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关键词： 低放热高聚物注浆材料   季冻区   冻融循环   力学特性   损伤模型  

摘要： 随着公路工程建设的飞速发展,我国在季冻区和永冻区都修建了大量的公路,但是由于季冻区恶劣的气候环境,导致公路工程的建设、维修和养护都面临着巨大的考验。高聚物注浆技术作为一种十分成熟的技术已经广泛的应用于非冻土区道路的非开挖维修中,但其在反应的过程中会放出大量的热量,如若应用于季冻区将会破坏周围土层的热力学平衡,影响路基的稳定性。低放热高聚物注浆材料是一种新型的材料,它可以降低在反应过程中放出的大量热量,减少热力学因素对路基稳定性的影响。季冻区的道路时常会受到冻融循环的作用,这种作用是否会对低放热高聚物注浆材料的力学性能产生影响亟待研究。因此,开展冻融循环条件下低放热高聚物注浆材料力学性能的研究就尤为重要。本文基于低放热高聚物注浆材料冻融循环试验,研究了冻融损伤机理与冻融循环作用对力学性能的影响,并建立了低放热高聚物注浆材料冻融损伤模型。主要研究内容和成果如下:(1)开展了不同密度的低放热高聚物注浆材料冻融循环试验,总结了吸水率随冻融次数的变化规律,对经历不同次数冻融循环作用的试件进行了扫描电镜处理,揭示其冻融损伤机理。结果表明:试件的吸水率随冻融次数呈现先增大后逐渐减小的趋势,呈非线性关系;扫描电镜的结果显示材料的冻融损伤是一种随机损伤,应用随机损伤的理论模型描述最为恰当。(2)开展了冻融循环后低放热高聚物注浆材料力学性能试验,测量不同密度不同冻融次数下材料的动弹性模量、抗压强度和抗拉强度,总结了冻融次数与动弹性模量、冻融损伤度的关系,建立了不同密度的材料力学性能与冻融次数间的关系。结果表明:材料的冻融损伤度随着冻融次数的增加线性增大;材料的抗压强度和抗拉强度会随着密度的增大而增大,随着冻融次数的增大而减小;材料的压缩应力曲线有较明显的三阶段特征,而拉伸应力曲线的弹性变形阶段不明显。(3)基于Weibull概率分布函数,建立了基于冻融损伤度和强度的低放热高聚物注浆材料冻融损伤模型和力学衰减模型,并推导了强度与冻融损伤度之间的关系。通过对试验数据的拟合,结果表明模型的准确性良好。开展低放热高聚物注浆材料在冻融循环条件下的力学性能试验研究,推导冻融损伤模型,为低放热高聚物注浆材料在季冻区道路非开挖修复的应用提供了理论基础,为季冻区冻融循环环境下低放热高聚物注浆材料损伤过程及寿命预测提供了良好的理论参考。

关键词： 装配式   地铁车站   环氧树脂   榫槽接头   施工过程  

摘要： 在我国,城市轨道交通建设量近年来一直保持快速增长态势,采用现浇工艺的传统明挖车站由于其低效率,污染严重等不足,渐渐无法满足我国轨道交通的大规模建设。预制装配式结构具有高效率、高质量、绿色环保等显著优势,在地下盾构隧道工程中的应用日益增多。但在车站中的应用依然较少,相应地,针对其结构体系力学性能的研究也存在不足。本文以长春地铁2号线某预制装配式车站为背景,预制构件首次设计并采用榫槽式接头连接。针对装配式地铁车站材、结构与施工流程进行研究,主要研究榫槽部位注浆材料的力学性能以及其改性,双榫槽接头的受弯力学性能以及车站整体结构全装配施工过程的力学行为。由此形成从材料到结构,局部到整体的装配式地铁车站力学行为的全方位研究。具体研究内容如下:(1)针对环氧树脂注浆材料拉伸强度低,断裂伸长率小的问题,添加无机刚性离子与纤维材料对环氧树脂材料进行改性,并对改性后的复合材料进行了一系列物理力学试验,采用极差分析方差分析等手段分析了各种改性材料对环氧树脂复合材料物理力学参数的影响,得到了抗拉强度与断裂伸长率有明显提高的复合材料配比。(2)针对双榫接头几何尺寸对其抗弯刚度的影响不明,采用局部接触-耦合方法建立了双榫接头计算模型,模拟结果与现有接头足尺试验结果进行对比,得到了较好的吻合;按照相同建模方式建立了不同榫角、榫长、榫宽等接头几何尺寸,施加不同轴力-弯矩荷载组合,计算得到其弯矩-转角曲线,分析得到了各因素对接头抗弯刚度的影响,对实际工程中接头几何尺寸选取提供了依据。(3)将上述接头模型引入整体结构模型,建立了覆盖装配式车站全装配施工过程的地层-实体计算模型,针对结构成环、肥槽回填、顶部覆土覆盖、中板施作、正常使用等关键工况,分析整体结构各工况下的受力情况,并选取关键界面计算内力值,得到结构全装配施工过程的内力变化,为现场施工提供参考。

