Prony级数的不同阶数对HTPB推进剂力学响应仿真影响

研究了基于不同阶Prony级数的粘弹性本构方程对HTPB推进剂力学响应模拟产生的影响。根据试验结果,建立了HTPB推进剂5~10阶Prony级数模型,在不同拉伸速率下针对模型进行仿真并与试验结果进行比较。研究表明,各拉伸速率下数值模拟精度随Prony级数阶数的增多而提高,这一现象在低拉伸速率下更为明显。根据仿真与试验对比结果,当Prony级数运用于计算拉伸速率大于500 mm/min工况时,其阶数应不小于7阶;当计算拉伸速率低于10 mm/min工况时,其阶数应不小于9阶;当拉伸速率介于二者之间时,应根据计算需求优先选择高阶级数。

移动荷载作用下正交各向异性地基—黏弹性路面结构动力响应的数值模拟

【目的】沥青路面结构在重载车辆的作用下易产生路面典型损害,通过ABAQUS软件进行数值模拟,研究常温状态下半刚性基层沥青路面结构在实际车辆荷载作用下的动力响应。【方法】将半刚性基层沥青路面道路结构简化为面层-基层-路基3层结构,沥青面层黏弹性采用Burgers模型描述,路基土体通过正交各向异性弹性介质模拟,路面车辆荷载采用移动简谐荷载进行模拟。【结果】路基土体正交各向异性,荷载移动速度、振动频率对道路表面竖向位移及竖向正应力有不同程度的影响。【结论】考虑土体正交各向异性能更准确地描述路基路面的动力响应特性,荷载振动频率、荷载移动速度会对路面竖向位移和竖向正应力产生较为明显的影响。

结合有限项多指数级数近似的点源格林函数闭式算法

针对水平层状介质点电流源格林函数,提出了一种快速计算技术。该方法利用点电流源层状介质格林函数谱为单调实函数的特点,采用多指数级数近似格林函数谱,进而借助Somerfeld-Lipschtz积分实现格林函数的闭式计算。计算过程中,格林函数谱以等对数间隔抽样,近似多指数级数的指数常数保持固定并被等对数间隔抽样,近似过程只是指数级数系数谱的计算过程。计算结果表明,采用如下参数能实现点电流源格林函数高精度闭式计算:(1)λmin=10-6,λmax=10,采样点N=128,λ对数抽样;(2)T2min=10-7,T2max=103,T2对数抽样,抽样个数M=64;(3)最优正则化参数α2=10-5,采用最简单模型对解进行约束。

不同变形条件下锰铜合金的应力松弛特性及数值仿真

计算机运算能力的提升为有限元仿真分析提供支撑,可更高效地求解较复杂的结构及非线性问题。文中基于有限元仿真分析技术,针对锰铜合金复杂的力学特性进行仿真计算,分别采用Prony级数本构模型和并联流变本构模型对锰铜合金进行不同变形条件下的应力松弛实验仿真。通过提取应力松弛实验数据将其转化为相应模型参数并进行有限元仿真计算,获得可准确描述锰铜合金非线性力学特性的仿真模型参数。通过对比仿真和实验结果可知,并联流变模型能够更加准确地表征锰铜合金的应力松弛行为,在不同初始应变条件下,仿真结果和相应工况下的实验结果相对误差小于1%。并联流变模型比Prony级数模型更适用于锰铜合金在复杂工况下的仿真计算。

沥青面层混合料松弛模量的跨尺度拟合分析

文中采用广义Maxwell模型和5单元Prony级数,定义沥青砂浆及混合料的松弛模量参数,建立100 mm×300 mm的沥青砂浆松弛试验有限元模型,采用时域分析方法拟合得到沥青砂浆松弛模量的Prony级数参数.基于细观多相介质假设与黏弹性本构关系,使用参数化建模和随机投放算法,实现了沥青混合料的细观组成模拟.考虑细观-宏观跨尺度关联机理,利用有限元模拟沥青混合料松弛试验,预测沥青混合料松弛模量及Prony级数参数,分别代入半刚性与柔性沥青路面组合分析其应力响应.结果表明:沥青砂浆Prony级数参数预测值与真实试验结果吻合良好,相对误差不超过1.2%.沥青砂浆分析区域von Mises应力与竖直方向应力S22基本相等,随着松弛时间的增加逐渐减小,有明显的应力松弛现象,与松弛试验真实情况相符.跨尺度预测的沥青混合料松弛模量参数在合理范围以内,解释了沥青路面恢复存在滞后性与残余应力.

