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关键词： 材料力学   压杆稳定   欧拉临界压力   微分方程   特征方程  

摘要： 对于压杆稳定性问题,《材料力学》书上一般用4个模型来分别推导不同支承约束条件下的欧拉临界压力。但由于弯矩方程的建立可能涉及到超静定问题,推导过程比较繁琐。本文用一个简单模型来统一推导任意支承情况的临界压力,其微分方程是在微段的力矩平衡方程基础上建立起来的,对应于一个四阶常系数齐次微分方程。通解中涉及4个积分常数,要使w(x)为非零解,积分常数不能全为零。针对杆两端的约束类型,积分常数应满足其系数矩阵行列式等于零的条件,进而给出了临界压力的表达式。用一个简单模型来统一推导任意支承情况的临界压力更简单,也易于学生掌握和理解。

关键词： 支片   酚醛树脂   拉伸强度   支数   纱线密度  

摘要： 研究扬声器支片基材材料、纺织结构以及酚醛树脂含浸浓度对支片力学性能的影响,研究结果表明,支片基材的差异对支片力学性能有较大影响,Conex较小支数的材料因吸附更多树脂而表现出较高的拉伸强度和韧性,增大纱线密度可以提升支片材料的拉伸强度和断裂伸长率,增加酚醛树脂比重能够提高支片材料的杨氏模量和拉伸强度,树脂对基材纤维以及纱线交织节点有包覆增强的作用。

关键词： 成型压力   PES树脂   拉伸强度  

摘要： 为进一步提高PES树脂材料的性能,采用试验的方式,以拉伸强度和拉伸模量作为测试指标,以T700碳纤维作为织物原材料,与PES树脂间隔放置,并在不同真空压力下对PES树脂材料进行定型。结果表明,当真空压力在0.25MPa的时候,得到的改性PES树脂材料其拉伸性能和拉伸模量最佳。

关键词： 相似材料   力学性能   分层层数   压实次数   界面处理方式   多元回归分析  

摘要： 为了指导模型试验填料并提高试验精度,选取泥岩相似材料制作试件进行试验,研究模型试验填料过程的3个影响因素对泥岩相似材料力学性能的影响。分析结果表明:分层层数由1层增加至5层,相似材料的单轴抗压强度、弹性模量和抗拉强度分别降低了23.80%、32.20%、20.83%;压实次数由1次增加至5次,相似材料的单轴抗压强度、弹性模量和抗拉强度分别提高了15.00%、28.61%、6.76%;相比于进行粗糙处理的界面处理方式,在此基础上喷洒石膏水处理时单轴抗压强度提高了14.25%,弹性模量提高了22.63%,抗拉强度提高了7.99%。建立了相似材料力学性质与填料过程影响因素之间的多元线性回归方程,结合试验结果和方程可以指导模型试验填料,防止相似材料力学性能下降,提高试验精度。

关键词： 高强钢   开孔钢板   力学性能   材性试验   耗能  

摘要： 以高强钢Q460、Q600为研究对象,对14块开孔高强钢板进行单向拉伸试验,并详细分析试件的破坏特征、应力-应变曲线及其应变能。研究结果表明:未开孔试件断口处发生了明显的颈缩现象;开孔试件易在开孔处出现应力集中而成为最先破坏的部位;Q600高强钢材的极限抗拉强度、耗能性能、延性均优于Q460高强钢材;增大试件厚度,可以改善试件的极限抗拉强度、塑性变形能力以及耗能性能;而开孔则在一定程度上降低了试件的力学性能;布孔位置对于高强钢的耗能性能具有显著影响;当开孔沿着材性试件的受拉方向对称轴布置时,其耗能能力优于沿与垂直受拉方向布置的耗能能力。

关键词： 教育现代化   创新能力   课程思政  

摘要： 创新是当今社会发展的主旋律,而创新能力培养也是教育工作重要任务和挑战.本文从创新能力的定义出发,分析了创新能力培养的四个基本要素.通过分析目前材料力学教学的现状,探讨了教育现代化背景下材料力学教学过程中实现课程思政与创新能力培养融合的可行性方法.