关键词： 碳纤维缎纹织物   芳纶纬编双轴向织物   数字化展开   剪口   取向角   力学性能  

摘要： 飞行员头盔是将通讯、目标瞄准、信息显示等多种功能集一体的复杂综合显示头盔。头盔壳体是多功能头盔的载体,通过它的变形吸收外界的冲击力,保障人体安全,故对盔壳的尺寸精度、所用材料、厚度公差、力学性能有极高要求。采取织物铺层的方式制备盔壳,经纬纱的取向和排列会发生变化,这会影响到盔壳的成型质量。本文主要围绕经纱取向角对盔壳用复合材料力学性能的影响开展一系列工作。首先对盔壳模型进行数字化展开。盔壳曲面是不可展曲面,要想对其进行较高精度展开,需在曲面上添加剪口,本文设计了五种剪口方案。根据其余经纱应与首根经纱最大化保持测地平行关系的原则,选择最优裁剪方案。在该方案下,根据模型上划分的三角网格的法向矢量设置四组阈值,计算不同阈值下相同区域内的经纱取向角,将取向角稳定时的最大阈值作为临界值对曲面进行分片。根据分片结果选择十个区域计算经纱取向角,计算结果为2.10°、3.23°、5.03°、12.22°、32.23°、43.30°、45.14°、74.82°、79.97°、84.66°。其次根据计算结果,使用面密度为280g/m2和300g/m2的碳纤维缎纹织物和芳纶纬编双轴向织物设计制备了两组碳纤维织物单向取向为0°、3°、5°、12°、32°、43°、45°、75°、80°、85°的盔壳用复合材料层板,并对其进行拉伸、压缩、弯曲性能测试。实验结果表明,试样的拉伸强度和模量随铺层角度增大呈先减小后增大的趋势。20种试样的拉伸载荷-位移曲线皆呈现相同的变化规律,即加载初期呈线性上升,加载中后期呈弧线上升,达到最大载荷后,曲线呈直线下降,试样呈脆性破坏。试样的拉伸破坏形式主要为基体开裂、纤维断裂、纤维抽拔,断口方向与经向纤维取向一致。试样的弯曲强度和模量随铺层角度增大呈先减小后增大的趋势。在加载初期,载荷-位移曲线呈线性上升,加载中后期,曲线呈弧线上升或锯齿状上升,达到最大载荷,曲线呈直线下降,试样呈脆性材料特征。试样的弯曲破坏形式主要为基体开裂、纤维断裂和分层。试样的压缩强度和模量随铺层角度增大呈先减小后增大的趋势。铺层角度为0°、3°、5°、12°时,试样的载荷-位移曲线呈线性上升,达到最大载荷后呈直线下降,铺层角度为32°、43°、45°、75°、80°、85°时,试样在加载初期呈线性上升,加载中后期呈弧线上升,达到最大载荷后呈直线下降。试样的压缩破坏形式主要为基体开裂、纤维断裂、基体与纤维脱粘、分层。

关键词： 圆管   计算方法  

ISBN: (纸本)9787030694270

摘要： 本书详细阐述复合材料宏观力学的基本理论，并以复合材料圆管为研究对象，给出轴压作用下圆管的弹性计算理论和屈曲分析计算方法。内容包括各向异性弹性力学基本方程、单向复合材料性能的试验测定、单层板及层合板弹性特性、复合材料强度理论、复合材料层合圆管的弹性计算理论、复合材料圆柱壳轴压局部屈曲分析方法、复合材料圆管整体稳定性计算方法等。 本书可作为结构工程、航空航天、工程力学相关专业的高年级本科生、研究生和高校教师、科研人员以及相关工程技术人员阅读。

