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关键词： 纳米粒子   黄麻   聚乳酸   复合材料   力学性能  

摘要： 随着人们环保意识的增强，可生物降解的纤维增强复合材料成为重要研究方向，黄麻增强聚乳酸(PLA)复合材料显示出很强的应用前景。本文通过在PLA基体中引入硅烷偶联剂改性的纳米颗粒，研究了不同偶联剂改性的纳米颗粒在添加量不同时，对黄麻/PLA复合材料的力学性能影响和增强增韧机理。通过在黄麻/PLA复合材料中添加了硅烷偶联剂改性纳米颗粒，提高黄麻/PLA复合材料的力学性能，从而进一步扩宽其应用领域。　　(1)硅烷偶联剂KH550、KH560和KH570改性的二氧化硅(SiO2)为填料，采用溶液浇铸法制备PLA复合膜，通过层叠模压成型制备黄麻/PLA复合材料。结果表明:与未添加SiO2的黄麻/PLA复合材料相比，在PLA基体中添加4wt％的KH560-SiO2制备的复合材料弯曲强度和弯曲模量分别提高了183.13％和1170.97％,拉伸强度和模量分别提高了107.53％和315.56％。拉伸断裂形貌表明，由SiO2颗粒引起的局部塑性变形、基体空洞和微裂纹是复合材料强度提高的主要原因。　　(2)以硅烷偶联剂改性的丁苯橡胶(SBR)为填料，制备黄麻/PLA复合材料。实验结果表明:PLA基体中加入的KH560改性SBR颗粒为1.0wt％时，黄麻/PLA复合材料弯曲强度、弯曲模量和弯曲挠度提高了101.12％、677.42％和131.02％;在黄麻/PLA复合材料中加入KH560-SBR颗粒2.0wt％，拉伸强度和模量提高517.91％和472.00％。SBR加入使PLA基体产生塑性形变和逾渗效应，是复合材料增韧的主要原因。　　(3)以KH560改性SBR颗粒制备的MSBR/SiO2核壳颗粒为填料，制备黄麻/PLA复合材料。实验结果表明:在PLA基体中加入1wt％的4MSBR/SiO2核壳颗粒制备的复合材料，比黄麻/PLA复合材料弯曲强度高275.83％，弯曲挠度增加195.50％。在黄麻/PLA复合材料中加入4.0wt％的4MSBR/SiO2核壳颗粒时，拉伸强度和断裂伸长率提高838.54％和11.05％。结果表明MSBR/SiO2核壳颗粒的柔性核和刚性壳之间有效协同作用，其引起的基体塑性变形和逾渗效应是复合材料增强增韧的主要原因。

