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关键词： 软基体混合胞孔材料   应变率效应   超弹性   粘弹性   本构关系   CEL气固耦合  

摘要： 软基体混合胞孔材料是一类介于开孔和闭孔之间的、具有混合连通胞孔的新型材料,在冲击荷载下兼具有优异的吸能特性和卸载后的可恢复性,人工软骨仿生超材料(Artificial Cartilage Foam,ACF)就属于软基体混合胞孔材料。目前,软基体混合胞孔材料的力学性能的研究较少,本文将对典型的软基体混合胞孔材料—ACF材料展开系统的研究,为软基体混合胞孔材料的力学性能和吸能机理的研究提供依据,并指导这一类材料的研究和应用。粘弹性力学模型被广泛应用于模拟软基体材料(高分子材料、橡胶等)的宏观力学行为,但是粘弹性材料在冲击荷载作用下的冲击动力学响应和材料本身粘弹性性质,如弹性模量、粘性系数等参数的关系尚不明确。本文将建立粘弹性材料的冲击理论模型,求解冲击系统的运动微分方程,得到最大位移、最大相互作用力、最大冲击力以及冲击吸能与粘弹性材料本身性质的关系表达式,为粘弹性材料在防护领域的应用提供了理论依据。除了冲击理论模型的研究之外,还对软基体混合胞孔材料的力学性能和力学行为进行了实验表征和仿真分析。首先,对ACF材料的微观结构进行了表征,发现其具有微纳米尺度的胞孔结构,并且不同于一般的开孔或闭孔材料,ACF材料的部分胞孔之间相互连通,基于这种相互连通的胞孔结构提出了软基体混合胞孔材料的概念;其次,对ACF材料进行了不同应变率条件下的拉伸和压缩实验,以及加卸载实验,发现该材料具有明显的应变率效应和滞后效应,基于这一结果,对材料的松弛和动态力学特性进行了表征。为了更好地研究材料微结构对于材料的力学行为的影响,使用同样的实验手段对ACF基体材料的力学性能进行了表征。然后基于基体材料在不同工况下的力学响应,利用数学软件和有限元软件,得到了材料的“超弹性-滞后作用-粘弹性”的应力-应变关系,并利用实验和仿真的曲线对比验证了材料本构关系的准确性。最后,在简单的单胞和多胞模型的基础上,利用ABAQUS/CEL方法研究了空气对于多孔材料的压缩性能和冲击性能的影响,讨论基体刚度对空气作用的影响,总结空气对于多孔材料力学性能和吸能特性的影响规律。

关键词： 电梯曳引机   金属橡胶-硅橡胶复合材料   力学性能   阻尼耗能  

摘要： 电梯的振动是影响乘坐舒适性与机构工作稳定性的重要因素,而电梯曳引机工作时产生的振动是电梯振动的重要来源之一。目前市场通用的曳引机减振采用加装橡胶减振垫来实现,但常因机房环境恶劣而提前出现老化、失效等现象。本文以富沃德GETM12C型曳引机为研究对象,设计了一款基于金属橡胶-硅橡胶复合材料(MES-SRC)的新型曳引机减振器。为探究减振器的力学性能,开展了相关的理论、仿真和试验研究。本文内容如下: (1)根据实际载荷和减振要求确定了减振器的刚度区间,并结合安装要求设计了电梯曳引机减振器结构。为获得高阻尼的特性,采用真空渗流技术制备了不同工艺参数的MES-SRC,将其作为减振器的承载和阻尼元件。准静态试验结果表明,MES-SRC减振器呈现出显著的非线性迟滞特征,随着静载位移和金属橡胶密度的增加,减振器的耗能、割线刚度和损耗因子都增大。 (2)基于域网格叠加方法和金属橡胶虚拟制备技术构建了MES-SRC的有限元分析模型,对MES-SRC进行了准静态压缩的数值分析,仿真与试验结果对比表明模型具有一定的精确性。选取模型中金属丝和界面微元进行细观研究,得出金属丝会发生微动滑移,并获得金属丝与硅橡胶之间的界面应力的传递模式及其沿金属丝路径的分布变化规律。仿真结果还表明金属丝体积比越大,硅橡胶和金属丝的界面应力越大,界面发生损伤的趋势更强。 (3)进行了MES-SRC减振器的动力学性能研究,单因素对比结果表明,金属橡胶密度和振动幅值对减振器动力学性能的影响显著,而振动频率的敏感性较低。通过分析细观空间构型研究了MES-SRC的阻尼耗散机理,其阻尼来源包括金属丝、硅橡胶以及两相的界面阻尼。建立了MES-SRC减振器的动力学响应模型并进行参数识别,理论预测与试验结果对比表明本文所建的模型精度较高。 (4)对电梯曳引机整体和MES-SRC减振器分别进行了模态分析和冲击响应分析。当冲击载荷相同时,金属橡胶密度越大,减振器位移响应衰减越快,位移峰值更小。对减振器系统的冲击响应进行了理论分析,对比验证了仿真趋势的准确。最后进行MES-SRC减振器的实际电梯曳引机试验研究,通过测试电梯在运行过程中的加速度和速度变化,计算了电梯运行的相关特性参数。

