一种非统一黏塑性本构的有限元实现

在与率相关黏塑性本构模型的背应力分量中加入静态回复项通常用来更精确地描述材料应力松弛效应．本文基于包含静态回复项的非统一黏塑性本构模型,提出了对应的隐式应力积分算法．该模型可简化为两个关于偏背应力和等效应力张量的方程组,通过牛顿迭代法进行求解．在应力积分算法中采用了Return-Mapping求解策略．此外还推导出了材料的一致切线刚度矩阵来判断有限元分析收敛性．在此基础上开发出了适用于ABAQUS工程软件的UMAT用户材料子程序．文中选取了高温下镍合金材料在伴随应力松弛的循环加载路径下的试验结果来验证算法的有效性．从比较结果中可以发现：用户子程序即使在大时间增量下也具有良好的收敛性,静态回复项的引入使得模型对应力松弛效应的模拟更加准确．     

螺旋压缩弹簧应力松弛特性试验分析及其应用

本文通过应力松弛试验、理论推导及数值模拟研究了高温下螺旋压缩弹簧的应力松弛规律,并利用加速模型对工况下弹簧应力松弛服役寿命做出预测。首先,根据螺旋压缩弹簧的结构特点搭建了弹簧应力松弛连续动态测试装置,该装置不仅避免了传统测试方法存在的缺陷,而且能够保证试验过程中位移载荷恒定,并实时监测载荷变化。本文以某飞机舱门单锁机构中的螺旋压缩弹簧为试验对象进行了不同温度条件下的应力松弛试验,得到其松弛动力学曲线,并基于Arrhenius模型建立了弹簧在工况下的应力松弛服役寿命预测模型;其次,基于应力松弛和蠕变在本质上的一致性,结合金属材料蠕变规律并根据试验弹簧的受力特点,推导出用于描述试验材料松弛行为的蠕变本构方程,由试验结果获得该本构方程的材料常数;最后,通过该本构方程及材料常数,在ANSYS软件中对试验弹簧的松弛过程进行模拟,结果表明,模拟结果与试验结果误差不大于4%。因此,通过本文方法所建立的蠕变方程对弹簧在不同载荷条件下的应力松弛规律进行仿真分析具有一定的可行性与准确性。     

超高分子量聚乙烯材料的应力松弛研究

采用实验方法研究超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料,在不同温度、应变率和初始应变的条件下进行单轴压缩应力松弛实验,得出松弛应力与时间成非线性关系,且温度越高、应变率越大、初始应变越小,则最终稳定的应力值越小的结论．采用时间分数阶粘弹性模型,结合Boltzmann叠加原理推导出UHMWPE材料在整个加载段及松弛段的应力响应函数,并与实验数据最小二乘拟合．结果表明,时间分数阶Scott-Blair模型能很好地描述UHMWPE材料的粘弹性行为．     

油套管特殊螺纹密封面接触应力松弛行为研究

开展了P110T油套管材料的单轴拉伸高温蠕变试验,分析了P110T材料在不同温度、不同拉应力作用下的蠕变力学特性;运用约束最小二乘法建立了P110T材料蠕变速率的解析解数学模型,并根据材料松弛与蠕变的特征关系建立了P110T材料松弛力学规律的数学模型;采用实例分析的方法,得到了P110T油套管特殊螺纹密封面松弛应力的变化规律。结果表明,在相同初始接触应力条件下,温度越高,应力松弛变化现象越明显;在相同温度条件下,初始接触应力越高,密封失效所需的时间越长。     

柔性硅泡沫薄片的短时松弛行为研究

根据多孔硅泡沫材料的单轴压缩和应力松弛实验,利用最小二乘法的LM法拟合得到硅泡沫材料的本构关系.基于上述模型开展了组合结构中多孔泡沫薄片应力松弛行为的数值模拟,得到了短时松弛过程中硅泡沫结构件的应力变化规律.     

