近β钛合金Ti-55511热塑性变形的流变应力分析与Arrhenius本构方程研究

主要研究Ti-55511钛合金在变形温度为700~850℃、应变速率为0.01~10 s-1、真应变为0.6条件下的热压缩变形行为。结果表明,Ti-55511钛合金的流变应力受变形温度和应变速率的影响显著,峰值应力随变形温度降低和应变速率升高而升高。为消除热压缩过程中的温升效应,提高模型的准确性,本文采用新的温度修正方法,即通过Arrhenius方程推导,并利用数学外推法,对实验流变应力曲线进行温度修正,修正结果表明,变形温度越低、应变速率越高,温升和流变应力增量越大。在温度修正的基础上,建立基于应变补偿的Arrhenius本构方程,用该本构方程预测的流变应力与实测流变应力之间的相关系数(R2)和平均绝对相对误差(average absolute relative error,AARE)分别为0.991和6.65%,表明用本构方程能够精确地预测不同热变形条件下的流变应力。

不同功率密度1064 nm激光辐照下小鼠皮肤热损伤研究

通过实验和理论分析研究1064 nm激光不同输出功率对小鼠皮肤的热损伤规律。利用皮肤镜与光学相干断层成像(OCT)评估小鼠皮肤组织热损伤程度;参考Arrhenius热损伤方程进行理论分析,并与实验结果对比。结果显示,当激光连续辐照时间为400 ms时,激光输出功率密度小于958 W/cm2时,激光辐照处泛红;激光输出功率密度为958~1160 W/cm2时,损伤呈白色水疱状;激光输出功率密度为1160~1370 W/cm2时,损伤呈浅坑状焦黄斑,损伤斑周围伴一圈鼓起的白色皮肤水疱;激光的功率密度在1370~2190 W/cm2,损伤呈红色坑状斑,损伤斑周围伴黑黄色焦痂。

建筑钢材焊接节点在热损伤下的疲劳性能研究

为了避免热损伤降低建筑钢材焊接节点的疲劳性能,提出建筑钢材焊接节点在热损伤下的疲劳性能研究方法。该方法首先分析了建筑钢材焊接节点的热损伤过程,以此为依据建立建筑钢材焊接节点的热损伤演化方程;其次,设置3个焊接节点,在热损伤下对焊接节点的应变、骨架位移和强度退化程度展开分析,研究热损伤对建筑钢材焊接节点疲劳性能产生的影响。研究结果表明,焊接节点的强度退化程度随着加载位移的增加而增大,在疲劳荷载作用下,焊接节点累积的热损伤越来越多,焊接节点的强度逐渐退化,导致节点出现裂缝,焊接节点的裂缝在反复疲劳荷载作用下逐渐扩大,节点刚度退化。

油气井用26CrMo7S钢的热变形应变补偿型本构方程

以26CrMo7S钢为研究对象,通过热模拟研究实验钢在温度为850~1250℃、应变速率为0.01~10 s^(-1)、最大变形量为70%条件下的热变形行为和流变应力特征,建立相应条件下的流变-应力本构模型,考虑热变形过程中应变对流变应力的影响,结合应变补偿进一步修正本构模型,并进行准确性验证和误差分析。研究结果表明:26CrMo7S钢的热变形行为受到加工硬化和动态软化相互作用的影响,在高应变速率下以动态回复为主,而在中低应变速率下受动态回复和动态再结晶两者共同作用;应变补偿修正后的Arrhenius本构方程六次多项式拟合效果较好,对不同应变下26CrMo7S钢的流变行为具有较高预测精度,相关系数为0.99406,平均相对误差仅为5.08%,验证了模型的准确性。