关键词： 电子封装材料   力学性能   界面强度   鼓泡测试  

摘要： 随着高密度封装时代的来临，电子封装技术正在蓬勃发展。聚合物材料在封装中的很多方面都得到了应用，因此了解聚合物的力学性能至关重要，以确保它们可以实现其设计功能。聚合物的弹性模量、残余应力和泊松比等力学性能描述了其作为薄膜的基本行为。在实际应用中，存在薄膜本身较薄、较脆的问题，无法直接测量其力学性能。此外，许多聚合物材料是双层，甚至是多层的，通常每层都是不同的材料，多层结构增加了力学分析的难度，多层薄膜的力学行为无法得到很好地表征。而封装产品内部会用到各种不同性质的封装材料，在使用或运输过程中，由于受到外界因素的影响，还容易发生界面失效。因此通过鼓泡法研究双层聚合物薄膜的力学性能和封装材料间的界面强度具有重要意义。　　本文采用实验和有限元模拟相结合的方法，对电子封装材料的力学性能及界面性能进行了研究。研究内容如下:　　(1)研究了鼓泡法测量双层薄膜中未知薄膜力学性能的方法。首先使用几种不同的材料，包括干膜、聚酰亚胺(PI)薄膜和黄铜，完成了双层薄膜的制备。其中干膜-PI双膜的制备是在高温下将干膜粘贴在PI膜上完成的，而PI-黄铜双膜的制备，则是通过旋涂技术完成。然后通过鼓泡实验测得了单层和双层圆形薄膜的压力-挠度曲线，结合相应的单层和多层膜理论模型，得到了双层薄膜中未知薄膜的弹性模量。对比分析鼓泡实验与纳米压痕实验的结果，验证了鼓泡法求双层薄膜中未知薄膜的弹性模量的方法。此外，研究了双层薄膜的厚度和弹性模量等参数对测量结果的影响。研究结果表明当双层薄膜中两种薄膜的弹性模量相差较大时，通过改变两种薄膜的厚度，可以减小测量出的未知低弹性模量薄膜的弹性模量与真实值的误差。最后建立了鼓泡法测试双膜力学性能的有限元模型，研究薄膜的弹性模量及厚度对双膜测试方法结果的影响，从而为更准确地测出双层薄膜中未知薄膜的弹性模量提供了指导。　　(2)为研究实际封装中存在的Cu/干膜界面间的开裂问题。首先通过鼓泡实验测得了Cu/干膜间的界面结合能，同时研究了薄膜厚度、基底窗口半径等参数对测试结果的影响。然后基于断裂力学建模的方法模拟了具有Cu/干膜结构的倒装焊有限元模型，其中J-积分应用于计算Cu/干膜界面的能量释放率。通过参考实验测得的临界能量释放率4.99J/m2，对Cu/干膜界面的断裂行为进行预测，同时对铜焊板(CuPad)层和再布线(RDL)层的结构优化进行了研究。研究结果表明，在设计时可以合理地减小Cu Pad层的厚度，或者增大Cu Pad层与RDL层的间距，以优化降低Cu/干膜界面开裂风险。

关键词： 工程教育   远距离学习   远程教育技术   柔性教育轨迹   教育实践   课程能力   数字服务  

摘要： 文章介绍了奥伦堡国立大学向远程教学迅速过渡的经验,重点分析了为促进教师和学生教育互动所采用的工具,及其培养具有信息素养和跨学科技术能力的工程专业大学生的目的。"数字轨迹"技术运用于工程教育的新实践,着重分析了工科学生的整体感觉(与建立"数字轨迹"有关的教育实践)。所提供的数据表明,学生对个人教育路径灵活性的要求有所增加,对新的数字能力、创造性、自学和注意力管理能力、社区建设、反射能力的培养需求均有所提升。远程学习模式下着重发展的是基本个人技能,以促进未来工程师形成人力资本。