关键词： 金属空心球   力学性能   数值模拟   实验   结构优化  

摘要： 空心球壳结构是一种新型轻质多孔金属材料,凭借高比强度、高比刚度、良好的吸能特性和隔声降噪等优异的力学性能,在建筑和交通等领域有着广泛的应用前景。对空心球结构的设计和力学性能的研究是其更加广泛应用的基础,为了适应越来越多样化的材料需求,本文提出了一种新型的空心球结构模型,通过缩减空心球之间的距离使球壁互相连接且球壁之间形成通孔设计出了新型的空心球结构,并利用有限元软件对该结构的力学性能进行数值仿真分析。建立了新型通孔空心球简单立方堆积(simple cubic packing,SC)和六边形堆积(hexagonal cubic packing,HC)模式的力学模型,利用有限元软件对模型的代表体元进行数值模拟,以球心距和壁厚为变量,研究了新型空心球结构的有效弹性模量和泊松比等力学特性随球心距和壁厚的变化关系。利用3D打印技术制备了SC堆积的新型空心球结构试件,并进行了准静态单轴压缩实验,分析了结构受单轴压缩时的变形失效过程,获得相应的名义应力-应变曲线,并通过数值模拟进行对比。研究结果表明,发现有效弹性模量随着球心距的增加出现先增大后减小的变化趋势,屈服极限随着球心距的增加出现先增加后减小的变化趋势,平台应力随着球心距的增加而增加。考虑到结构受压缩时会出现明显的应力集中效应,对结构的连接颈处进行适当的优化,将连接颈处尖锐的角采用平滑的弧线替代,分析了连接颈优化半径对结构力学性能的影响,从而确定力学性能最优的模型,使得空心球结构的承载能力得到进一步增强。

