未硫化橡胶黏弹塑性本构模型及有限元实现

为了探究未硫化橡胶的拉伸力学性能,开展了未硫化橡胶不同应变率下的单向拉伸及循环加卸载实验.结果表明,未硫化橡胶具有较为复杂的非线性黏弹塑性力学行为,随着应变率增加,应力水平明显上升,迟滞效应增加,残余应变降低,应力软化增强.为了表征其力学响应,提出了一个三网络(TN)黏弹塑性本构模型,该模型由一个基于八链模型的超弹性网络和两个基于Bergstrom-Boyce流动模型的非线性黏塑性网络构成,同时考虑了材料的Mullins损伤软化等变形特征,能够较好地表征未硫化橡胶的非线性力学行为.最后,依托于Abaqus有限元软件,完成了本构模型材料子程序的开发,对未硫化橡胶多段松弛加卸载和轮胎胎面胶压入模具过程开展了数值仿真,验证了TN模型的数值有效性以及在复杂变形模式下的数值稳定性.

一种新的动态回弹模量有限元实现方法

美国在2004年通过NCHRP 1-37A项目提出了用于路基土评估的新的动态回弹模量模型。该模型由于考虑了体应力和偏应力的影响,已得到广泛应用。然而,目前对于该模型的有限元实现均采用基于等效动三轴试验的等效切线模量进行材料点的局部迭代。为克服该实现方法在复杂应力状态下因模型简化带来的偏差,基于广义虎克定律推导了该回弹模量模型的精确一致切线刚度矩阵。通过编写的ABAQUS用户自定义材料子程序(UMAT)对轴压和围压加载情形进行有限元模拟,发现新推导的有限元实现方法较现有基于等效三轴试验的简化方法具有更高的计算效率和精度。最后对典型沥青路面结构的分析表明,为提高复杂应力状态下路基响应计算精度,在路面结构分析中采用基于当前应力状态的一致切线刚度矩阵代替等效切线刚度矩阵是十分必要的。

循环稳定材料的棘轮行为:II.隐式应力积分算法和有限元实现

针对第一部分发展的、能够合理描述循环稳定材料棘轮行为的粘塑性本构模型,详细讨论该模型的数值计算方法和有限元实现。在径向回退(RadialReturn)和向后欧拉积分方法的基础上,结合连续迭代(SuccessiveSubstitution)方法,推导并建立了针对循环粘塑性本构模型的、新的隐式应力积分算法。为了本构模型在大型有限元分析程序(如ABAQUS等)中的实现,针对有限元的整体节点迭代计算,推导和确立了一个新的、考虑率相关塑性的一致切线刚度矩阵(ConsistentTangentModulus)表达式。通过对一些算例的有限元分析,讨论了建立的隐式应力积分算法的优越性,同时对特定构件的棘轮行为进行了数值模拟,进而检验了有限元实现的合理性和必要性。

耦合损伤时相关疲劳失效模型的有限元实现

为了将耦合损伤时相关疲劳失效模型移植到有限元软件ABAQUS中,使其能够对钎料合金简单结构试样的非比例多轴低周疲劳失效行为进行有限元模拟,通过ABAQUS提供的材料子程序UMAT对其进行了有限元实现,并通过典型算例对简单结构试样在非比例加载路径下的低周疲劳失效行为进行了有限元数值模拟.与相同加载路径下的实验结果比较表明:移植的模型能够较好地模拟钎料结构试样的载荷响应及载荷随循环周次的衰减,同时也能较好地预测其低周疲劳寿命,说明该疲劳失效模型的有限元移植是合理有效的.

路基压实粉质黏土动态回弹模量的四参数预估模型及有限元实现

利用动三轴试验,研究路基压实粉质黏土动态回弹模量的影响因素,分析动态回弹模量对偏应力、体应力等因素的依赖关系,通过双因素回归分析,在AASHTO-N37A动态回弹模量预估模型的基础上引入k4项,提出了含四参数的改进模型。为了使该改进模型能有效运用于有限元计算中,基于广义Hooke定律推导了其精确一致切线刚度矩阵,通过编写用户自定义材料子程序(UMAT)将改进模型移植入有限元软件ABAQUS中,分别在单个土体单元和路基路面结构条件下对改进模型进行了计算验证。研究结果表明:四参数改进模型能更好预估粉质黏土在不同压实度下的动态回弹模量,利用二次开发的改进模型在有限元软件中计算得出的土体单元的应力—应变关系与解析解较为吻合,而将改进模型运用于路基路面结构分析可以体现因应力不同造成的回弹模量在路基各个位置的差异,同时能反映车辆荷载作用下回弹模量的演变,实现了模量与应力状态的动态耦合,从而路基路面结构设计提供了更为真实的数值模拟方法。

基于不同行驶状态下轮胎-路面接触应力响应研究

为获取不同行驶状态下轮胎与沥青路面之间应力响应特征,鉴于ABAQUS中提供的稳态滚动研究模块,建立了轮胎-路面-路基结构一体化的三维有限元计算模型,考虑了轮胎的稳态滚动和路基回弹模量的应力相关性。通过设置轮轴的平动速度和轮胎的转动速度来实现车辆的牵引、制动及侧滑,研究了自由滚动和全加速滑移状态下,摩擦系数对轮胎路面之间应力响应特征。研究结果表明当车辆处于自由滚动状态时,不同的摩擦系数对路面的接触应力影响较小。而对于全加速滑移状态则影响较大,摩擦系数越大,接触应力值越大,沥青路面疲劳寿命值反而越小。因此,综合考虑路面疲劳性能和行车安全,在保证路面足够抗滑性能的基础上,摩擦系数应尽量设计成较小值。研究结果可为沥青路面结构抗滑性能设计提供参考依据。