关键词： PVA-ECC   力学性能   尺寸效应   强度转换   经验模型  

摘要： 聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料（Polyvinyl alcohol Fiber Engineered Cementitious Composites,简称PVA-ECC）,相较于普通混凝土材料具有较高的极限拉伸应变能力,是一种具有高韧性和优异能量吸收性能的纤维增强水泥基复合材料,可用于解决传统建筑用水泥基材料混凝土抗拉、抗剪强度低及脆性引发的安全性、耐久性问题。在标定PVA-ECC材料特性上,目前尚缺乏统一的指标。本研究针对此问题对现有的PVA-ECC单轴压缩试验数据进行了调研、整理和分析,并给出了PVA-ECC单轴压缩试验标准试块的尺寸建议值（边长为70.7mm的立方体试块）;在此基础上对同一配合比下含标准试块在内的不同尺寸的立方体试块进行了轴心压缩试验,并根据试验数据进行分析,得到了采用各类非标试块进行PVA-ECC抗压试验测量所得的抗压力学指标:弹性模量E、峰值应力fcu、峰值应变εcu、曲线下降段的拐点应力及应力所对应的应变值(f0.85、ε0.85、f0.2、ε0.2)与标准立方体试块之间进行转换。基于此,进一步对已有的PVA-ECC单轴抗压试验数据进行标准化分析,提出了适用于边长为70.7mm的立方体试块,抗压强度fcu在30～60MPa范围内的PVA-ECC的单轴抗压应力-应变经验模型。现有的PVA-ECC抗拉模态经验模型均基于特定的试验数据提出,缺乏普适性。基于前文研究所提出的PVA-ECC抗压强度fcu在30～60MPa范围内的标准化分析,对此抗压强度fcu范围内已有的单轴拉伸力学指标(初裂应力ftc、初裂应变εtc、峰值应力ftp、峰值应变εtp)进行了统计,现有的试验数据中均无拉伸应力-应变下降段的力学指标(极限拉应力ftu、极限拉应变εtu),本文通过单轴拉伸试验得到了峰值拉应力ftp与峰值压应力fcu之间的转换关系和拉伸应力-应变下降段力学指标,分析曲线特点将抗拉应力-应变曲线简化为线弹性阶段、应变-硬化阶段和应变-软化阶段,并分析单轴拉伸力学指标(初裂应力ftc、初裂应变εtc、峰值应力ftp、峰值应变εtp、极限拉应力ftu、极限拉应变εtu),提出PVA-ECC单轴抗拉经验模型,该经验模型适用于抗压强度在30～60MPa,极限拉应变在1.0%以上的PVA-ECC。为验证本文提出的PVA-ECC单轴压/拉经验模型的适用性,进行单轴压/拉试验及有限元模拟。首先,分析已有的试验数据,得到了PVA-ECC抗压强度在30～60MPa,极限拉应变在1.0%以上的配合比范围（PVA纤维掺量为1.0%～2.0%,W/B为0.32～0.40;S/B为0.25～0.4）。在此范围内随机抽选6组配合比,进行PVA-ECC单轴压缩和单轴拉伸试验,得到抗压/拉应力-应变全曲线,将其与经验模型进行对比,验证了本文提出的经验模型在试验中的适用性。其次,基于本章提出的经验模型,采用ABAQUS软件中的混凝土塑性损伤模型（Concrete Damaged Plasticity Model,简称CDPM）建立了R/ECC梁的四点弯曲FE（Finite Element,简称FE）模型,进行R/ECC梁四点弯曲试验的有限元模拟验证。将有限元模拟结果与试验结果相对比,评价了该经验模型及FE建模的可靠性,为有限元模拟提出了可靠的材料经验模型。

