堆石料的亚塑性本构建模及其应用研究

亚塑性本构理论是20世纪中晚期发展起来的一类基于有理力学的新型的连续介质本构建模理论,主要用于刻画无黏性散粒型土体的非弹性、非线性及剪胀(剪缩)性等主要应力应变特性。较详细地介绍了该本构理论的起源、发展和本构方程的一般表述形式,并做相应的数学力学特性分析。在对散粒型土体孔隙比与平均压力及孔隙比与体积应变关系分析研究的基础上,扼要介绍了新近发展的亚塑性模型的重要的建模改进思想。结合分析堆石料的主要工程特性,将能够反映当前亚塑性研究水平的Gudehus-Bauer亚塑性模型做适当改进后首次引入到堆石料的本构建模中,并将其应用到一典型混凝土面板堆石坝的应力变形数值分析中。理论分析和算例应用表明,所改进的Gudehus-Bauer亚塑性模型能够合理反映堆石料的非弹性、非线性、剪胀剪缩性等主要应力、应变特性,且具有本构参数适用范围广的优点。

铝合金板材温热介质成形本构建模方法综述

铝合金板材温热介质成形温度跨度大,材料集硬化、软化特征于一体。应力应变曲线表现为3种变化趋势,即单调增、先增再稳态、先增后减。文章结合上述特点,总结了适用于温热介质成形的典型本构模型,并讨论了铝合金温热介质成形的本构建模的几种可行方法,即分段模型、线性组合模型、高阶多项式模型、神经网络模型及内变量模型。

堆石料本构建模新途径

在对堆石料主要应力应变特性进行分析的基础上,对堆石料的2大类本构模型——非线性弹性模型和弹塑性模型的特点进行举例评析,从理论上指出了这2类本构模型的不足之处,并引入了一类具有独特建模思想的连续介质本构理论——亚塑性理论,对堆石料进行了亚塑性建模及初步应用研究.理论分析和算例表明,所建堆石料亚塑性模型能够合理反映堆石料的主要力学特性,且具有本构参数适用范围广的特点.

爆炸力学数值模拟中本构建模问题的讨论

就爆炸力学数值模拟中的本构建模问题的有关内容作了讨论,包括:波传播研究与材料的动态特性研究的相互依赖、容变律与畸变律的解耦与耦合、率型本构关系与失效准则、应变率效应与温度效应的等效性、加载本构关系与卸载本构关系以及流变过程与损伤演化过程的耦合等,并展望了今后的有关发展动向。

2524铝合金蠕变时效本构建模及回弹仿真（英文）

研究2524铝合金板材蠕变时效过程中的本构建模及回弹仿真。在180~200℃、140~210 MPa和16 h条件下,对2524铝合金进行一系列的蠕变时效实验。基于这些实验数据建立能够很好地描述合金蠕变时效行为的材料本构模型。通过将本构模型嵌入到有限元软件MSC.MARC的子程序中,分析沿板材厚度分布的内应力对回弹的影响。仿真结果表明：仅考虑拉应力时,板材回弹量为61.12%,而同时考虑拉应力和压应力时,回弹量为65.93%。另外,对2524铝合金板材进行蠕变时效成形实验。成形板材回弹量为68.2%,其值更接近65.93%。这表明仿真分析时同时考虑板材厚度方向的拉压内应力更能准确预测构件的回弹量,这样得到的仿真结果更符合实验结果。

不同温度下AM80镁合金的动态力学响应及本构建模

为构建可准确预测镁合金动态力学响应的统一本构模型,采用分离式霍普金森压杆装置对AM80镁合金进行高速冲击实验,变形温度为298 K、423 K和523 K,应变速率为1100~5000 s^(-1)。结果表明:AM80镁合金具有明显的应变速率敏感性。变形温度为298 K时,镁合金的流变应力表现为正应变速率敏感性,当应变速率增至5000 s^(-1)的变形后期,镁合金的流变应力则表现为负应变速率敏感性;变形温度为423 K和523 K时,镁合金的流变应力表现为正应变速率敏感性,当应变速率高于临界值时,镁合金的流变应力则表现为负应变速率敏感性。将应变速率强化参数C和应变硬化参数n修正为变形温度T的函数,优化了Johnson-Cook本构模型,本构拟合结果与实验结果的误差在±10%范围内,其相关系数(R)和平均相对误差(AARE)分别为0.987、3.88%,说明所建本构模型能够准确预测AM80镁合金在不同变形条件下的流变应力行为。