关键词： 亚麻纤维   聚丙烯复合材料   表面处理   力学性能   吸湿行为  

摘要： 植物纤维是一种可生物降解、比强度高、成本低的绿色环保材料,在复合材料领域有着广阔的应用前景。天然纤维内部富含羟基,导致纤维及其复合材料极易吸水,且与非极性基体的界面粘结强度较低。表面处理是降低吸水率、提高复合材料力学性能的有效途径。目前,研究者在植物纤维表面处理方面做了大量研究,但纤维表面处理工艺对亚麻纤维及其复合材料的影响机理方面仍然缺乏系统性、深层次的研究。本文以亚麻纤维/聚丙烯复合材料为研究对象,采用不同浓度Na OH处理工艺,研究Na OH处理浓度对亚麻纤维/聚丙烯复合材料力学性能和吸湿行为的影响机理。为了进一步改善亚麻纤维/聚丙烯复合材料力学性能,采用了Na OH-硅烷混合处理以及不同浓度的Na HCO3处理工艺,并研究了这两种工艺对亚麻纤维/聚丙烯复合材料力学性能的影响机理。（1）研究发现,不同浓度Na OH处理后,纤维的纤维素含量增加,非纤维素成分含量下降,而且纤维的疏水性明显增强、表面粗糙度明显增大,从而改善了亚麻纤维与聚丙烯树脂的结合。由于Na OH处理后纤维与树脂的结合得到改善,4wt.%Na OH处理后的复合材料的拉伸模量由8.01 GPa提高至13.40 GPa,同时饱和吸水率由23.55%减少至10.43%。（2）研究了Na OH-硅烷处理工艺对亚麻纤维化学成分、结晶度、微观结构、热稳定性、润湿性、力学性能的影响。研究表明Na OH-硅烷表面处理后,亚麻纤维纤维素含量增加、结晶度增大、表面粗糙度增加、热稳定性提高、润湿性得到改善,但纤维的力学性能下降。而亚麻纤维/聚丙烯复合材料的力学性能在经过处理之后得到明显改善。与未处理复合材料相比,Na OH-硅烷处理后的复合材料的拉伸强度由55.10 MPa提高至156.52 MPa,提高了184.07%,拉伸模量由5.84 GPa提高至8.12 GPa,提高了39.04%,饱和吸水率降低了23.16%。（3）研究发现,相比较于未处理亚麻纤维,10wt.%的Na HCO3处理后的单根亚麻纤维的拉伸模量和拉伸强度分别提高了10.12%和15.18%。与未处理亚麻纤维/聚丙烯复合材料相比,10wt.%的Na HCO3处理的亚麻纤维/聚丙烯复合材料的拉伸模量和拉伸强度分别增加了85.84%和41.41%,饱和吸水率降低了38.37%。