关键词： 热固性复合材料   固化变形   残余应力   强度   振动频率   屈曲特性  

摘要： 热固性纤维复合材料通常需要经历高温固化和冷却脱模后成型,由于复合材料具有各项异性的特点以及固化过程中的树脂流动,纤维屈曲和滑移等因素影响,导致脱模以后产生固化缺陷,对结构的静力学强度、振动和屈曲等动力学特性产生显著影响。为了优化复合材料成型工艺,降低固化缺陷对结构静动力学特性的影响,本论文从强度损伤、振动和屈曲的角度研究了复合材料固化缺陷对结构力学行为的影响。具体研究工作如下: 基于经典层合板热变形理论,采用瞬时线弹性本构提出了一个新的复合材料层合板固化缺陷的解析计算模型。该模型考虑了层合板的耦合效应、树脂孔隙率及纤维梯度分布等因素的影响,并通过实验、有限元等方法对模型的准确性进行了验证。然后采用该解析模型分析了成型加工引起的复合材料固化缺陷的问题。计算结果表明:给定几何尺寸的复合材料部件,其固化变形主要归因于模具-零件的相互作用,纤维体积分数的梯度分布,树脂固化收缩和树脂的高热膨胀性。固化变形随着固化温度和升温速率的增加非线性增加。 采用细观力学的方法,研究了不同工艺参数在细观尺度上对树脂基体残余应力的影响,并基于Tsai-Wu强度准则建立考虑固化残余应力的复合材料强度分析有限元模型,分析了不同固化工艺参数对纤维复合材料结构强度的影响规律。结果表明:在细观尺度上纤维在主应力方向承受压应力,而基体则承受较高水平的拉应力;且随着树脂热膨胀系数和固化收缩率的提高,基体残余应力超过其强度,出现损伤。宏观尺度上,零件的拉、压强度受不同固化温度引起的残余应力的影响较小,但随着树脂热膨胀系数和固化收缩率的升高大幅下降。 以含初始固化缺陷的纤维复合材料梁为研究对象,基于一阶剪切变形理论,采用Rayleigh-Ritz法和边界虚拟弹簧技术,对梁的动力学问题提出了统一的解,研究了固化缺陷对纤维复合材料梁振动和屈曲行为的影响。结果表明:当固化变形较小时,复合材料梁的一阶频率和临界载荷随着固化变形的增加而逐渐增加;当固化变形过大时,复合材料梁的基础频率及临界载荷随着固化变形逐渐降低。梁的频率和临界载荷随初始应力升高而增大。对称铺层的复合材料结构由于固化变形及残余应力较低,其动力学特性对工艺参数的变化不敏感。 研究了边界松弛对含初始固化缺陷的复合材料梁的动力学行为的影响。采用边界虚拟弹簧技术,通过调整其刚度值,实现对经典边界和松弛边界的模拟,得到梁的振动频率和临界载荷与边界松弛的关系。计算结果表明:边界松弛和固化变形对梁的动力学行为存在耦合影响,固化变形幅值的增加导致复合材料梁的振动和屈曲对轴向和垂直边界松弛更加敏感。

关键词： 纳米二氧化硅   水泥基材料   分散性   耐久性   抗压强度  

摘要： 近年来,纳米SiO2改性水泥基材料以其较高的力学性能、抗渗性以及耐久性,使其在文物修缮、地下工程的堵水、以及岩石和土壤加固等方面得到了充分利用,在建筑中也有效地保证了钢筋的保护层厚度,提高了结构承载能力,提升了结构的安全性。但是纳米材料由于尺寸小、表面能大,掺入到水泥基材料中容易发生团聚,造成分散不均匀、作用效果降低,因此如何使纳米材料更加均匀地分散于水泥基材料中成为了本研究的核心内容。具体如下:（1）本文设计了十二组不同分散程度的水泥净浆试块,通过轴心抗压实验并结合响应面分析法,研究了超声分散时长、纳米SiO2掺量和减水剂掺量对抗压强度的影响规律并建立响应面法分析模型。结果表明:对比未分散试样,超声分散40min、纳米SiO2掺量1wt.%、减水剂掺量0.9wt.%组抗压性能最优,3d、7d、28d的抗压强度分别提高了16.8%、30.5%、33.9%,28d时强度可达83.7MPa。响应面法分析结果发现,当NS掺量、减水剂掺量和超声波分散时间的最佳用量分别为1.08wt%、0.9wt%和40min时,7d强度可达61.9MPa,并证实模型的正确性。（2）对不同分散程度下的纳米SiO2改性水泥基材料进行电阻率测试、冻融循环处理和高温处理,结果表明:提高纳米SiO2的分散程度会提高改性水泥基材料的耐久性。超声分散40min、纳米SiO2掺量1wt.%、减水剂掺量0.9wt.%时,3d、7d、28d电阻率比未分散试样分别提高了57.63%、86.57%、98.49%;25、50和75次冻融循环质量损失最小分别为0.28%、1%、2%,相对动弹性模量最大且分别为99.15%、98.24%、97.69%,强度损失最小且为3.20%、7.74%、13.74%;200℃抗压强度提高了8.41%,400℃、600℃、800℃高温后残余抗压强度分别减少了22.38%、38.89%、62.70%。（3）通过Zeta电位分析、XRD分析和SEM分析,研究了纳米颗粒悬浮液的电位值以及试块的水化产物和微观形貌。结果表明:0-40min内,随超声波分散时间延长Zeta电位绝对值增大;0-1.5wt.%内,随纳米SiO2掺量的增加Zeta电位绝对值先增加后降低;0-1.2wt.%内,随减水剂掺量的增加Zeta电位绝对值先增加后降低;超声分散40min、纳米SiO2掺量1wt.%、减水剂掺量0.9wt.%时,Zeta电位测试显示为-37mv,液体体系趋向分离且稳定,同时氢氧化钙峰值强度低于其他组,促进水化作用更显著;并且减小了Ca（OH）2晶体的体积,微观结构更加均匀、密实。