基于蠕变时效交互作用机理的2219铝合金统一本构建模

在不同的时效温度和试验应力条件下,对2219铝合金开展蠕变时效行为研究。随后,分别对蠕变试样进行力学性能测试和透射电镜观察,以获得该合金在蠕变时效过程中的力学性能演变规律和析出相演变规律;进一步查明材料蠕变量、析出相特征尺寸与力学性能的关系。在此基础上,建立基于成形成性耦合作用机理的2219铝合金蠕变时效本构方程,采用粒子群算法(POS)对方程中的材料常数进行拟合,并将蠕变应变和屈服强度的拟合结果与试验结果进行对比。研究结果表明:试验应力、时效温度和时效时间都会对2219铝合金的蠕变行为产生重要影响;通过提高试验应力或时效温度,可以缩短蠕变第二阶段的时间,加速蠕变第三阶段(蠕变破坏阶段)的到来。蠕变应变和屈服强度的拟合结果的相对误差分别为2.70%和0.70%。基于成形成性耦合作用机理的铝合金蠕变时效统一本构方程能够较好地反映蠕变与时效形性演变规律。

超声振动辅助镁合金板拉伸力学行为及本构建模

实施了不同振幅的超声振动辅助AZ31B镁合金板材拉伸试验研究材料的应力-应变关系,分析了超声振动对AZ31B板材力学性能的影响。结果表明,在不同的超声振幅下,超声振动同时具有软化效应和硬化效应。施加超声振动后,材料的流动应力瞬间出现不同程度的降低,当振幅增加到5.07μm时,伸长率和抗拉强度增加;当振幅继续增大时,材料的伸长率和抗拉强度下降。基于描述材料微观变形行为的经典本构理论建立了一种混合模型,其预测的镁合金板材拉伸应力-应变曲线与试验结果具有良好的一致性。

论文名称:聚合物微结构成形的介观尺度效应及其本构建模

具有表面微细功能结构的聚合物薄膜在微光学器件、微生物化学反应系统、微机电系统等领域的应用与日俱增。这一类聚合物薄膜产品的表面微细功能特征尺寸多在10-500μm,其成形加工属于典型介观尺度制造范畴。随着成形特征尺寸降低至介观尺度,聚合物材料力学性能呈现出强化行为。传统的聚合物材料本构模型,无法准确预测聚合物材料介观尺度变形行为,难以指导聚合物表面微细功能结构加工的工艺设计和优化。

CNTs/Al复合材料应力松弛时效特性及建模研究

针对新一代航空航天用轻量化壁板结构用高比模量、比强度碳纳米管增强铝基复合材料(CNTs/Al)成形需求,研究了CNTs/Al应力松弛时效变形强化行为及其形性协同预测建模。在130℃条件下,对CNTs/AA2024开展了涵盖弹塑性初始加载条件(215 MPa、390 MPa和4%、6%)的应力松弛时效强化系列实验。结果表明,CNTs/AA2024的应力松弛曲线呈现较短的初始变速率松弛阶段(2.5 h)和稳定速率松弛阶段;进入塑性阶段后,应力松弛量未明显提高,可能来源于CNTs对位错移动的阻碍作用。在390 MPa初始应力下,材料的屈服强度随时间延长而提高,在5 h左右达到峰值时效,屈服强度为485 MPa,至16 h未出现明显过时效。在相同时效时间下,CNTs/AA2024屈服强度随着初始应力的提高而增加;塑性加载阶段,屈服强度提升效果更为明显(576 MPa),主要是由于加工硬化和位错诱导析出强化的协同作用。进一步的,建立了针对CNTs/AA2024应力松弛时效的统一本构模型,实现了其应力松弛变形、时效强化以及关键微观变量的协同预测。