基于橡胶沥青粘弹试验测定模型参数优化研究

为了准确分析水泥混凝土路面接缝填缝料的受力状态,基于粘弹试验测定了橡胶沥青填缝料的松弛蠕变曲线与松弛模量曲线,通过非线性拟合方法求得有限元软件ANSYS中用于描述粘弹类材料粘弹性质的广义Maxwell模型和Prony级数的两种表达方式所需的参数。并结合粘弹性材料时温等效性质,回归了主曲线函数力学参数,为建立接缝有限元动态分析模型,研究移动荷载与温度荷载作用下此类型水泥路面接缝填缝料的粘弹性力学响应分析提供了方法和基础。

时变泊松比HTPB固体推进剂体积和剪切松弛模量反演

为表征HTPB复合固体推进剂泊松比的时间相关性,以经典积分型粘弹性本构模型为基础,开展了从单轴受力响应到体积和剪切松弛模量反演问题研究。运用径向基配置法和带近似奇异核的高斯求积公式求解反演问题的第二类Volterra积分方程。将获得的体积和剪切松弛模量导入Abaqus有限元软件并开展材料力学行为仿真。将有限元结果与单轴松弛、蠕变和等速率加载实验数据进行对比,验证反演方法的正确性。分析了粘弹性泊松比Prony级数参数对相对松弛模量的影响规律。结果表明,当泊松比与时间相关时,相对体积和剪切松弛模量曲线出现分离,其分离程度受长期与瞬时泊松比之差的影响,而分离快慢受泊松比迟滞时间影响。采用正确的体积和剪切松弛模量,经典粘弹性本构模型不仅能合理预测HTPB固体推进剂松弛和蠕变等粘弹性行为,还能正确反映泊松比的时间相关性。

基于Yeoh-Boyce本构模型的HTPB推进剂药柱结构完整性分析

针对精确描述不同工况下固体火箭发动机药柱结构完整性的需求,基于并行流变框架理论(Yeoh-Boyce)提出了一种能表征HTPB推进剂力学性能变化的非线性本构模型。首先开展了非线性本构模型对不同温度、速率和压力条件下推进剂力学性能的预示能力分析,进而基于所构建推进剂非线性本构模型重点对固化降温后点火增压的固体火箭发动机药柱结构完整性进行分析,并将所得计算结果与工程常用Prony级数线粘弹性本构模型计算结果对比,得到了非线性本构模型与Prony级数线粘弹性本构模型两种模型下的固体火箭发动机药柱工作安全系数。结果表明,所提本构模型对推进剂力学性能预示结果与实验数据符合较好,并且使用Von Mises应变为药柱失效准则时,非线性本构模型计算固化降温后点火增压的固体火箭发动机药柱工作安全系数为1.35,Prony级数线粘弹性本构模型计算结果为1.75。以上结果表明,非线性本构模型计算所得工作安全系数远小于Prony级数线粘弹性本构模型计算结果。

沥青混合料动态模量主曲线拟合方法比选及评价

针对试验获取蠕变柔量、松弛模量难度较高、参数不准的问题,采用动态模量主曲线开展研究沥青混合料粘弹性能是有效方法之一。为获取精度较高的动态模量主曲线,对比分析了纯幂函数、幂函数(级数)、Sigmodial和2s2p1d函数四种模型的拟合效果,研究表明:纯幂函数简单实用,但只能适配半个频域范围的主曲线;Prony级数、Sigmodial模型和2s2p1d函数均可以表征动态模量主曲线“S”型特征,但Prony级数在“S”型曲线转折点处拟合效果不佳,Sigmodial模型在低温(高频)扩展段表现不佳,2s2p1d函数具有表征动态模量主曲线整个频率范围特征的优点。研究结论可为动态模量主曲线拟合方法的选择提供参考和借鉴。

