基于能量密度等效的超弹性材料压入理论与试验应用

摘要

超弹性材料广泛用于交通、建筑、机械、生物等工程领域，特别常用于结构的减震、密封等方面，其选材、工艺评价、老化分析都离不开表征材料基本性能的本构关系。获取超弹性材料本构关系的方法通常为单轴拉伸方法，而对于服役超弹性材料由于老化、辐照等因素影响，材料会发生劣化且不便于截取标准拉伸试样，因此对更便于测试服役超弹性材料力学性能的压入法进行研究是非常必要的。本文基于能量密度等效原理，通过有限元分析以及不同材料、不同压头的压入试验，对压入法获取超弹性本构关系展开研究。主要工作如下：　　(1)针对超弹性材料压入问题，本文基于能量密度等效原理，提出了描述球、平面、锥三类压头独立压入(球、平面、锥压入)下载荷、深度、压头几何尺寸和Mooney-Rivlin本构关系之间关系的双参数和三参数半解析超弹性压入模型，已知本构关系参数即可通过压入理论模型预测得到球、平面、锥压入下的载荷-深度关系。　　(2)基于半解析超弹性压入模型，提出了求解超弹性材料半程和全程本构关系的双头压入试验方法和三头压入试验方法，已知球、平面、锥压入下的载荷-深度关系即可两两组合通过压入试验方法获取被测材料的半程或全程本构关系。　　(3)基于有限元分析(Finite ElementAnalysis, FEA)对压入理论模型和压入试验方法进行正向和反向验证。正向验证表明，对于已知的超弹性材料本构关系，由压入模型分别预测球、平面、锥三类压入下的载荷-深度曲线与FEA结果之间密切吻合；反向验证表明，对于已知的载荷-深度关系，由双头与三头压入试验方法预测的半程与全程本构关系与FEA条件本构关系密切吻合。基于试验采用三种超弹性橡胶对双压试验方法进行验证，结果表明，双压试验方法具有良好的本构关系预测能力。　　(4)基于FEA证明了双头压入试验方法的正确性与必要性，并证明了基于初始剪切模量的单压头方法存在较大误差，进而提出了获取超弹性材料半程本构关系的平面-锥复合单压头压入试验方法，由双参数压入模型对单次压入下载荷-深度曲线的不同阶段进行组合可预测超弹性材料半程本构关系，结果得到了有限元验证。

目录

声明

第1 章 绪论

1.1 超弹性材料本构关系

1.1.1 连续介质力学法

1.1.2 统计热力学法

1.2 压入测试研究背景及意义

1.3 压入测试研究现状

1.3.1 金属材料压入测试

1.3.2 超弹性材料压入测试

1.4 本文主要研究工作

第2 章 获取超弹性材料半程本构关系的双头压入方法

2.1 Mooney-Rivlin双参数本构关系的应力-应变形式

2.2 双参数半解析超弹性压入模型

2.3 求解本构关系参数的双头压入试验方法

2.4 k0、k1、k2的有限元确定方法

2.5 本章小结

第3 章半解析超弹性压入模型验证

3.1 有限元验证

3.1.1 正向验证：压入载荷-深度关系验证

3.1.2 反向验证：应力-伸长比关系验证

3.2 试验方法与验证

3.2.1 拉伸与压入试验条件

3.2.2 双头压入试验方法与试验比对

3.3 本章小结

第4 章单压头压入法的适应性讨论

4.1 单球压入获取半程本构关系的理论模型

4.2 单体双压头压入求解

4.3 本章小结

第5 章 获取超弹性材料全程本构关系的三头压入方法

5.1 三参数半解析超弹性压入模型

5.2 有限元验证

5.2.1 载荷-深度关系验证

5.2.2 全程本构关系验证

5.2.3 半程本构关系验证

5.3 本章小节

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文和参加科研项目情况