考虑应力状态的HTPB/AP推进剂含损伤热-粘弹性本构方程

从热-粘弹性本构方程的一般形式出发，基于HTPB/AP推进剂单向拉伸应力应变曲线的多项式拟合，提出了细观损伤的模量损伤效应函数；综合考虑应力三轴度和Lode参数，引入应力状态因子对损伤演化过程进行修正，建立了考虑应力状态的HTPB/AP推进剂含损伤热-粘弹性本构。对25℃、70 mm/min条件下单向、双向应力试件拉伸过程的Abaqus有限元分析表明，与测试数据相比，单向、双向加载应力-应变曲线初始上升段基本吻合、损伤效应体现的初始应变基本一致，在发展至断裂延伸率附近时有明显下降，整体规律与测试结果吻合较好；文中本构关系对应加载曲线的“脱湿”阶段滞后测试数据约5％～6％应变（绝对值），应力略高于测试数据，但相对误差小于11％。

金属损伤演化方程和层裂准则的确定(英文)

文中由唯象分析和细观统计相结合的方法给出了一种新的损伤演化方程.对两种金属,在试验结果和内变量理论的基础上得到了计及损伤的热-粘塑性本构关系.用有限差分数值计算研究了应力波传播规律、损伤发展及层裂.通过自由面速度历史的数值模拟,并基于计算结果与试验结果间的最佳一致性,得到了损伤演化方程和层裂准则中的材料参数.

基于Arrhenius和神经网络模型对镍基合金热变形行为的研究

为研究新型高温合金的热变形行为,在应变速率为0.001~1 s^(-1),变形温度为1 080~1 140℃的条件下进行热压缩,得到了真应力-应变曲线并且建立了Arrhenius本构方程。但基于典型Arrhenius本构方程的实验数据与预测数据存在较大误差,Arrhenius本构方程的平均相对误差绝对值(AARE)为23.36%。然后采用应变补偿法对Arrhenius模型进行修正,AARE降至9.92%。此外,较低应变速率下的预测数据比较高应变速率下的预测数据更加精确。为了进一步更精确的预测,采用反向传播人工神经网络(BP ANN)模型对应力-应变曲线进行预测。结果表明,在典型的Arrhenius和应变补偿型模型中,ANN模型具有最高的精度和效率,AARE缩小至1.75%。

1064 nm激光不同辐照时间对小鼠皮肤热损伤的实验与理论研究

通过实验和理论分析的方法研究1064 nm激光不同辐照时间对小鼠皮肤的热损伤规律。利用皮肤镜图像和光学相干断层图像评估小鼠皮肤组织热损伤程度,利用Arrhenius热损伤方程计算热损伤参数,建立激光诱导皮肤组织热损伤模型,并与实验结果进行对比。结果表明,在靶功率密度为30 W/mm;的1064 nm激光辐照下,0~100 ms辐照时间内,小鼠皮肤组织损伤可恢复;150~280 ms辐照时间内,小鼠皮肤组织出现水肿现象和热凝固损伤;280~550 ms辐照时间内,小鼠皮肤表皮层出现汽化现象,损伤斑周围出现焦痂,真皮层发生变性;660 ms辐照时间以上,小鼠皮肤表皮层和真皮层出现汽化现象,伤口渗出组织液,皮下组织发生变性。理论分析与实验结果一致,建立的热损伤模型能够验证小鼠皮肤热损伤程度。

TC17钛合金热变形行为及本构模型

对TC17钛合金进行不同温度(600~950℃)和不同应变速率(0.001~10 s^(-1))的热压缩试验,研究了TC17钛合金的热变形行为,建立了TC17钛合金多元线性回归本构模型,并进行了试验验证。结果表明:TC17钛合金的流变应力随变形温度的升高而减小,随应变速率的增大而增大;在低温段(600~850℃)变形时,真应力-真应变曲线整体上呈应变软化特征,在高温段(850~950℃)变形时,则呈稳态流动特征,流变应力软化现象不明显;由TC17钛合金多元线性回归本构模型得到的流变应力的计算值与试验值较为接近,模型具有较高的预测精度。