关键词： 离散位错动力学   颗粒强化   尺寸效应   包辛格效应  

摘要： 颗粒增强金属基复合材料因具有极高的强度和良好的延展性,优异的导电、导热性能和抗磨损能力,广泛应用于航天航空、汽车、电子工业等领域。研究颗粒增强材料的力学行为与结构性能,具有重要意义。第二相强化是其主要的强化方式,它是通过合金中弥散的微粒阻碍位错运动,可有效提高金属材料的力学性能,提高其服役安全。为此,本文以颗粒增强铜基复合材料为例,开展了如下研究:(1)通过三维离散位错动力学模拟方法,对颗粒增强铜基复合材料进行了微柱压缩模拟。本研究将第二相颗粒视为位错不可穿透的球形微粒,采用位错绕过机制模拟颗粒与位错的交互作用过程。首先模拟了单个位错源与颗粒的交互过程,研究了滑移面相对于颗粒中心距离和滑移系取向对材料屈服强度和应变硬化率的影响。进而模拟了多位错与第二相颗粒交互作用,发现多位错模型材料的屈服强度和应变硬化率相比于单位错模型更低,同一滑移面中位错源反应生成新的位错结构和不同滑移系位错间的协同作用是导致屈服强度和应变硬化率降低的关键。(2)进一步研究了颗粒阵列分布材料中颗粒状态(颗粒体积分数、颗粒形状、颗粒分布)对材料力学响应的影响。发现颗粒体积分数越大,材料屈服强度与应变硬化率越高。相比于球形颗粒,立方体形颗粒更易使材料中产生位错缠结和位错网状结构,使材料屈服强度与硬化率增高。颗粒均匀分布模型材料的屈服强度高于颗粒随机分布模型。并基于Orowan机制分析了位错与第二相颗粒交互作用对材料力学响应的影响,揭示第二相颗粒强化的微观机理。(3)对颗粒增强铜基复合材料进行压缩-卸载-再拉伸的模拟,研究了第二相颗粒对位错运动的影响过程。首先模拟了单个位错源与位错的交互过程,发现位错环会在反向加载时全部湮灭,并且位错湮灭阶段的应变硬化率低于正向加载时生成位错环的应变硬化率。进而模拟了多位错与阵列分布颗粒交互作用,发现位错环、位错缠结等结构是产生包辛格效应的原因,并分析了颗粒增强结构对背应力和有效应力的影响。

关键词： 随机多尺度理论   纤维增强复合材料   不确定性   代表体积单元  

摘要： 随着时代进步和对材料需求的增加,新材料技术得到快速发展,其中复合材料具有优异的综合力学性能,受到广大学者和工程师的青睐。然而,在复合材料的结构设计和制造工艺过程中,充斥着各种各样的不确定性因素,这些不确定性因素对复合材料的力学性能有显著影响。因此,对复合材料力学性能进行不确定性分析具有重要工程意义。本文以纤维增强复合材料周期性单胞为研究对象,采用基于渐进均匀化方法的随机多尺度理论对纤维增强复合材料力学性能进行了不确定性研究。首先,基于渐进均匀化方法推导了n相复合材料的随机多尺度理论,并编写代码实现了两相和三相复合材料的随机多尺度分析程序的开发,实现了结果的可视化。而且,利用蒙特卡洛模拟方法验证了随机多尺度理论的有效性及程序编写的准确性。其次,基于BORSA方法对ABAQUS进行二次开发实现了非连续纤维增强复合材料的周期性单胞随机参数化建模。将纤维直径、长度、纤维取向角以及纤维位置参数设置为随机变量,便可得到非连续纤维增强复合材料的随机单胞模型。随机单胞模型能有效地模拟真实纤维复合材料的细观几何形态。随后,分别以单向非连续纤维增强复合材料和随机分布纤维增强复合材料为研究对象,分析了组分材料(玻纤和聚丙烯高聚物)的弹性模量不确定性对宏观性能不确定性的影响。研究表明:对于单向纤维增强复合材料而言,纤维纵向的等效弹性模量不确定性程度主要受纤维弹性模量不确定性的影响,受基体弹性模量不确定性的影响较小;纤维横向等效弹性模量和等效剪切模量的不确定性程度主要受基体弹性模量不确定性的影响,而对纤维弹性模量不确定性的影响并不敏感。对于随机分布纤维增强复合材料而言,等效弹性模量和等效剪切模量的不确定性程度基本受基体弹性模量不确定性的影响,而受纤维弹性模量不确定性的影响极小,这与单向纤维复合材料相比有很大差异。由此可知完全不同的纤维取向会改变组成相材料弹性模量不确定性对宏观性能不确定性的影响机制。还研究了随机分布纤维增强复合材料组成相材料的弹性模量不确定性对细观应力不确定性的影响,发现玻纤模量不确定性对整个单胞各处细观应力不确定性均有影响,并且影响程度由玻纤内部到界面再到基体逐渐减弱。基体模量不确定性对基体细观应力不确定性程度影响极大,对纤维内部的细观应力不确定性基本无影响,纤维表面(或者界面处)的细观应力不确定性程度受到纤维和基体材料不确定性因素的共同影响。材料模量参数的不确定性对界面处的应力不确定性的影响程度最大。此外,在同时考虑材料不确定性和细观几何不确定性影响的情况下,对单向纤维增强复合材料的均匀化模量采用混合高斯分布进行了概率分布估计,发现纤维体积分数对宏观性能不确定性的影响显著,等效弹性模量和等效剪切模量的标准差随纤维体积分数的增加而增加。纤维长度越大,等效弹性模量标准差亦越大,等效剪切模量标准差对纤维长度的增加不敏感。最后,在传统的纤维增强复合材料细观失效准则基础上,提出了考虑不确定性因素的细观失效准则。为纤维增强复合材料的细观失效研究或损伤演化分析,提供一种指导性思路。此外在考虑材料性能参数不确定性的情况下分析了在不同置信水平下的细观应力,并与传统分析结果进行了对比。