基于球压法的水泥熟料在不同温度下的力学性能分析

本文通过高温球压法得到各种脆性和准脆性材料的表面压痕应力与应变之间的关系曲线。通过压痕应力–应变曲线的分析既可比较方便地确定出材料的压痕弹性模量、剪切模量和布氏硬度,又可比较不同温度下水泥熟料的变形性能。在不同温度(25℃~1400℃)处理下,球压应力松弛试验载荷松弛,在载荷峰值为100 N时,随着温度的升高,水泥熟料载荷松弛更明显。随着温度从500℃升高到1400℃,载荷松弛非常明显,尤其温度高于1200℃,水泥熟料样品内部的硅酸三钙(Ca_3SiO_5,简称C3S)分解以及有部分液相的出现引起的应力松弛现象最为明显,在1275℃时熟料基本上已经软化,载荷急速松弛,所以认为1275℃为熟料的脆延转化温度。通过水泥熟料高温球压松弛试验可以确定水泥熟料在二次加热过程中的脆–延转化温度,测定熟料弹性模量和抗压强度急剧变化的温度范围。研究水泥熟料在不同温度下的力学行为和力学特性,探索提高粉磨效率的新途径,实现高温下的低能耗粉碎。     

SHPB试验中粘弹性材料的应力均匀性分析

采用特征线解法，对满足ZWT方程的粘弹性材料在高应变率SHPB试验中的应力均匀性进行了数值研究。着重分析了不同的材料本构粘性(松弛时间)、瞬态波阻抗比和入射波升时对于试样中应力均匀性、应变均匀性和平均应变率等的影响。为今后动态试验的试样设计提供了一定的理论依据。     

硅泡沫的超弹压缩和应力松弛的不确定性表征

硅泡沫垫层材料由于制备过程中的发泡随机性,在实验测试中往往表现出单轴压缩和应力松弛性能的分散性。本文基于二阶Hyperfoam超弹性本构模型和二阶Prony应力松弛级数模型,由实验数据的规律性,从不确定性量化角度引入各材料参数的相关性,将多参数不确定性转化为单个参数不确定性,分别建立了形式简单且能够表征不确定性因素的超弹压缩和应力松弛本构模型。在此基础上,分别联合实验统计的单值压缩数据和单值松弛数据,反演出了完整的超弹性本构曲线和应力松弛曲线,与实验结果吻合较好,误差不超过2%,合理地预测了材料的压缩和松弛性能演化规律,并为数值模拟提供了直接的材料参数输入条件。     

粘弹性材料的变形动力学模型

粘弹性材料的变形动力学模型周建平（长沙国防科技大学，４１００７３）关键词粘弹性，本构关系，内变量，老化１引言许多工程材料，特别是聚合物材料的应力应变关系具有粘弹性特征，使得材料或结构在受力过程中发生蠕变或应力松弛现象．从微观上讲，这种粘弹性变形是由于...     

人体关节盘和二种人工关节盘材料的粘弹特性分析

本文实验分析人体关节盘和二种人工关节盘材料的粘弹特性,即本构关系、滞后特性、应力松弛和蠕变特性。试验结果可提供口腔临床医学的参考。     

双向加载条件下尼龙6-橡胶复合材料的应力松弛研究

在双向测试系统上进行了不同纵向应变与不同横向应变的双向松弛实验,研究了在双向拉伸载荷作用下单向尼龙6-橡胶复合材料的应力松弛特性．为了预测尼龙6-橡胶复合材料的应力松弛规律,提出了一个松弛型本构模型．当试件承受双向拉伸载荷作用时,将松弛型本构模型获得的理论曲线和实验数据进行了对比,二者取得了较好的一致性．     

Shear relaxation characteristics of rock joints under stepwise loadings

The stress relaxation characteristic of rock mass is an important aspect of rheology and has important practical significance for rock engineering. In order to investigate the relaxation characteristic of rock joints with different slope ratios and normal stresses, a series of shear stress relaxation tests were conducted on artifical rock joints poured by cement mortar. Test results show that the relaxation curves can be divided into three stages, i.e. instantaneous relaxation stage, attenuation relaxation stage, and stable relaxation stage. Furthermore, the nonlinear Maxwell relaxation equation was obtained by using the relation between the viscosity coefficient and time, and the theoretical curves based on the empirical equation agreed well with the test results. Moreover, the change law of the initial viscosity coefficient was investigated. Accordingly, a stress relaxation method, termed as relaxation stress peak method, was proposed to determine the long-term strength of rock joints.     