关键词： 3D梯度蜂窝结构机织物   吸波性能   弯曲性能   电磁仿真   有限元分析模拟  

摘要： 梯度吸波复合材料是基于梯度阻抗匹配原则和梯度吸能效应产生的新型吸波复合材料。梯度阻抗匹配原则是在阻抗匹配原则的基础上,通过降低相邻吸波层之间的电磁阻抗差异,减少层间反射,增大层间透射,使材料产生更多的吸波损耗。梯度吸能效应指结构胞元的密度沿其径向呈梯度分布,从而满足其抗弯、抗扭等功能需求。传统梯度蜂窝结构复合材料具有集承载和吸波的双重功能,但其制备方式大多采用层合和3D打印技术。在交变外力或高温高湿的环境下,此类材料易发生分层破坏现象。本文从结构设计的角度出发,解决传统梯度蜂窝结构复合材料整体性差的问题,主要内容包括以下四个部分。 首先,不用三维织机,在普通织机上分别设计并织造不同结构参数的3D梯度蜂窝结构机织物,设计内容包括两种不同截面形状的织物。其中三角形截面3D梯度蜂窝结构机织物分别为:无碳纤维反射层机织物,厚度为8.5mm(一层织物);有碳纤维反射层机织物,厚度分别为8.5mm(一层织物)、15mm(两层织物)以及26.5mm(三层织物)。矩形截面3D梯度蜂窝结构机织物分别为:一层结构织物,厚度分别为6.6mm、12.9mm以及17.6mm;两层结构织物,厚度分别为15.0mm(均匀孔径)和18.5mm(梯度孔径);三层结构织物,厚度为35.0mm。 其次,为了优化吸波剂对吸波性能的影响,通过单因素实验和响应面实验,得到羰基铁粉(CIP)、炭黑(CB)以及环氧树脂兼具力学性能和吸波性能的最佳质量百分比CB:CIP:环氧树脂=1%:45%:54%。采用真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺,以填充聚氨酯泡沫的3D梯度蜂窝结构机织物为增强体,按最佳规定质量百分比掺杂CB/CIP的环氧树脂为基体,制备3D梯度蜂窝结构机织复合材料。 接着,采用矢量网络分析仪测试复合材料吸波性能,实验结果表明:对于三角形截面3D梯度蜂窝结构机织复合材料,反射层的添加降低了材料的最小反射损耗RLmin(Minimum Reflection Loss);多组分吸波剂的添加增强了材料2-18GHz全频段的整体吸波性能;随着梯度层数的不断增大,吸波性能先上升后下降。对于矩形截面3D梯度蜂窝结构机织复合材料,随着孔径的增大,规律吸收峰不断向低频移动;梯度孔径结构与均匀孔径结构相比具有更好的阻抗匹配性能;随着梯度层数的不断增加,吸波性能先上升后下降;随着电磁波入射角的不断减小,RLmin不断降低。利用万能材料试验机对复合材料进行三点弯曲试验,对于三角形截面3D梯度蜂窝结构机织复合材料,碳纤维反射层的添加提高了材料的最大弯曲载荷;多组分吸波剂的添加破坏了纤维与树脂之间的界面结合性能,材料的最大弯曲载荷略有降低;随着梯度结构层数的不断提高,最大弯曲载荷不断增大。对于矩形截面3D梯度蜂窝结构机织复合材料,孔径高度的不断提高,最大弯曲载荷先上升后下降;梯度孔径结构相比于均匀孔径结构具有更强的整体性能;随着梯度层数的不断增大,材料的最大弯曲载荷不断提高。通过引入归一化因子,对比分析得出:两层矩形截面3D梯度蜂窝结构机织复合材料的吸波性能和力学性能的协同作用最佳,材料的吸收带宽(<-5dB)覆盖2-18GHz全频段,当电磁波入射角为30°时,RLmin为-47dB,材料的最大弯曲载荷为8.118k N。此结构参数的3D梯度蜂窝结构机织复合材料具有优秀的吸波和力学性能,具有广泛的应用前景。 最后,采用电磁模拟软件和有限元分析软件对3D梯度蜂窝结构机织复合材料的电磁性能和力学性能进行模拟分析计算,结果表明:吸波性能模拟方面,反射损耗峰值的误差值为10.6%;力学性能模拟方面,最大弯曲载荷误差值为2.37%。理论模拟结果和实验结果具有很好的一致性,证明了电磁波吸波模型和有限元模型的有效性。通过理论模型的分析,揭示了材料的吸波机理和弯曲破坏机理,为集承载和吸波功能一体化的3D梯度蜂窝结构机织复合材料的设计提供了一定理论指导。

