及拉伸松弛的力学特性,材料的应变率相关性及松弛特性明显,表现出了较为显著的粘弹性特征;材料在拉伸载荷下有较大的变形量。因此,将Yang L M等提出的适用于橡胶动态特性的粘-超弹本构模型改进应用于HTPB/IPDI弹性体的静态及准静态力学中。模型由超弹模型及粘弹模型并联组成。用实验结果对模型中的参数进行拟合,并用拟合结果预测其他应变率下的实验结果,拟合及预测结果与实验吻合较好。

PP/PA共混高聚物在高应变率下的热粘弹性本构关系和时温等效性

采用Instron1342电液伺服试验机和改进的SHPB技术对以113材料为例的PP/PA共混高聚物进行了应变率在10-4～103s-1宽广范围,温度为25、40、60、80℃下的一维应力力学性能试验。结果表明,这类共混高聚物的力学响应对温度和应变率都是敏感的。以朱-王-唐非线性粘弹性本构方程来描述这类PP/PA共混高聚物的力学响应,并拟合得到了其热粘弹性本构参数,理论预言与试验结果在应变小于7%时吻合良好。对113材料20～80℃温度范围内不同应变率下的试验结果进行分析,证明PP/PA共混高聚物存在率温等效关系,提高温度和增加作用时间(减小应变率)的效果相当,反之,降低温度与减少作用时间(提高应变率)的效果相当。通过引入量纲一参量Z,使应变率.ε、温度T这2个参量归结为统一的Z参量,从而得到了体现时温等效性的统一曲线。

基于Voigt模型和Reuss模型的三方晶粒各向异性集合的弹性本构关系

多晶体材料的宏观力学性质与晶粒的化学成分和多晶体的微结构(晶粒的尺寸、取向分布、边界结构)有关,研究多晶体微结构与材料宏观力学性质的关系具有重要的理论意义和工程应用背景。利用三方晶粒的D3对称性给出了三方晶粒的弹性本构关系,通过引入ODF描述多晶体材料的取向分布,基于Voigt模型和Reuss模型分别找出带有织构系数影响的三方晶粒任意集合的多晶体材料弹性本构关系上、下限。

汽车地面力学中土的弹性本构模型研究

综述了汽车地面力学中土的线性弹性本构模型、非线性弹性本构模型及常用的土的线性弹性本构参数、非线性弹性本构参数，并对汽车地面力学中土的弹性本构关系的研究进行了分析与展望。

基于不同弹性本构方程的塑性区宽度及封孔长度研究

煤层注水是煤矿开采过程中重要的增透卸压手段,而封孔长度是影响注水压裂效果的一个关键因素。为了确定出合理的封孔长度,根据Lippmann煤层失稳基本理论,选取了6种不同的弹性区本构方程,引入非线性动态瓦斯压力分布的表达式,构建了含瓦斯煤层力学理论模型,得到煤层垂直、水平应力和塑性区宽度的解析式,之后结合高家堡的现场情况,对比分析6种弹性本构方程下的煤层应力分布曲线及塑性区宽度,并进行了现场封孔试验。结果表明:封孔长度在9.5 m时孔洞漏水量小、未出现异常现象,封孔效果良好,最终确定出了合理的封孔长度为9.5 m;相对于其他3种弹性本构方程,选取第i、v、vi种弹性本构方程对封孔长度进行理论计算分析,更加符合现场实际情况。

基于能量守恒的复合固体推进剂粘弹性本构关系

为了定量分析界面脱湿对复合固体推进剂粘弹性力学性能的影响,依据能量守恒定律,确定了临界脱湿应变方程。利用细观力学理论确定了复合固体推进剂的退化宏观有效模量。在单轴拉伸载荷作用下,利用三参数Poything模型确立了复合固体推进剂的粘弹性本构关系。针对粒子呈现对数正态分布的复合固体推进剂,采用Fortran语言完成了数值模拟。结果表明,单峰或双峰分布的计算拉伸曲线与实验数据吻合较好。只要给定了界面参数,这个算法可为预估推进剂在大应变载荷下的粘弹性力学性能提供一种简单有效的工具。