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。

基于分数阶黏弹性本构方程的井眼蠕变模型

为精确模拟井眼蠕变历程,预测和预防井壁坍塌、套管挤毁和卡钻等工程事故,在前人研究的基础上,将弹簧壶元件引入经典元件模型中,得到了分数阶模型的蠕变柔量,并验证了分数阶模型的拟合效果。研究认为分数阶模型能够实现少参数、高精度的模拟,并且相应参数的物理意义也更加明确。通过黏弹对应性原理,模拟了钻进和压井过程中的井眼蠕变情况,通过调整求导阶数可以使该模型在理想弹性体模型和标准固体模型之间转化,因此,基于标准固体本构方程和理想弹性体本构方程建立的井眼缩径模型仅是该模型的特例。分析模拟结果认为调整分数阶元件的阶数,可以在加快瞬态蠕变的同时降低稳态蠕变的速度,对蠕变曲线进行非对称调整,经典模型则无法通过调整单一参数达到这一目的,分数阶黏弹性本构方程拟合高度非线性实验数据的能力更强。

Prony级数形式的形状记忆聚合物有限应变黏弹性本构模型

为考察形状记忆聚合物(SMPs)的有限应变力学特性,将SMPs材料的弹性响应采用Neo-Hookean超弹性本构方程描述,黏性响应采用Prony级数描述,从经典遗传积分形式的黏弹性本构方程出发,推导出有限应变格式的黏弹性本构方程和相应的材料参数拟合公式.采用环氧基形状记忆树脂(ESMP)进行拉伸-松弛试验,利用推导的公式进行非线性拟合得到本构方程的参数.对不同温度下ESMP的黏弹性力学特性进行试验研究,表明在试验温度范围内随温度升高ESMP的初始模量降低,初始模量中黏性部分所占比例降低,但弹性部分模量值基本不变.针对三维的SMPs结构分析问题,基于所推导本构,应用ABAQUS软件建立数值模拟方法.对拉伸-松弛试验进行数值模拟,结果表明所推导的本构方程用于SMPs的大应变分析中具有较高准确性.此外,所推导的有限应变黏弹性本构方程及参数拟合公式也适用于具有黏弹性特点的其他各向同性高聚物.

基于细观相变和黏弹性本构模型的SMP热力循环数值模拟对比分析

形状记忆聚合物(SMP)作为典型智能材料,由于其独特的形状记忆特性,在航空航天、微系统和生物医学领域已经引起了极大的关注。为了更加准确地利用SMP的形状记忆特性进行工程应用,本工作采用相变本构和黏弹性本构两种模型进行对比仿真研究。首先,基于细观力学的经典相变理论结合SMP材料,给出其存储应变公式的显式解析解;通过单轴拉伸、应力松弛和热力循环等一系列实验获取两种本构模型的各项参数;模拟SMP的热力形状记忆循环过程,将不同本构模型的数值仿真结果与实验结果进行对比分析。研究结果表明,采用相变理论的本构模型时,其仿真结果与实验结果更一致,能够更准确地反映SMP材料的形状记忆特性。

单向热固性预浸料面内剪切行为表征及黏弹性本构建模

单向热固性预浸料的面内剪切变形对最终复合材料构件的成型质量和力学性能有着显著影响。对此,本文研究了单向热固性预浸料在不同成型温度和加载速率下的面内剪切及应力松弛行为。结果表明:单向热固性预浸料呈现出与温度和加载速率强相关的非线性面内剪切变形行为,剪切变形对加载速率的敏感性随着温度的升高而降低,应力松弛速度随着温度的升高而加快,温度越高将会越快处于应力松弛稳定状态。基于单向热固性预浸料的面内剪切及应力松弛行为,构建了精准追踪纤维方向变化的广义Maxwell黏弹性本构模型,并编写VUMAT用户材料子程序,对单向热固性预浸料的偏轴拉伸阶梯加载应力松弛进行模拟,与试验结果表现出较好的一致性,证明了该本构模型的有效性和正确性。

基于超-黏弹性模型的柔性接头动态力矩计算

柔性接头摆动力矩特性的准确预示对整个柔性喷管的结构精细化设计和推力矢量控制系统的总体设计具有重要意义。为了计算柔性接头在不同工况下的摆动力矩特性,将三阶Ogden模型和Boyce-Bergström迟滞模型结合,建立了一种超-黏弹性本构模型,并基于弹性件橡胶材料力学试验数据,采用模拟退火算法确定了模型参数。通过柔性接头方波和正弦波激励的摆动试验,验证了计算模型及参数的有效性和准确性。结果表明:所建立的本构模型能够有效地描述柔性接头的松弛和迟滞行为,对弹性比力矩预示误差在10%左右,对总比力矩的预示误差在10%以内,在无内压工况下其摩擦力矩预示误差为9.24%。