关键词： 碳纳米管   聚合物   结晶   拉伸   导热率   分子动力学模拟  

摘要： 高分子材料具有许多优异的性能,如质量轻、强度高等,正是因为具有独一无二的特征从而被广泛应用于日常生活中,但是它的机械性能和导热性能在机械和电子行业表现较差。碳纳米管独特的二维晶格,使得碳原子之间具有很强的作用,这些特性使得碳分子具有优异的机械刚度、电学和热性能,使其作为一种高性能填充材料加入到聚合物中形成复合材料。它独有的性能与高分子材料完美地结合起来,从而起到改善聚合物力学性能和导热性能的作用。 本文采用分子动力学模拟软件建立了具有不同手性碳纳米管/聚乙烯复合材料模型,通过等温结晶方法探究了在不同因素变化中碳纳米管对聚乙烯链构象的影响,同时以轴向拉伸方法对复合材料的应力应变以及构象变化进行了研究。通过这两种方法研究碳纳米管对聚合物力学性能的影响。最后采用反向非平衡分子动力学的方法研究了碳纳米管增强聚合物导热性能。本文的主要研究内容如下: 运用分子动力学方法从链长、温度、碳纳米管长度的变化模拟了碳纳米管对聚乙烯链结晶行为的影响。结果表明:以短的碳纳米管作为增强材料,改变温度和聚乙烯链长发现,当改变链长时,CNT(9,9)和CNT(12,6)对聚乙烯的吸附作用相似且聚乙烯只在距离碳纳米管很近的位置出现取向规整。在不同温度进行等温结晶时,随着温度的降低,分子链趋向于局部有序;以碳纳米管的长度作为研究对象时发现,随着碳纳米管长度的变化,聚乙烯分子链表现出不同的运动状态,在碳纳米管表面发生了结晶现象呈现有序排列状态,且CNT-1206PE体系中聚乙烯紧密堆积在碳纳米管周围,形成很好的界面结合作用。CNT-1206PE复合材料比CNT-99PE复合材料有更好的热稳定性。 通过拉伸模拟分析了碳纳米管和聚乙烯复合材料的力学性能。分析计算模拟系统的界面相互作用表明,随着碳纳米管长度的增加,碳纳米管和聚乙烯之间的界面吸附力增加,CNT-1206PE系统相互作用较大。随着拉伸速率的提高,体系拉伸强度增大;碳纳米管长度越长,拉伸产生的拉伸应力越大。此外,CNT-99PE和CNT-1206PE体系界面结构都能够提高碳纳米管/聚乙烯复合材料的力学性能。 采用反向非平衡分子动力学的方法研究了碳纳米管改善聚合物导热性能:随着碳纳米管长度增加和聚乙烯链长的增加,复合模型的热导率随之增加;随着聚乙烯链数量的增加,复合体系的导热率呈现先增大后减小的趋势。CNT-99PE体系的热导率比CNT-1206PE体系的小。

关键词： 形状记忆聚合物   复合材料   本构模型   可变形机翼  

摘要： 新型智能材料具有驱动、变形、承载、传感等特点,为可变形机翼的设计提供了新的技术途径。使用智能材料构建的自适应机翼,可简化机械变体结构繁杂的设计。在飞行过程中,随着飞行环境的变化,能自动进行气动布局调整以达到最佳气动性能的变体机翼具有很大的研究价值。同时,目前关于可变形机翼的研究多集中于结构设计与变形功能的实现上,对其力学分析关注还很少,尤其是结合形状记忆聚合物复合材料(SMPC)本构模型的分析研究更是少有提及。针对SMPC在可变形机翼上的应用问题,开展了系统的研究工作,具体内容如下。首先对形状记忆合金纤维增强的形状记忆聚合物复合材料(SMPC-SMA)在不同载荷条件下的力学行为进行了研究。结合复合材料力学和形状记忆聚合物(SMP)和形状记忆合金(SMA)的本构模型,建立了形状记忆过程中不同加载条件下的SMPCSMA的力学模型,并对此过程下的力学行为进行了数值模拟。结果表明,与纯SMP和纯SMA相比,SMPC-SMA表现出不同的机械行为和磁滞回线且材料可以保持正常的形状记忆效应,并表现出更高的强度。然后提出了一种基于相变理论的本构模型来表征多孔形状记忆聚合物(P-SMP)的形状记忆行为和热机械行为。通过结合给定的本构模型和材料参数,模拟了这种材料在不同加载条件下的力学行为的数值结果,并采用动态机械分析、单轴拉伸实验、应力松弛实验和热力循环试验确定材料参数。同时通过热力循环试验的实验数据验证了P-SMP材料形状记忆循环行为的数值模拟结果。结果表明,该材料可以保持正常的形状记忆效应,降低噪音并隔离热量。随着孔隙率的增加,P-SMP材料的强度降低。且所提出的基于相变理论的模型完美地再现了实验观察到的热机械循环过程。最后以NACA0006翼形为例进行可变形机翼后掠自适应变形的力学特性分析。分别使用前文中的两种材料对可变形后掠翼形进行了结构建模,讨论后掠角变化对翼型气动性能的影响,并以此进行了翼形后掠变形的有限元变形及回复仿真,最后对变形效果进行了实验验证,为形状记忆聚合物复合材料在可变形机翼上的应用提供有力证明。