沥青混合料蠕变试验数据处理与粘弹性计算

为了获得沥青混合料粘弹性本构关系,并利用这种本构关系进行各种数值计算,结合贯入试验中采集到的蠕变数据,采用Matlab软件对蠕变柔量进行拟合,得到了由广义Maxwell模型和Burgers模型表示的粘弹性参数;针对ANSYS有限元软件的计算要求,推导了将其转化为Prony级数形式的计算公式.通过实例计算表明:四参数Burgers模型和六参数Maxwell模型的拟合相对误差分别小于0.7%和1.3%,利用Prony级数方法得到的计算结果与理论解误差不大于0.001%.Burgers模型比广义Maxwell模型更能准确表达沥青混合料的本构关系;Prony级数的转化公式方法简单,计算精确.

一种将线性粘弹微分型本构方程应用到ABAQUS的方法

以3参量Merchant模型、Poyning-Thomson模型,以及4参量Burger模型为例,推导3种常用微分型本构方程的松弛剪切模量Prony级数形式,并确定其在ABAQUS中的输入参数,供ABAQUS调用分析.以算例分析岩土流变性态,将3种模型的应变蠕变、松弛数值解与一维情形下的解析解进行对比,结果吻合较好.对土体采用Merchant粘弹性流变模型的过江盾构隧道进行粘弹性数值分析,得到管片位移均趋于稳定值,说明所提出的方法是正确和可靠的,可以应用于岩土工程数值计算.

双基固体推进剂药柱非线性蠕变特性实验研究

研究了某双基固体推进剂药柱的非线性蠕变性能。依据固体推进剂药柱试件在不同温度、应力水平条件下的蠕变实验,分析其蠕变行为的非线性特性。实验结果表明,其力学性能与时间、温度、应力强烈相关。构建了参考温度20℃和参考应力5 MPa水平条件下的蠕变柔量主曲线。理论和数值计算表明,较高温度和应力水平下的固体推进剂药柱短期蠕变实验,可用于预测其在较低温度和应力水平下的长期蠕变行为。利用5级Prony级数模拟的蠕变柔量函数与实验叠合主曲线能很好吻合。

水田土壤蠕变的粘弹性计算

为了利用水田土壤的本构关系进行各种数值计算,结合蠕变试验中采集到的数据,采用Matlab软件的拟合工具,得到了Burgers模型的粘弹性参数;针对ANSYS有限元软件的计算要求,推导了将其转化为Pro-ny级数形式的计算公式,根据试验环境,通过试修方法建立了合适的有限元模型。通过模拟与试验结果的比较说明:利用Prony级数方法得到的计算结果与试验结果误差不大于1%。Prony级数的转化公式方法简单,计算精确。

建筑用PVC膜材应力松弛性能研究

对建筑用PVC(聚氯乙烯)膜材进行单轴和双轴应力松弛试验.采用Prony级数模拟单轴应力松弛,建立单轴和双轴应力松弛拟合方程.结果表明:单轴经、纬向应力松弛量受初始应力影响较小;不同经、纬向初始应力比下,双轴经、纬向应力松弛量变化较小;双轴经向应力松弛量高于单轴经向应力松弛量,而双轴纬向应力松弛量则低于单轴纬向应力松弛量.Prony级数可以有效模拟单轴应力松弛;在单轴应力松弛拟合方程中引入调整参数,可以较好地模拟双轴应力松弛.

利用改进开窗转换法确定沥青离散松弛时间谱

为了精确地获得沥青胶结料的离散松弛时间谱,提出了一种改进开窗转换法的线性黏弹性材料函数转换算法.此方法可以用于离散延迟时间谱和离散松弛时间谱的相互转换.与开窗转换法相比,改进开窗转换法对于时间常数的设置更加精确,并且不会产生负数谱线.将改进开窗转换法用于一种传统非改性沥青的弯曲梁流变仪试验数据的离散延迟时间谱的转换,成功地确定了相应的离散松弛时间谱.经有限元模型验证表明,此离散松弛时间谱能很好地还原该沥青结合料的应力松弛特性.