关键词： 三维编织复合材料   随机效应   弹性常数   强度   有限元法  

摘要： 三维编织复合材料突破了传统复合材料层合板结构的概念,在提高层间及层内强度、抗冲击和损伤容限等方面具有巨大的优势和潜力。然而,三维编织复合材料实际制造过程中纤维束交织构造复杂,且常常由于环境中的杂质、工艺实施不完善等因素,造成最终制品中存在一定缺陷,给其力学行为分析带来了很大难度。因此,正确评价考虑细观随机效应的编织复合材料结构强度、损伤演化规律及材料的可靠性,对提升编织复合材料在航空航天领域服役的实用性和可靠性具有重要意义。本文首先基于随机理论建立了考虑纱线随机挤压效应的纤维束和三维编织复合材料弹性常数理论计算模型。该模型的一个基本优点是,预测弹性特性时不需要精确地描述增强体的细观特征。作为输入数据的唯一基本特征是纤维束随机特征参数的均值和标准差。其次,基于该理论模型结合有限元方法研究了纱线三种随机效应(纤维随机路径波动、纤维束截面随机放缩和纤维束截面随机扭转)对三维编织复合材料等效弹性常数的影响以及在基于随机效应下,研究了编织角变化对材料随机弹性响应的敏感性。再次,基于纱线细观随机效应影响下,研究了三维编织复合材料组分材料弹性常数对材料随机等效弹性常数的敏感性。结果表明,三维编织复合材料细观随机特征参数对材料随机等效弹性常数的影响程度与编织角和组分材料弹性性能密切相关。最后,基于纱线细观随机效应影响下,研究了结构随机效应对三维编织复合材料结构强度和应力分布的影响,结果表明,三维编织复合材料细观随机特征参数对结构强度具有一定影响,细观随机性对强度的影响程度同样与编织角密切相关。