关键词： 双孔微剪切   LabVIEW   力学性能参数   归一化参数   PSO-BP  

摘要： 金属材料的本构性能会根据时效、服役荷载、脆化、辐照等因素而发生变化,工程上需定期检测结构材料的在役力学性能,以便对其承载能力和安全可靠性进行评定,从而确保设备的安全运行。常用的非接触式检验法只能找出设备宏观表面的缺陷,而无法定量地表征设备材料当前的力学性能;常规取样试验法需要进行取样,这会对设备造成一定的损伤,且无法现场检测。因双孔法具有试验方法简单,且能够在不影响关键零部件服役的情况下,实现现场检测等特点,有望使用该方法弥补常规检测方法的不足,具有十分广阔的应用前景。但通过试验发现,双孔间材料的厚度可能会对试验曲线产生影响,因此还需进行更深入地研究,期望能够提高双孔法测定金属材料力学性能的准确度,探究出基于双孔微剪切的一套可原位检测并可实现应用的力学性能预测方法与系统,为双孔法的推广使用奠定基础。基于以上,本文重新搭建试验系统,并结合双孔法原理,将孔间厚度纳为预测的影响因素,建立基于神经网络的力学性能参数预测模型,实现了力学性能准确且便捷的测定。主要介绍了全新的双孔装置和LabVIEW测控系统的搭建;为了研究孔间厚度是否对试验曲线存在影响,设计12Cr13、S31608和16Mn三种材料的多组单一变量试验,记录加载过程中荷载传感器和位移传感器的传输数据,并对孔间厚度的测量方法进行相应探究;借助单轴拉伸法,通过对试验数据的预处理与分析,引入涉及孔间厚度的归一化参数预测屈服强度和抗拉强度,并给出参数间相关关系,实现由双孔试验曲线的特征值和孔间厚度一同预测强度;借助有限元建模分析,创新性地将神经网络引入双孔法中,建立46输入3输出的BP和PSO-BP力学性能参数预测模型,实现力学性能较准确测定。试验结果表明,孔间厚度的微小变化对双孔试验曲线具有明显可测的影响,且应用新试验平台和归一化参数预测强度参数,可以有效地减小孔间厚度对双孔法测定准确度的影响;与传统BP模型相比,PSO-BP模型对力学性能参数具有更高的预测准确度,各参数预测的平均相对误差不超过1.1%,为双孔法的推广应用奠定了基础。