粉末冶金Al-5.6Zn-2Mg合金在热压缩过程中加工硬化特性及本构模型的比较

在300~5000℃、应变速率为0.1~0.0001 s−1的条件下,在万能试验机上对Al-5.6Zn-2Mg铝合金进行热压缩试验,以确定动态再结晶开始时的加工硬化速率曲线σ_(c)(ε_(c))l以及关键特征σ_(c)(ε_(c))l、σ_(p)(ε_(p))和σ_(ss)与Z系数之间的相关性。使用了四个本构模型,Arrhenius模型、改进的Johnson-Cook模型(MJC)、改进的Zerilli-Armstrong模型(MZA)和开发的人工神经网络(ANN)。结果表明,ANN型模型和Arrhenius模型的相对误差的绝对平均值最低,分别为0.486%和3.36%,MZA型模型和MJC型模型的相对误差的绝对平均值较高,分别为8.84%和3.93%。由于Arrhenius模型能够处理各种因素之间的非线性关系,因此它被认为是最合适的预测模型,但在材料性质未知或实验数据有限的情况下,MJC模型可能是一种更简单的替代方法。MZA模型不适合估计热压缩时的流变应力。此外,训练最好的神经网络模型的预测性能最好,相对误差的绝对平均值为0.486%,R值为0.99。

热处理22MnB5钢的力学响应及本构建模

22MnB5钢冷轧板材分别在750、850和950℃保温30 min水淬后,进行了应变速率分别为0.0005、0.001、0.01和0.1 s;的室温拉伸试验。结果表明:随着热处理温度的升高,试验钢的微观组织中板条状马氏体含量增加,其屈服强度和抗拉强度也显著提升;随着应变速率的增加,试验钢的屈服强度和抗拉强度呈现先增加后减小的趋势;最后基于Voce本构模型,通过引入Johnson-Cook本构的应变速率项,构建了可以描述22MnB5钢在不同热处理工艺和应变速率下力学行为的本构方程,其相关系数(R)和平均相对误差(AARE)分别为0.993和3.15%。

聚合物微结构成形的介观尺度效应及其本构建模

具有表面微细功能结构的聚合物薄膜在微光学器件、微生物化学反应系统、微机电系统等领域的应用与日俱增。这一类聚合物薄膜产品的表面微细功能特征尺寸多在10~500μm,其成形加工属于典型介观尺度制造范畴。随着成形特征尺寸降低至介观尺度,聚合物材料力学性能呈现出强化行为。传统的聚合物材料本构模型,无法准确预测聚合物材料介观尺度变形行为,难以指导聚合物表面微细功能结构加工的工艺设计和优化。

建立岩土本构模型的新方法——映射分解法

本文提出了建立岩土本构模型的新方法—映射分解法 ,论证了该方法的数学基础 ,给出了相关的物理解释 ,介绍了用试验确定模型参数的方法 ,讨论了该方法对岩土介质的广泛适用性。

挤压AZ31镁合金的动态力学行为及本构模型

为构建挤压AZ31镁合金的动态力学本构模型,采用INSTRON液压伺服实验机和分离式霍普金森压杆对AZ31镁合金进行准静态和高速冲击压缩,加载应变速率分别为0.0015 s^(-1),880 s^(-1),1410 s^(-1),3430 s^(-1)和4820 s^(-1).结果表明:挤压AZ31镁合金在高速冲击载荷下具有明显的正应变速率敏感性,其流变应力明显比准静态载荷下的要高,屈服强度和极限强度均随应变速率的增加而增加。基于原始J-C方程,通过将应变速率硬化系数C修正为应变速率的线性函数,构建了挤压AZ31镁合金的修正J-C本构模型,本构拟合结果与实验结果基本吻合,能够较好地表征挤压AZ31镁合金的动态力学响应行为。