聚四氟乙烯膜材黏弹性本构关系

为研究聚四氟乙烯(PTFE)膜材的黏弹性本构关系,进行了蠕变试验和应力松弛试验,考虑了初始拉伸速率、初始应力对于PTFE膜材黏弹性性能的影响,并采用常用的黏弹性本构关系模型对试验数据进行了拟合,分析了应力松弛和蠕变之间的相互转化关系。研究表明:PTFE膜材具有明显的黏弹性性能,在设计中应予以考虑;初始应力对膜材料的黏弹性性能影响明显,初始应力越大,黏弹性越明显,而初始拉伸速率的影响相对较小;五元件广义Kelvin模型、Burgers模型、分指数模型能够较好地预测膜材料的蠕变黏弹性性能,而基于金属材料的蠕变-应力松弛转化关系不能直接用于分析PTFE膜材的黏弹性转化关系。

由球面波径向质点速度实测数据反演材料黏弹性本构参数

如何由球面波实测数据反演黏弹性材料本构关系是一个富有挑战性的问题。从基于ZWT线性黏弹性本构方程建立的黏弹性球面波的控制方程组出发,根据强间断波阵面的衰减特性,提出了一个由一系列质点速度实测波形求试件动态黏弹性本构方程的新方法。首先,当材料准静态特性已知时,通过实测球面波的传播速度可确定材料的高频弹性模量;再通过实测强间断波的衰减因子可确定材料的高频松弛时间,从而可确定全部黏弹性本构参数。由反演获得的黏弹性本构模型,用特征线数值法计算黏弹性球面波,其质点速度波形的预示与实测取得了令人满意的一致性结果。

Kevlar29纱线动态拉伸力学性能与本构方程

为了能够清晰地表征芳纶纱线在不同应变率下的力学行为,进行了Kevlar29纱线的准静态和动态拉伸试验,结合分离式霍普金森拉杆理论和运动目标追踪法,获得了Kevlar29纱线在不同应变率下的应力-应变曲线,分析了纱线动态拉伸的变形与断裂过程,揭示了Kevlar29纱线力学性能的应变率效应;通过最小二乘法拟合得到了基于纱线应变率效应的黏弹性本构方程,分析了三元件和五元件本构模型的差异及适用性。结果表明:随着应变率升高,Kevlar29纱线的断裂应变减小,拉伸强度和韧性先增大后减小,拉伸模量先增大后趋于稳定;五元件黏弹性本构模型能够较好地表征纱线力学性能的应变率效应。

基于黏弹性本构模型的热固性树脂基复合材料固化变形数值仿真模型

针对热固性树脂基复合材料热压罐成型工艺过程,采用广义Maxwell(麦克斯韦)黏弹性本构模型建立了残余应力和固化变形的三维模型。模型考虑了复合材料固化过程中的热-化学效应、材料的热胀冷缩效应、基体树脂黏弹性效应以及材料的各向异性。通过与文献中实验结果的比较,证明了所建立的模型具有较高的可靠性。对复合材料C型制件的固化过程进行了数值模拟和实验对比,比对结果表明该数值模型具有较高的准确性。

冲击荷载下红砂岩非线性黏弹性损伤本构研究

根据红砂岩在冲击荷载作用下应力曲线表现出的明显的分段特征,以朱王唐本构模型为基础进行改进,建立了一种非线性体、Maxwell体和基于Weibull分布的损伤体并联的本构模型;根据红砂岩动态力学特性,对朱王唐本构模型进行简化,并基于Lemaitre等效应变假设推导出一种率型损伤本构方程。对两种新建本构方程进行试验验证,讨论其适用性并对比分析各参数对试验数据拟合结果的影响,结果表明,基于Weibull分布的非线性黏弹性损伤本构方程能很好地对常温及冻结状态下红砂岩峰前以及整个应力曲线的动态力学性能进行表征,而基于Lemaitre等效应变假设的损伤本构方程只可对红砂岩峰前应力部分进行解答,对整个应力曲线的表征存在一定的局限性。

黏弹性聚合物溶液渗流数学模型

分析聚合物溶液在简化孔喉模型中的流动情况,建立了综合考虑聚合物溶液特性和多孔介质特征的黏弹性本构模型,并在此基础上建立了聚合物溶液不稳定渗流数学模型,并利用数值方法求解.通过实例计算,对聚合物溶液的特征时间、稠度系数、幂律指数、孔隙因子(喉道长度与喉道直径之比)和注入速度对注入压力的影响进行了分析,绘制了相应的理论图版.结果表明:注入压力随聚合物溶液特征时间、稠度系数和注入速度的增大而增大,随幂律指数和孔隙因子的增大而减小.

心肌细胞大变形黏弹性模型及在实验中的应用

在衡量单个细胞力学行为的研究中,越来越多地采用结合实验的数值模拟方法。在连续介质力学框架下,发展了一种新的心肌细胞本构模型,并与微管吮吸实验结合,探讨了心肌细胞的力学特性。本构模型是对普遍使用的仅能用于小变形分析的标准线性固体模型的一种扩展,它将超弹性性能引入到黏弹性模型中,用以描述细胞的大变形黏弹性效应。基于改进的本构模型,对心肌细胞微管吮吸实验过程进行了有限元模拟,并将计算结果与实验结果以及经典理论解进行了对比。结果显示发展的本构模型适合细胞大变形问题的有限元数值模拟。