关键词： 石墨烯   复合材料   界面微结构   有限元法   分子动力学   力学性能   数值分析  

摘要： 石墨烯具有卓越的力学、电学和热学性能,自从被发现以来就引起了研究人员的广泛关注,以纳米尺度的石墨烯作为增强基的复合材料也随之成为研究的热点。为了对该新型材料的各项性能有较准确的认识,目前对石墨烯及其复合材料的研究多是从纳米尺度展开,通常采用分子动力学方法进行研究,该方法从原子尺度对材料进行模拟,被认为具有较高的精度。但在模拟石墨烯复合材料时,涉及的原子数量巨大,计算量激增,这使得分子动力学模型的尺寸被限制在纳米尺度。若直接从宏观尺度对石墨烯及其复合材料进行模拟,又会导致材料特性无法被准确反映出来,从而产生不可知的误差。本文将分子动力学与有限元法相结合,基于分子动力学模拟确定了石墨烯/聚乙烯复合材料的界面微结构特征参数,采用有限元法建立了石墨烯的有限元模型以及包含界面微结构的石墨烯/聚乙烯复合材料有限元模型,讨论了影响石墨烯和石墨烯/聚乙烯复合材料力学性能的微观因素。本文主要研究内容如下: 1.采用分子动力学软件(Material studio 2017)对石墨烯、聚乙烯及石墨烯/聚乙烯复合材料进行分子动力学模拟,从分子尺度探究石墨烯/聚乙烯复合材料的界面层微结构特征,提出了从分子动力学模拟结果中确定范德华间隙宽度和梯度界面属性的具体方法,并对石墨烯及石墨烯/聚乙烯复合材料进行力学性能计算。 2.提出了石墨烯的改进弹簧有限元模型,解决了原有石墨烯弹簧模型中不考虑键长与键角的变形耦合问题,并且在改进弹簧模型中考虑了石墨烯分子内范德华相互作用的影响。对比讨论了石墨烯改进弹簧模型与原弹簧模型及欧拉梁模型对石墨烯力学性能预测结果的偏差情况,以及分析了石墨烯分子内范德华相互作用对石墨烯整体力学性能的影响,发现分子内范德华相互作用对石墨烯模量影响很大,有必要考虑。 3.提出了一个能够确定石墨烯与聚乙烯基体间范德华相互作用数量(即模型中的范德华弹簧数量)的方法,采用弹簧单元模拟石墨烯与聚乙烯基体间的范德华相互作用,建立了相应的考虑范德华作用的石墨烯/聚乙烯复合材料的三明治和嵌入式代表体积单元有限元模型。讨论了不同尺寸的石墨烯和石墨烯含量下,范德华相互作用对石墨烯/聚乙烯复合材料力学性能的影响。 4.引入等参梯度单元对石墨烯/聚乙烯复合材料梯度界面进行模拟,建立了石墨烯/聚乙烯复合材料的三明治和嵌入式代表体积单元的三相有限元模型。对比讨论了分层法、一次等参梯度单元和二次等参梯度单元的计算效率问题,分析了梯度界面对石墨烯/聚乙烯复合材料力学性能的影响情况;对比分子动力模拟结果,讨论了只考虑石墨烯与聚乙烯的两相模型、分别增加范德华作用和梯度界面的三相模型以及同时考虑范德华作用和梯度界面的四相模型的计算精度问题。 5.基于均匀性假设,推导了石墨烯/聚乙烯复合材料的范德华间隙宽度、梯度界面厚度和密度分布函数等界面微结构特征参数的计算公式。将界面层与石墨烯结合,提出了一种具有横观各相同性的石墨烯等效有限元模型,并建立了石墨烯/聚乙烯复合材料的等效有限元模型,显著提高了有限元模型的计算效率。