超声振动下AZ31B镁合金板热拉伸行为和本构模型

通过超声振动辅助热拉伸实验,研究温度和超声振动对AZ31B镁合金板材力学行为的影响。结果表明:热振联合作用下材料的屈服强度和抗拉强度下降,伸长率和塑性提高,动态再结晶延迟发生。随着振幅的增加,屈服强度和抗拉强度降低的幅度增加,伸长率先增大后减小。与无振动时的伸长率对比,当振幅为9.1μm时,伸长率增大的幅度最大,分别为32.3%(150℃)和23.2%(200℃)。基于热激活机制和位错密度演化理论构建超声振动下镁合金热拉伸的本构关系模型,并结合实验验证模型的准确性。该本构模型能有效地预测不同温度和振幅下材料的应力−应变关系,预测曲线与实验曲线吻合较好。该模型的建立为超声振动下金属热塑性成形的有限元模拟提供了理论基础。

数据驱动的高温结构强度与寿命评估:进展与挑战

本文旨在分析数据驱动思维方法和研究范式在高温结构强度与寿命评估中的应用现状、发展趋势以及存在的问题和挑战。重点关注高温结构服役微观组织演化的图像数据处理和定量识别、多因素耦合作用下的材料/结构寿命预测和本构建模方法。总结了数据驱动方法典型的4种应用方式,即完全代替现有理论方法、耦合驱动已有方法的改进、挖掘变量之间潜在规律和定性认识定量化。最后,指出了数据驱动方法面临的诸如泛化能力不强、外推能力差以及与物理机制关联弱的问题,探讨了未来研究的潜在方向,以期能够推进数据驱动新范式在高温结构完整性领域的交叉应用。

多相孔隙介质的本构描述

在混合物理论的框架内，提出了一个处理饱和和非饱和的多相孔隙介质（工程材料）变形和强度本构建模的新方法，并给出了相应的具体描述．该方法将多相工程材料看成由两个层次的３种混合物模型组成，即第一层次的“固相”和“液相”混合物模型和第二层次的由“固相”和“液相”组成的混合物模型，用该模型来模拟要研究的多相工程材料．这里定义的“固相”和“液相”实际上也是由各自组分组成的混合物，用以反映“固相”介质和“液相”介质的不同性质，因此该方法具有一定的普遍性．

铝合金弹-塑性蠕变时效形性演变建模分析

大尺寸复杂薄壁结构精确成形、成性要求传统蠕变时效成形工艺从弹性加载扩展至弹-塑性加载,为了研究此弹-塑性加载状态对材料与结构蠕变变形及时效强化的影响,开展从应力松驰时效特性表征、跨尺度本构建模到典型带筋壁板蠕变时效成形仿真与试验分析的系列研究。考虑弹、塑性加载下不同初始位错特性建立的基于蠕变背应力演变的跨尺度材料模型,可有效实现弹-塑性蠕变时效特性模拟与预测。典型带筋壁板类结构的蠕变时效成形试验与仿真结果表明,加载过程中产生的塑性应变会大幅降低试验件的回弹率,最大加载等效总应变为1.62%和0.46%的试验件,其回弹率分别为13.8%和31.0%。试验件筋条及蒙皮区域的屈服强度均得到提高,且成形后筋条的屈服强度略高于蒙皮。

车用铝合金板材回弹规律研究（英文）

在车用铝合金材料的成形加工过程中,回弹是主要的成形缺陷之一并且较难控制。本研究对车用6061铝合金板材进行了室温拉伸试验获得其应力-应变曲线并建立改进的Johnson-Cook本构模型。该模型被应用于V形弯曲试验的有限元仿真中,研究不同各向异性屈服准则对板料回弹预测精度的影响。仿真结果表明,应用YLD2000-2d屈服准则时其预测精度较高,同时也验证了该模型用于回弹分析的有效性。进一步探究不同因素如变形程度,冲压速度,摩擦条件,压边力等对铝合金板材回弹行为的影响规律,并应用于铝合金发罩内板的冲压成形过程,能够有效减小工件的回弹。