【摘 要】
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准确地预测橡胶类材料在任意变形模式下的力学响应一直是本构关系研究的前沿问题。为了描述橡胶类材料表现出的高度非线性力学行为、基本上完全可恢复性和近似不可压缩性,通常假定应变能函数的存在,再通过实验中的观察和现象学方法或者统计学方法确定应变能函数的解析形式从而构建超弹性本构模型。尽管文献中已经存在大量的本构模型,但是这些模型往往处于一个两难的境地,减少材料参数会降低模型的预测能力,而增加材料参数则让模
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准确地预测橡胶类材料在任意变形模式下的力学响应一直是本构关系研究的前沿问题。为了描述橡胶类材料表现出的高度非线性力学行为、基本上完全可恢复性和近似不可压缩性,通常假定应变能函数的存在,再通过实验中的观察和现象学方法或者统计学方法确定应变能函数的解析形式从而构建超弹性本构模型。尽管文献中已经存在大量的本构模型,但是这些模型往往处于一个两难的境地,减少材料参数会降低模型的预测能力,而增加材料参数则让模型变得过于复杂。近年来,为了摆脱传统本构模型对经验事实的依赖和其材料参数取值的随意性,一种直接利用实验数据解决边值问题的全新计算范式“数据驱动计算力学”被提出。本论文在测试了几种经典本构模型在真实实验中的表现之后,提出了一种用于超弹性材料边值问题分析的数据驱动方法——直接利用单轴和等双轴拉伸的实验数据,避免构造应变能函数的解析形式。将原始的实验数据重构为新的数据形式,结合数据搜索技术该方法能够高效地完成有限元分析中的应力更新。不同于传统本构方法,该方法没有预先将材料假设为完全不可压缩,因此适用于可压缩和近似不可压缩材料。使用参考模型进行数值实验生成了所需的数据,设计了不同变形模式和复杂度的算例来测试该方法的预测能力,结果表明该方法在整体或单元水平上都能与参考模型保持一致。进一步地,利用Treloar和Kawabata在橡胶上的经典实验数据来测试该方法在真实实验中的预测能力,结果表明该方法在缺少一个先验量的情况下,仍能够准确地预测Treloar实验结果和Kawabata实验中的一部分结果。该方法为准确地预测非线性弹性材料在任意变形模式下的力学响应提供了新的路径。
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