基于热氧老化试验的橡胶寿命预测

为研究合成橡胶的老化寿命,采用热空气加速老化试验方法,选取343K、 353K、 363K、373K及383K共5个温度开展老化试验。试验结果表明,相同温度水平下,随着时间的推移,橡胶性能残余会逐渐减少,老化速率会逐渐减缓;同一老化时间范围内,老化程度与温度呈负相关。根据传统动力学方程和时温等效原理,并结合阿伦尼乌斯(Arrhenius)方程,分别建立两种寿命预测模型,得到该橡胶在298 K环境温度下老化性能指标达到临界值0.5时的老化寿命分别为13.49a和9.40a。结果表明,采用传统动力学方法得到的预测结果更为客观、可信度更高。

温度作用下脆性岩石的损伤分析

从花岗岩弹性模量随温度的变化规律入手 ,提出了热损伤的概念 ,在此基础上导出了热损伤演化方程和一维TM(热与力 )耦合弹脆性损伤本构方程 ,并讨论了损伤能量释放率随温度的演化规律。

重频激光辐照半导体损伤的有限元分析

在考虑到材料热力学参数随温度变化的前提下,以热传导方程和热弹方程为基础,采用有限元分析算法,考查了200ns脉宽、1064nm波长重频激光辐照下,半导体材料InSb体内的温升和热应力分布,分析了由温升效应所致该材料的损伤破坏类型,探讨了热熔融损伤和热应力损伤阈值随光斑尺寸、脉宽、重复率、脉冲次数等的变化规律。

岩石热黏弹塑性模型研究

温度作用下岩石的本构行为研究对于深部资源开采、核废料地下处置、地热资源开发以及地下军事防护设施建设等岩石工程问题具有重要意义。以西原体模型为基础,引入热膨胀系数、黏性衰减系数和损伤变量,综合考虑温度对岩石弹性变形、黏性流动以及结构损伤的共同影响,建立岩石热黏弹塑性本构模型,推导考虑温度效应的岩石蠕变方程和卸载方程。研究结果表明,在应力低于屈服极限的情况下,模型初始变形较快,然后趋于稳定蠕变,卸载曲线存在瞬时弹性变形、弹性后效和由温度引起的黏性流动;在应力高于屈服极限的情况下,变形逐渐转化为不稳定蠕变,卸载曲线存在瞬时弹性变形、弹性后效和由温度和应力共同引起的黏性流动。该模型较全面反映了岩石在温度作用下的黏弹塑性和损伤性质,适用于温度和载荷作用下岩石流变与稳定性分析。

Al-Mg-Si合金热变形行为与本构关系

采用热模拟压缩实验法研究了Al-0.62Mg-0.73Si合金的热变形行为,分析了热变形过程中温度、应变速率对其流变应力影响规律,并通过构建包含应变的Arrhenius本构关系模型系统地描述了热变形参量对流变应力的影响规律。实验结果表明,在所研究的热变形参数条件下,流变应力曲线均呈现出明显的动态再结晶软化特征。数据分析结果显示应变补偿的Arrhenius本构关系模型可以较为准确地预测Al-0.62Mg-0.73Si合金的热变形流变应力。本研究结果可用于优化Al-0.62Mg-0.73Si合金热变形工艺参数,并为更为全面地研究铝合金热变形行为提供了理论参考。

GH4169合金高温变形过程本构方程

使用MMS-300热模拟实验机对GH4169合金在变形温度950℃,980℃,1000℃,1020℃,1040℃,1060℃,1100℃及变形速率0.01mm/s,0.1mm/s,1mm/s,10mm/s条件下进行压缩实验。其中,压下率为50%。在热压缩变形过程中,当温度升高或变形速率减小时,流变应力降低。根据不同的热变形参数对流变应力的影响,利用线性回归的方法分析了Arrhenius形式的本构方程,并求出激活能Q=505.649kJ/mol。最终,建立描述GH4169合金热变形规律的本构方程并分析其预测精度。结果表明:在不同热变形参数下,其流变应力的预测值与实验值的符合程度良好,平均相对误差为5.13%,线性相关度为0.977。