树脂基三维编织复合材料粘弹性性能的有限元分析

根据材料的细观结构,采用APDL语言分别建立了纤维束和三维编织复合材料两级单胞的参数化几何模型;推导了Prony级数表示的树脂粘弹性本构方程,对模型进行了组分材料参数设置;对纤维束单胞模型进行扫掠式网格划分,对三维编织复合材料单胞模型进行线-面-体式网格划分;对两级单胞模型均施加合理的边界条件,使单胞边界上的位移满足周期性和连续性。以有限元模型为基础,计算了三维编织复合材料的粘弹性能,并给出了材料粘弹性效应随工艺参数变化的规律。计算结果表明:三维编织复合材料编织方向的粘弹性效应随编织角的增大而增强,随纤维体积比的增大而减弱。该结果与已有实验结论一致。

基于非线性黏弹性理论的含缺陷PE管的脆性破坏

现阶段聚乙烯管道脆性破坏失效研究,多采用线弹性断裂力学理论进行分析,鲜有考虑管材非线性黏弹性力学行为。针对这一问题,基于非线性黏弹性理论,将材料黏弹性参数用Prony级数表示,在适当假设简化下推导了变载荷含缺陷黏弹性体能量释放率的一般表达式。结合含轴向表面裂纹PE管的脆性破坏工程案例,给出其理论模型及相应计算结果,为研究PE管道脆性断裂现象提供理论依据。

沥青混合料粘弹性行为ABAQUS有限元模拟

以粘弹性力学理论为基础,选用广义Maxwell模型作为沥青混合料粘弹性的本构关系,运用ABAQUS中的广义Prony级数描述其松弛特性。对应力松弛和TSRST试验进行有限元模拟,并分析降温速率和初始温度对TSRST试验数值模拟的影响。模拟结果表明,数值模拟与试验结果非常接近,采用ABAQUS粘弹性有限元对实际问题进行分析计算是准确可靠的;初始温度与降温速度对模拟结果影响显著;不论起始温度和降温速率如何变化,当温度高于5℃时,数值模拟中的TSRST试件温度收缩应力的累积值非常小;对于新建的沥青路面,在最低气温高于5℃的情况下一般不会产生一次性降温所产生的温度裂缝。

基于修正Burgers模型的浇筑式沥青混合料黏弹性参数确定方法

黏弹性是浇筑式沥青混合料的重要特性之一。首先利用Laplace变换,将修正Burgers模型的黏弹性参数转化为剪切松弛模量的Prony级数形式,以满足ANSYS等有限元软件的黏弹性材料参数输入要求,并通过ANSYS模拟验证了公式的正确性;对浇筑式沥青混合料进行了单轴贯入蠕变试验;利用Matlab软件对蠕变柔量进行拟合,获得了修正Burgers模型表征的黏弹性参数;基于推导的Prony级数公式,对单轴贯入蠕变试验进行有限元模拟,并进行了实际试验的模型应力修正。结果表明:有限元模拟结果与理论计算结果的相对误差小于1%,验证了本研究推导的Prony级数公式的可靠性;应力修正后,有限元模拟结果与试验数据的相对误差能控制在6%以内,显著提高了模型参数识别精度。

隔振橡胶材料基于简单应变模式的蠕变特性研究

对隔振橡胶材料的单轴拉伸应力松弛试验数据进行归一化处理,应用Prony级数模型对其应力松弛试验数据进行拟合,获得对应的粘弹本构参数。将表征粘弹特性的Prony级数因子引入Ogden超弹本构方程,获得隔振橡胶材料基于时间效应的本构方程,进而分析单轴拉伸、双轴拉伸和平面拉伸模式的蠕变特性,最后采用沙漏弹簧进行蠕变仿真与试验验证。该蠕变仿真预测方法为隔振橡胶材料的粘弹试验、蠕变计算和工程应用提供一种新思路。