关键词： 薄喷技术(TSL)   高分子材料   力学行为测试   支护能力分析   现场喷涂  

摘要： 随着我国智能矿山建设的提出,研发适用于我国地质条件及生产条件的安全、高效、快速巷道护表新技术具有重要意义。薄喷层(Thin Spray-on Liners,TSL)技术是一种表层喷涂薄膜防护技术,广泛应用于矿山密闭工程。支护型薄喷层是通过开发能够取代金属网护表的新技术,从而实现掘进速度快、自动化程度高、适于无人化目标。本文开展高分子支护型薄喷层(Reinforcing Polymeric Thin Spray-on Liners,RPTSL)材料及配套喷涂设备研究,开发具有自主知识产权的RPTSL及相关的力学行为及支护性能测试方法。较水泥基TSL具有“即喷即用”和材料力学性能多样的优点,适合我国复杂多变的工矿条件,在地下煤矿巷道快速支护及锚护智慧化建设中极具应用前景。本文综合运用理论分析、实验室实验、数值计算、现场工业性试验等多种研究方法,对限温改性的RPTSL材料承载变形规律、围岩护表机制及支护性能开展系统研究。基于喷层变形规律,确定了TSL支护过程中的承载机制,并通过理论分析,建立了TSL护表各阶段承载特征及与材料力学性能对应关系,确定了TSL材料的黏结、抗拉、抗剪和抗压性能是TSL支护复合承载结构稳定性关键参数。采用实验室实验对研发的RPTSL材料承载性能进行了全面测试,结果显示新材料力学属性明显优于水泥基TSL,接近国际领先水平。在RPTSL支护性能研究中,首次对薄壳结构支护效果进行解析和实验研究,通过与菱形网支护方式进行对比,显示RPTSL形成壳结构后试样的屈服强度和峰值强度分别提高20-45%,且吸能效果显著增强。采用大型型煤试样研究了RPTSL对煤柱稳定性的影响,结果显示,RPTSL支护后试样峰值载荷提高30%,且变形量明显增加。采用数值计算方法分析了实验过程中薄喷层-围岩复合结构变形过程,发现RPTSL通过自身承载,改变复合结构应力状态,减少煤、岩体自身的拉伸破坏,起到其支护作用。针对所研发的RPTSL材料设计了专用薄喷机,通过实验室正交喷涂测试,确定了多次喷涂成型工艺,喷涂能力为1.1～6.6 L/min,料液利用率为95%。试验研究了雾化反应对材料性能的影响,结果显示,雾化材料的力学属性有小幅降低,但支护性能不受影响。最后,在阜新矿区恒大煤矿进行了井下工业性试验,首次通过现场测试验证了RPTSL支护的可行性,观察并分析了RPTSL对松散岩体的黏结性能及支护效果,对比分析了RPTSL与菱形网支护特征,结果显示,喷涂作业简单、安全、高效,可以极大地提高掘进速度,支护效果及喷涂效果符合预期,尤其在揭露后及时喷涂更能发挥RPTSL主动支护的优势,是小变形阶段岩层护表的有效手段。本文通过RPTSL支护实验及数值计算阐明了RPTSL支护结构的变形过程、破坏方式及承载特征,通过现场试验验证了RPTSL材料和技术的适用性,为RPTSL工程实践提供了重要的基础和支撑,为我国巷道锚护智能化建设提供了新路径。该论文有图156幅,表19个,参考文献127篇。