高频ns脉冲串作用下肝脏肿瘤热效应的多参数有限元仿真

为了综合传统不可逆电穿孔和ns脉冲的特点,充分发挥脉冲电场非热治疗肿瘤的优势,将高频ns脉冲串引入到消融肿瘤组织的应用中,并研究了此高频ns脉冲串在生物组织中产生的热效应。通过多参数有限元方法对施加1对针电极的肝脏和肿瘤组织的温度以及热损伤进行了仿真,施加的电压范围为1~4 k V,脉冲宽度范围为50~500 ns,重复频率介于100 k Hz^1 MHz之间,脉冲串长度为100μs,脉冲串的重复频率为1 Hz。使用Pennes生物传热方程计算电热耦合下的温度,并根据Arrhenius公式计算热损伤。结果表明:肿瘤在单个脉冲串作用下在100μs时刻达到的最高温度为49.26℃;在1 s时刻最高温度为40.4℃,经过1 s时刻之后热损伤的累积程度只有0.001 6,不会造成热损伤;通过参数拟合,可以得到任意参数下的组织温度以及热损伤。研究结果可为将来的实验研究提供参数选择的理论依据。

激光辐照光伏型光电探测器热效应的有限元分析

建立了高斯激光辐照光伏(PV)型光电探测器温升的三维物理模型,采用有限元分析方法计算了探测器的三维温度场分布,探讨了辐照时间、胶层厚度和胶层热导率对熔融损伤阈值及热恢复时间的影响。研究结果表明:InSb PV型探测器受到强激光连续辐照时会发生熔融损伤破坏,且最早发生于迎光面的光斑中心;激光的功率越高,造成损伤破坏所需要的时间越短;热导率越大,越薄的胶层对应的损伤阈值越大,但胶层厚度和热导率对熔融损伤阈值的影响在大功率激光辐照时才较明显。为了提高PV型探测器抗激光辐照能力,应选用热导率大且尽可能薄的胶层。采用该模型计算得到10 W功率激光辐照下的熔融时间为3.26 s,与实验得到的3 s基本吻合。

激光作用下生物组织光热效应的研究状况

激光生物医学理论和临床实践的基础是激光与生物组织相互作用研究。本文从生物传热方程出发 ,探讨激光作用下组织光热效应的空间分布及时间行为 ,光热传播临床应用的特点 ,温度的实时测量。理论模型和实验手段的结合 ,可以对激光外科临床应用中的热损伤作出预测 ,也有助于新型医疗手段的验证。

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。

积分方法改进的生物质热解反应速率模型构建

针对经典Arrhenius方程中温度积分项不可积的问题,通过设定热解过程中生物质转化率同时为时间t和温度T的函数,使温度积分项可积分,有效避免积分法动力学分析中因简化而导致的计算误差。基于此热动力学方程(Ⅱ类热动力学方程)采用等转化率线性积分法求解反应活化能E,并结合模型拟合法选取最优反应机理函数,将选取的机理函数重新代入Ⅱ类热动力学方程积分式解得指前因子A的值。基于等转化率线性积分法分别采用Ⅰ类及Ⅱ类热动力学方程对玉米芯等5种生物质热解过程进行动力学分析,结果显示2类热动力学方程求得生物质活化能E的决定系数均高于0.95。Ⅱ类动力学方程求解的动力学参数计算的动力学分析值与试验值的吻合度高于Ⅰ类动力学方程。根据热解反应的活化能E与lnA具有高度线性拟合性,且转化率0.05~0.85间活化能波动不大这一特点,采用最大热解速率处转化率对应的热解动力学参数简化热解过程的动力学参数,可减小数值模拟的计算成本,为工程上热解反应的数值模拟提供一定的基础。