关键词： 增材制造   连续纤维   复合材料   力学性能   修正系数  

摘要： 熔融沉积制造(FDM,Fused Deposition Manufacturing)工艺是一种将熔融态热塑性聚合物进行逐层堆积的增材制造技术。纤维增强复合材料具有高比强度、比模量等优异性能,将3D打印技术和纤维增强材料结合,能够实现构件精确快速成型及高度自动化,且能降低研发成本。由于FDM采用分层制造,在打印过程中仍然存在一定的打印缺陷和材料本身的制造缺陷,这会对材料的承载特征造成影响,为此,本文通过3D打印技术制备了连续纤维增强复合材料,并开展一系列试验对其力学行为进行研究,结合理论计算模型进行对比,提出一套考虑成型缺陷的纤维增强复合材料力学行为预测方法,并验证了预测方法可靠性,以下是本文的主要研究内容:(1)回顾目前国内外对于3D打印技术以及纤维增强复合材料的研究进展和现状,对制备连续纤维增强复合材料过程进行简述,详细介绍了复合材料力学分析基础,选择本文研究所采用的失效准则以及力学行为预测方法的介绍。开展了两种准静态试验(拉伸、三点弯曲),试验设计了三组变量。两种试验结果表明,碳纤维增强试件力学行为最佳,芳纶纤维最差;在三点弯曲试验中结果表明,添加连续纤维试件的抗弯强度和刚度是纯基体试件的3.5倍和5.9倍;纤维铺层位置的不同对三点弯曲试验结果有显著影响,且纤维层设计在边缘铺层位置时,试件呈现最佳的力学行为,但是纤维铺层位置对于拉伸试验结果并无影响;不同纤维取向对试验结果有显著影响,当纤维取向和拉伸加载方向一致时,力学性能达到最佳,采用0°纤维取向的碳纤维增强试件拉伸强度为90°时的5倍左右,刚度接近4倍。(2)根据已有的材料参数通过Chamis公式和Huang的桥联模型计算单向连续纤维的刚度、强度,将得出的理论工程弹性常数应用于编译成的渐进损伤失效模型中,拉伸试验中纤维取向为纵向排列试件的应力-应变曲线相类似,前半段呈线性变化,当拉伸载荷加载到最大拉伸载荷的30%左右,斜率变缓,此时试件内部已经发生损伤,继续加载到最大拉伸载荷,伴随崩裂声此时试件发生断裂,加载也随之结束,试件断裂的同时也表明纤维增强试件呈现脆性断裂;对于纤维取向为横向排列的试件,此类试件的曲线相类似,初始阶段,应力-应变呈线性变化,由于纤维取向的特点,此时主要的承载相是基体,当拉伸载荷持续增加,基体间出现拉伸损伤并且迅速扩展而影响整体的刚度,曲线斜率开始变缓,当达到最大拉伸载荷时,基体发生开裂,此时加载结束。有限元数值模拟软件得到的理论结果与准静态试验结果进行对比验证,结合观察打印材料以及成型试件的微观形貌,发现理论数值模拟得到的结果与试验结果相差较大,提出一套考虑成型缺陷的纤维增强复合材料力学行为预测方法并将此预测修正方法应用至三点弯曲的数值模拟中进行验证,在三点弯曲中失效过程是首先上层纤维发生压缩损伤,之后发生基体拉伸损伤并迅速扩展,进而导致试件的下层发生纤维拉伸失效,试样整体发生屈服,结果表明预测修正方法的可靠性。

关键词： 材料力学   痛点剖析   “5E”教学模式   多维教学改革   PDCA循环改进  

摘要： 本文针对目前材料力学课程教学中存在的痛点问题，依据材料力学课程定位，围绕创新人才培养目标，提出适用于本课程的“5E”教学模式，对现行教学方法和手段对课程教学进行改进与调整。并采用PDCA循环改进方法，拟通过两轮以上完整教学实践，对材料力学课程的总体设计进行持续性改进，以期通过课程改革真正激发学生的学习兴趣、提升学生解决复杂工程问题的能力，切实提高学生课程成绩。

关键词： 张拉整体超材料   增材制造   准静态压缩   冲击载荷   碰撞  

摘要： 随着舰船向快速化、大型化、现代化方向发展,对结构的轻量化、承载能力、抗冲击能力等提出了更高的要求。力学超材料具有低密高强、负泊松比等传统材料所不具备的特性,因此越来越受到研究者的关注,在船舶领域具有良好的发展前景。张拉整体超材料作为一种新型力学超材料,在微观尺度层面表现出具有独特的力学特性,本文将张拉整体超材料概念拓展至宏观尺度层面,开展其在静动态压缩载荷下力学特性研究,主要研究工作如下: (1)利用增材制造技术,设计并制造了7个张拉整体超材料试件,对其进行单轴准静态压缩实验,研究相对密度、杆件特征角度、密度梯度对其力学性能的影响。实验结果表明:准静态压缩载荷下,张拉整体超材料构件变形受弯曲主导,结构整体变形分布均匀,应力应变曲线具有稳定的大变形平台段。增大相对密度能大幅提高结构平均应力及吸能水平;特征角度对结构力学性能影响较小;密度梯度结构的变形模式为逐层塌陷失效,在高应变下比均匀密度结构具有更强的能量吸收能力。 (2)建立了张拉整体超材料准静态压缩数值仿真模型,利用实验结果对模型进行验证,开展了张拉整体超材料力学性能仿真计算研究。结果表明:密度梯度设计改变了结构压溃模式,结构的失效模式为从低密度到高密度逐层塌陷失效。采用由低/中/高密度层堆叠方式能够降低结构的初始平台应力,并且使结构在高应变下拥有更高的刚度和强度;适当增大拉杆的杆径,可提高结构的承载能力和能量耗散能力;材料参数对张拉整体超材料力学性能的影响仅体现在力学特征量的绝对值上,而对其相对力学性能影响很小。 (3)建立了冲击载荷下张拉整体超材料数值仿真模型,计算分析了张拉整体超材料结构在不同冲击速度下的压缩特性,并研究了高速冲击载荷下相对密度、阶梯密度及拉压杆径配比对张拉整体超材料的动态响应特性的影响,最后针对某双壳舷侧结构,将张拉整体超材料填充至双壳舷侧壳板之间,分析其在碰撞载荷下的防护性能,结果表明:张拉整体超材料具有良好的抗冲击防护作用,在等重量的前提下,将张拉整体超材料应用于双壳舷侧结构,能显著提高舷侧结构碰撞防护能力。 本文研究工作为张拉整体超材料力学性能研究及工程应用提供了有益的参考。