关键词： 纳米金属材料   分子动力学   晶界偏聚效应   异质界面   孪晶界   塑性力学行为   蠕变行为  

摘要： 金属材料作为一种历史悠久的结构材料,一直在许多领域中都发挥着无可替代的作用。随着科技的飞速发展,对金属材料的力学性能也提出了更高的要求。纳米结构金属材料因其表现出许多不同于常规粗晶金属材料的优异性能而进入了大众的视野。但随着研究的深入,人们发现对于纳米结构金属材料,在一定特征尺寸范围内,其强度虽然依旧会随着晶粒尺寸的减小而增加,却牺牲掉了材料的韧性。而且大量的晶界储存了较高的能量,这往往会导致纳米金属材料的热稳定性和机械稳定性降低。强韧倒置困境以及纳米金属材料的稳定性问题,极大地限制了这种新材料的加工和技术应用。近年来,研究发现通过在纳米尺度上调整一些低能界面的分布,可以显著提高纳米金属材料的综合性能,这为开发具有高强高韧性能的纳米材料提供了新的可能。而通过原子尺度的模拟,从本质上探究界面结构在材料变形过程中起到的调控作用,可以帮助人们更加深入地理解微纳尺度下,界面结构对材料性能的影响以及强化机制。这对指导研发和设计具有优异综合性能的纳米结构金属材料具有重要意义。本为针对纳米金属材料中晶界、异质界面以及孪晶界等界面结构对材料力学性能及变形机制的影响进行了研究。对于晶界,重点研究了第二相元素在晶界偏聚对晶界稳定性以及塑性变形和高温蠕变变形的影响;对于异质界面和孪晶界,重点研究了金属多层材料中多种界面结构同时存在时,对材料力学性能及变形机制的影响。主要工作包括以下四个部分:第一、模拟研究了第二相元素钼原子在纳米晶镍的晶界偏聚前后材料的单轴拉伸力学行为。建立了钼原子在晶粒内随机分布和在晶界偏聚的多晶镍模型.通过分子动力学方法考察了偏聚效应对纳米晶材料力学性能及变形机制的影响。结果表明钼原子在晶界偏聚可以有效避免纳米晶镍在临界晶粒尺寸下出现的软化行为。为了探究晶界偏聚效应对材料强化的潜在机制,构造双晶模型研究了钼原子在晶界偏聚对晶界能量和迁移能力的影响。发现钼原子在晶界偏聚可以显著降低晶界能,且在一定范围内,偏聚的钼原子比例越高,晶界能越低;同时钼原子在晶界偏聚也可以有效抑制双晶镍中由曲率驱动的晶粒生长,证明了偏聚效应可以降低晶界的迁移能力。通过对比钼原子偏聚前后的平衡构型图还发现,钼原子在晶界偏聚破坏了晶界处作为位错源的位错结构,从而在一定程度上抑制了位错形核,这也是对材料起到强化作用的微观机制之一。第二、模拟研究了第二相元素钼原子在纳米晶镍的晶界偏聚前后材料的蠕变行为。建立了纯镍和有钼原子在晶界偏聚的三维多晶模型,通过原子尺度模拟,系统地考察了外加应力、晶粒尺寸、温度以及晶界处偏聚钼原子浓度的影响。研究表明,有钼原子在晶界偏聚时纳米晶镍的蠕变率会显著降低,通过对比由模拟结果推算出的活化能,发现与纯镍相比,晶界有钼原子偏聚时需要更高的能量来激活蠕变机制,这使得蠕变更难发生,从而提高了材料的抗蠕变性能。通过应力指数和晶粒尺寸指数分析,得出晶界偏聚效应下,低、中、高三种不同应力状态对应的蠕变机制分别为扩散、晶界滑移和位错活动。表明有钼原子在晶界偏聚时,外加应力和晶粒尺寸对蠕变率的影响依然遵循经典的Bird-Dorn-Mukherjee方程。通过统计不同应力状态下偏聚效应对材料蠕变应变率的影响幅度,发现偏聚效应对由晶格扩散主导的蠕变过程影响不大,而对由晶界行为以及位错活动主导的蠕变过程有显著影响,且钼原子在晶界偏聚浓度越高,蠕变速率越低。第三、模拟研究了单晶多层铜/银合金材料的拉伸力学行为。建立了单晶的铜/银多层材料模型,通过分子动力学方法,系统地考察了不同异质界面结构、材料层厚以及引入孪晶后孪晶厚度对材料力学性能以及变形机制的影响。模拟结果表明,异质界面的存在可以提高材料的强度,且材料的强度随着异质界面密度的增加而增加,而且由于Hetero-Twin(HT)界面和Cube-On-Cube(COC)界面的结构差异,HT界面对材料有更好的强化作用。另外,通过在铜/银多层材料中引入孪晶界,可以实现材料的二次强化,同时孪晶界对多层材料的强化作用依然近似地遵循Hall-Petch关系。值得注意的是,进入塑性变形阶段,首个位错形核的位置在多层材料内部,而不在异质界面处。通过自适应NEB方法计算了位错在不同位置形核的激活能,证实了位错在远离异质界面的孪晶层内形核需要克服的能量壁垒更低。第四、模拟研究了多晶多层铜/银合金材料的拉伸力学行为。建立了柱状多晶铜/银多层材料模型,基于分子动力学方法考察了晶界、异质界面和孪晶界同时存在时对材料力学性能及变形机制的影响。研究结果表明,晶粒尺寸和材料层厚在调控材料性能过程中存在竞争机制,当界面为COC界面时,材料强度主要取决于晶粒尺寸,随着晶粒尺寸减小而增加,而当界面为HT界面时,材料强度受特征尺寸较小的结构影响更大。在层厚与晶粒尺寸比足够小的模型中,发现多晶多层材料的变形机制会由位错活动转变为异质界面的相对滑移,