Relaxation behavior and modeling

Load relaxation tests deliver several orders of magnitude of inelastic strain rate data while elastic strains are converted into inelastic strains [see Lemaitre and Chaboche, 1994. (Mechanics of Solid Materials, Oxford University Press, Cambridge p. 264)]. Hart used this test for providing information on the inelastic deformation behavior for modeling purposes. Characteristic relaxation curves were obtained with ductile metals and alloys at room and high temperature showing a scaling relation derived from Hart's theory. Subsequent testing with servo-controlled testing machines and strain measurement on the gage length showed that an increase of prior strain rate also increased the average relaxation rate. For relaxation tests starting in the flow stress region, the relaxation curves can be independent of the stress and strain at the start of the relaxation tests. For the modeling of these newly found relaxation behaviors and other phenomena the viscoplasticity theory based on overstress (VBO) has been introduced. It is shown that VBO admits a long-term (asymptotic) solution that can be used with sufficient accuracy for the flow stress region of the stress–strain diagram. The long-term solution predicts the observed relaxation behaviors and that the relaxation curves coincide when shifted along the stress axis. This behavior is observed for the recently obtained data and is confirmed by two sets of the Hart-type data when they are plotted according to the new method.     

一种变温非线性粘弹性理论

实验表明,在高温下,某些金属材料呈非线性粘弹性：对不同的应变增量,材料有不同的瞬时弹性模量,所产生的应力沿不同的松弛曲线松弛。该了表述材料这一力学行为的变温非线性粘弹性本构方程,它可用于在高温和变温下工作的构件（如模具）的变形计算。     

多孔材料吸能行为对相对密度和冲击速度的依赖性

多孔材料是一种优异的吸能缓冲材料,但由于其变形模式的非单一性以及动态应力应变曲线的难获取性,其吸能行为对相对密度和冲击速度的依赖性关系还并不完全明朗。本文基于不需要提前作本构假定的波传播法,开展了多孔材料的吸能行为研究。采用多孔材料的细观有限元模型进行Taylor冲击虚拟实验,获取全场质点速度时程曲线,结合Lagrange分析法得到多孔材料的局部应力应变信息,进而探讨了动态吸能性能对材料相对密度和冲击速度的依赖性。研究结果表明多孔材料的吸能行为可依据变形模式分为三个阶段。在冲击模式下,多孔材料单位体积吸能与相对密度成线性增加关系,此时惯性起主导作用;在过渡模式下,惯性的主导作用减弱,单位体积吸能量的增加速率随相对密度的增加而减弱;在准静态模式下,多孔材料只能发生微小的变形,其吸能很少。本文进一步获得了区别于多孔材料准静态应力-应变曲线的动态应力-应变状态曲线,并考察了其与相对密度之间的关系。结果表明：随着相对密度的增加,多孔材料的动态压实应变将变小,而动态塑性平台应力将提高。     

ANALYSIS OF MECHANICAL PROPERTIES OF CEMENT CLINKER UNDER DIFFERENT TEMPERATURES BASED ON HERTZIAN INDENTATION METHOD1)

本文通过高温球压法得到各种脆性和准脆性材料的表面压痕应力与应变之间的关系曲线。通过压痕应力-应变曲线的分析既可比较方便地确定出材料的压痕弹性模量、剪切模量和布氏硬度,又可比较不同温度下水泥熟料的变形性能。在不同温度(25 ${^\circ}\!$C$\sim $1400 ${^\circ}\!$C)处理下,球压应力松弛试验载荷松弛,在载荷峰值为100 N时,随着温度的升高,水泥熟料载荷松弛更明显。随着温度从500 ${^\circ}\!$C升高到1400 ${^\circ}\!$C,载荷松弛非常明显,尤其温度高于1200 ${^\circ}\!$C,水泥熟料样品内部的硅酸三钙(Ca$_3$SiO$_5$, 简称C3S)分解以及有部分液相的出现引起的应力松弛现象最为明显,在1275 ${^\circ}\!$C时熟料基本上已经软化,载荷急速松弛,所以认为1275 ${^\circ}\!$C为熟料的脆延转化温度。通过水泥熟料高温球压松弛试验可以确定水泥熟料在二次加热过程中的脆-延转化温度,测定熟料弹性模量和抗压强度急剧变化的温度范围。研究水泥熟料在不同温度下的力学行为和力学特性,探索提高粉磨效率的新途径,实现高温下的低能耗粉碎。     

推导材料不同$K_t $中值疲劳曲线的损伤力学方法

从损伤力学出发,得到材料的中值疲劳曲线表达式．通过分析,得到了影响材料S-N曲线的材质参数及其相互关系．通过升降法和成组法试验,获得K_t=1．0时对应材料的中值疲劳曲线,即材质参数．在此基础上,只需通过升降法得到任意应力集中系数K_t下的疲劳极限,即可得到该应力集中下对应的中值疲劳曲线．