关键词： 芳纶/玻纤混杂   经编双轴向复合材料   力学性能   低速冲击   有限元分析  

摘要： 近年来,市场中对于特定应用的高强度轻质材料的需求不断增加,混杂复合材料作为一种受认可和新兴的材料类别,带来了许多技术创新。混杂复合材料的优点是灵活性更高,可以根据设计要求定制材料特性。在冲击类混杂复合材料的应用中,常常将脆性纤维与韧性纤维结合,获得具有高冲击强度的混杂复合材料。本文选择芳纶纤维和玻璃纤维作为研究对象,实现面内的芳/玻混杂结构。采用真空辅助树脂传递模塑工艺,制造经编双轴向层内芳/玻混杂经编双轴向复合材料层合板,研究了芳纶/玻纤混杂经编双轴向复合材料的性能,并通过试验和有限元结合的方法对芳纶/玻纤混杂经编双轴向复合材料的铺层工艺进行研究,同时,探讨芳纶/玻纤混杂经编双轴向织物铺层工艺对复合材料性能的影响。 首先,基于真空辅助成型技术制作芳纶/玻纤混杂经编双轴向复合材料,与同状态下玻纤双轴向经编复合材料做对比,测试了复合材料的拉伸、弯曲和低速冲击性能,并对获得的实验数据进行分析。结果表明芳纶/玻纤混杂使得该复合材料的整体性能更为突出,相比于同状态下的玻纤双轴向经编复合材料,基于芳纶/玻纤层内混杂的双轴向经编复合材料具有明显的优势;引入芳纶纤维能够显著增加编织复合材料的强度与断裂韧性;由此可知,基于芳纶/玻纤混杂的双轴向经编复合材料在拉伸、弯曲和冲击性能方面的优势,可以判断其在复合材料的使用上有着巨大的发展潜力。 其次,利用万能材料试验机和落锤冲击仪研究了芳纶/玻纤混杂经编双轴向复合材料的三点弯曲性能和低速冲击性能,分析了不同铺层角度、铺层厚度和铺层顺序对芳纶/玻纤混杂经编双轴向复合材料性能的影响。实验结果发现铺层角度分布方向越均匀,应力分布也越均匀,从而增强了复合材料的承载能力,提高了抗弯曲性能和抗冲击性能;铺层层数增加会提高芳纶/玻纤混杂经编双轴向复合材料的弯曲性能和抗冲击性能,但随着层数的增加,厚度增加,对弯曲强度的影响较大,影响芳纶/玻纤混杂经编双轴向复合材料的弯曲性能;铺层织物中角度分层交替越均匀,弯曲性能和抗低速冲击性能越好。证实了在一定程度上可以通过合适的铺层设计来获得满足符合工况条件需要的复合材料。 最后,使用ABAQUS有限元计算软件对芳纶/玻纤混杂经编双轴向复合材料进行多尺度建模,运用Texgen软件建立代表性体积单元几何模型,预测了芳纶/玻纤混杂经编双轴向复合材料的弹性常数和强度参数,建立宏观有限元模型,分析对比了不同铺层方式在低速冲击性能下的性能。将仿真结果与实验结果进行对比,验证细观模型和宏观有限元模型的有效性。