聚氯乙烯弹性体静动态力学性能及本构模型

为揭示聚氯乙烯弹性体在静、动态载荷下的力学性能,采用万能材料试验机和改进的分离式霍普金森压杆实验装置获得了材料在应变率为0.001、0.01、0.1、1 510、2 260和3 000 s-1下的应力应变曲线,并以屈服强度为整形器优选参数,对比了紫铜、铜版纸和铅等3种整形器材料的整形效果。使用修正的ZWT非线性黏弹性本构模型描述聚氯乙烯弹性体在静、动态载荷下的力学性能。结果表明:聚氯乙烯弹性体在静态载荷下具有应变率效应和显著的超弹性特性,动态载荷下表现出较明显的应变率效应和较强的抗变形能力,且静动态载荷下的力学行为受应变历史影响较大。3种整形器材料中铜版纸的整形效果最好。修正后的ZWT非线性黏弹性本构模型能够得到统一参数的本构表达式,且各应变率下的拟合结果与实验结果具有较好的一致性。

基于ZWT方程的线黏弹性球面波分析

针对时间尺度为1~100μs的爆炸冲击加载,忽略低频Maxwell体的松弛效应,同时为简化分析,忽略非线性弹簧效应项,推导了三维应力状态下的线黏弹性ZWT本构关系。基于球面波的基本动力学方程,结合ZWT线黏弹性本构关系,得到了以位移u表征的三阶波动方程。利用该方程分析固体介质中线黏弹性球面波传播过程中的吸收和弥散现象,得知:高频球面波的衰减因子趋于常数,相速趋于高频下的纵波速度;低频球面波的衰减因子和圆频率ω的平方成正比,其相速趋于低频下的纵波速度;低频球面波的纵波波速低于高频球面波的纵波波速,两者的比值和介质的泊松比、弹性模量及Maxwell体弹性模量相关。

高性能纤维沥青混凝土黏弹性行为研究

基于修正的标准线性固体模型的黏弹性本构关系,建立纤维沥青混凝土材料车辙预估模型,定量描述纤维体积率、纤维长度比及环境温度对车辙形变的影响。结果表明:纤维体积率、纤维长度比及环境温度与车辙相对形变量都呈一定的线性关系,并给出准确的线性表达式。最后,通过掺入PAN纤维的AC-13型沥青混合料的马歇尔试验和室内车辙试验,验证纤维沥青混凝土材料车辙预估模型的合理性与有效性。

高应变率下聚丙烯纤维混凝土动态力学性能和本构模型

利用改进的分离式Hopkinson压杆试验装置对聚丙烯纤维混凝土进行冲击压缩试验和显微镜细观成像分析。对5种不同纤维掺量的混凝土分别进行不同应变率的单轴冲击压缩试验;对比试验所得应力应变曲线,分析应变率、纤维掺量对混凝土强度、韧性和弹塑性等指标的影响;在显微镜下观察不同纤维含量混凝土的破损情况并进一步分析应变率和纤维掺量对损伤演化的影响;基于引入损伤的黏弹性本构模型对试验结果进行拟合分析。研究结果表明:冲击荷载作用下,纤维混凝土表现出明显的非线性及率敏感性;纤维混凝土动态强度及韧性指标随着纤维掺量的增加呈抛物线式的方式发展;损伤演化速度随应变率的增加而降低;引入损伤的黏弹性本构模型能够较好地表达纤维混凝土动态应力应变关系。

川滇地块东边界中南段构造应力分布特征与历史强震活动关系的数值模拟

本文以构造应力场观测结果、岩石圈流变特性为约束,采用摩擦接触单元反映断裂带空间分段特征,以最接近真实地下环境的非线性黏弹性材料为模型的本构关系,建立包括安宁河—则木河—小江断裂带的三维有限元模型,模拟在速度边界条件和重力势能等动力因素共同作用下的断裂带应力分布特性.研究结果表明,模拟得到的断裂带现今构造应力场与地震活动有明显的对应关系,应力比较集中的区域,如石棉、西昌、巧家、东川附近,极有可能是未来的地震危险区域.

点火载荷下翼柱型装药结构完整性数值分析

针对固体火箭发动机翼柱型装药在点火载荷下结构完整性问题,提出了一种考虑三维损伤黏弹性本构性的数值模拟方法。基于商业有限元软件的二次开发平台,编写用户子程序,展开有限元数值计算,获取翼柱型装药在固化降温、点火载荷下装药结构的应力、应变与位移场分布。结果表明,在温度载荷与点火载荷下,药柱内表面变形模式是不同的。然而,不管在温度载荷或点火载荷下,在翼槽处装药Von Mise应力与Von Mises应变高于其他部位。此方法可应用于固体火箭发动机装药结构完整性安全评估。

混凝土材料黏滞系数的测试技术及试验研究

针对固体材料弹性阶段内阻尼,采用黏弹性材料本构关系,通过振型分解法推导建立了简谐荷载激励下材料黏滞系数的测试理论,包括存在钢筋的情况;利用三点弯曲梁式材料阻尼测试装置,对6种不同配合比复合纤维增强阻尼混凝土的黏滞系数进行了试验测试,表明测试理论的可行性,并对试验结果进行了简要探讨。