关键词： 叠层穿刺   Cf/Al复合材料   缺口拉伸   失效分析  

摘要： 为模拟3D-C_f/Al复合材料作为结构装配件受到损伤形成缺口并断裂的情况，以叠层穿刺C_f/Al复合材料为研究对象，分析了V形及矩形缺口对复合材料力学性能的影响。结果表明，叠层穿刺C_f/Al复合材料在开矩形缺口后，抗拉强度为553.5 MPa、弹性模量为91.5 GPa,较无缺口试样分别下降了17.4%、2.9%;在开根部圆角为0.3 mm的V形缺口后，复合材料抗拉强度为545.0 MPa,较无缺口试样下降了18.6%,弹性模量为110.2 GPa,较无缺口试样上升了17.0%;在开根部圆角为0.6 mm的V形缺口后，抗拉强度为663 MPa,较无缺口试样下降了1.0%,弹性模量为106.5 GPa,较无缺口试样上升了13.1%;V形缺口根部圆角由0.3 mm增至0.6 mm,缺口强度比由0.81升至0.99,叠层穿刺C_f/Al复合材料抗拉强度上升，弹性模量变化不大。结合断口形貌可知，复合材料断口呈现脆性断裂特征，而基体开裂、纤维拔出和界面脱粘的共同作用所引起的纤维轴向失效是复合材料经向断裂的主要机制。

关键词： 碱激发   煤矸石   道路稳定材料   力学性能   微观结构  

摘要： 由于煤炭资源长期大规模开发导致煤矸石大量堆积,堆积的煤矸石不仅会占用大量空间还会对环境造成污染。为加速推进煤矸石的资源化利用,面向“碳中和”战略要求,采用碱-矿渣胶结煤矸石制备了固废基道路稳定材料,以碱当量和煤矸石骨料率为试验变量研究了碱-激发矿渣对煤矸石道路稳定材料的胶结特性及微结构特征。这对研究碱-矿渣胶结煤矸石在道路建设上的应用有重要的意义。本文通过对淮南张集矿区煤矸石进行化学组成分析和物理性能试验,从而选用该地区的煤矸石作为原材料。并用碱-矿渣胶结煤矸石制备了固废基道路稳定材料,以碱当量和煤矸石骨料率为试验变量,通过无侧向抗压试验和劈裂抗拉试验研究了碱-激发矿渣煤矸石道路稳定材料宏观上的力学特性。并且通过SEM扫描电镜、EDS能谱分析和低场核磁共振,在微观层面分析了碱-激发矿渣煤矸石道路稳定材料的微观结构、水化产物、元素组成和孔结构分布。通过试验所得到的相关数据可以分析得到:(1)淮南张集矿煤矸石主要矿物组成为石英,Si O和AlO为主要元素。吸水率为4.07%,压碎值为18.8%,表观密度为2.49 g/cm,堆积密度为1.31 g/cm,总体而言,将淮南张集矿煤矸石作为全固废道路稳定层的主要材料是可行的。(2)当煤矸石碱当量不变时,煤矸石道路稳定材料随着煤矸石集料率的增加,抗压强度逐渐降低,其中骨料率为70%时的强度最优,在3d、7d和28d的强度分别为9.16MPa、23.38MPa和24.46MPa。当煤矸石集料率不变时,煤矸石道路稳定材料随着碱当量的增加,抗压强度先提高后降低,其中碱当量为3%时的强度最优,在3d、7d和28d的强度分别为8.88MPa、15.12MPa和17.10MPa。(3)通过扫描电镜(SEM)可以在煤矸石道路稳定材料中发现钙矾石和C-S-H凝胶,使得煤矸石和碱激发材料胶结的越来越紧密。同时水化反应生成的钙矾石将煤矸石紧紧包裹,碱矿渣胶结煤矸石的力学强度因此而得到了提高。研究结果表明:碱矿渣胶结煤矸石作为道路稳定材料力学性能和微观结构良好,可以达到道路工程的应用的标准。图[39]表[11]参[80]