关键词： 离散单元法   颗粒材料   颗粒形状   颗粒粒径比   力学行为  

摘要： 颗粒材料是由大量离散固体颗粒构成的宏观体系,广泛存在于岩土工程、交通运输等诸多领域中。颗粒材料复杂的宏观力学性质是其组分颗粒的粒径、颗粒形状、堆积方式、颗粒间的接触关系、密实程度等系统内部各种细观结构要素共同作用的宏观体现。对于二元颗粒材料,颗粒粒径比作为影响其细观结构的重要因素,对二元颗粒材料的静力学性质有很大的影响。此外,颗粒形状作为颗粒的基本几何特征,对颗粒材料的细观结构也有很大的影响。目前,大多研究都是基于圆形颗粒或球形颗粒进行,实际的颗粒形状大多都是非球形或非圆形,因此,考虑颗粒形状对颗粒材料宏细观力学性质的影响具有十分重要的意义。本文基于离散单元法针对颗粒粒径比和颗粒形状对颗粒材料宏细观力学性质的影响进行了相关的研究,具体内容如下:首先从颗粒粒径比出发,讨论了大小颗粒粒径比对具有不同堆积结构的二元颗粒材料的静力学性质的影响。考虑了规则堆积、分层堆积和随机堆积三种堆积结构,分析了粒径比对二元颗粒材料在双轴压缩试验中剪切模量、强度以及剪切带的影响。对于规则堆积结构颗粒样本,粒径比对其强度和变形行为有显著的影响,粒径比越大,剪切强度越大,加载过程中发生的剪切膨胀越大。根据规则堆积结构颗粒样本的结构应力分析得到了峰值应力比与粒径比的理论关系式,并与数值实验结果进行了验证;对于分层堆积结构颗粒样本,相似的细观结构使得粒径比对其静力学性质的影响较小,数值计算采用的接触模型不同会导致双轴压缩试验过程中的剪切模量不同;对于随机堆积结构颗粒样本,在较大粒径比范围内,粒径比越小,其剪切模量越大,此时强力链主要分布在大颗粒-大颗粒接触中,弱力链分布在数量众多的小颗粒-小颗粒接触中。其次,针对由椭圆颗粒规则堆积构成的颗粒样本,研究了颗粒形状对其波传播行为的影响,其中颗粒的形状通过椭圆颗粒的长纵比来定量描述。主要关注了波传播过程中的能量衰减、波速、波前形状和频散行为。能量沿波传播方向指数衰减,并且受到长纵比和围压的影响;纵波波速与颗粒样本的细观结构有关,与长纵比正相关并且与围压呈幂律关系,通过分析分支组构张量得到了纵波波速与长纵比和围压的关系式;波前形状具有与颗粒样本组分颗粒相同长纵比的椭圆形状,通过速度传播路径分析了波前形状与长纵比的关系,得出了其解析表达式;颗粒样本的频散曲线可以由正弦形式曲线进行拟合,长纵比越大颗粒样本的频散越强。最后,引入率过程理论,研究了不同颗粒形状颗粒材料的蠕变及应力松弛行为,其中颗粒形状的变化通过长纵比和块性两种形状因子表征。调查了颗粒样本在蠕变过程中的蠕变及应力松弛过程中的应力衰减等宏观行为,发现对于长纵比和块性这两个形状因子,当一者较小时,另一者的增大会导致蠕变过程中颗粒样本的蠕变和蠕变率更大,颗粒样本进入二级蠕变阶段和进入三级蠕变阶段时的蠕变也更大,在应力松弛过程中颗粒样本的偏应力衰减更大,体积膨胀程度更低。然而,长纵比和块性在较大时会阻碍彼此对颗粒样本蠕变和应力松弛的影响,此时颗粒样本随长纵比或块性的变化规律不再遵循长纵比较小或块性较小时的变化规律。通过调查颗粒材料细观层面的配位数、接触力和接触力各向异性的演化规律,发现颗粒的长纵比和块性对颗粒样本的蠕变过程的影响主要来源于切向接触力与法向接触力比值的变化,对应力松弛过程的影响主要来源于颗粒样本法向接触力各向异性的变化。