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关键词： 金属材料   力学性能测试   不确定度   评定方法  

摘要： 金属材料的力学性能测试对明确金属材料的应用领域和应用范围具有重要影响,同时对提高金属材料的强化性能也具有积极影响。而本文就将在金属材料力学性能测试的基础上,对金属材料的力学性能测试的不确定度进行详细分析,然后对金属材料的分类以评定方法进行深入分析,最后对金属材料力学性能测试的评估误差进行系统论述。

关键词： 硫铝酸盐水泥   FRP网格布   FRP-ECC复合加固   纤维水泥基复合材料（ECC）   加固抗弯性能  

摘要： 纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer,FRP）以其轻质高强、优异的力学、以及耐久性能良好等效果,已被广泛应用于混凝土结构的修补加固工程中。在改善和增强混凝土结构的耐久性等方面,FRP的研究与应用也已经成为海内外学者研究的热点和重要的拓展方向之一。但是随着研究的不断深入,国内外的研究学者发现,FRP作为加固材料,在使用传统外贴方式进行加固时,通常采用有机树脂作为粘结剂,导致FRP与混凝土界面粘接性能较差,容易剥离,且耐高温性能差等问题。针对上述存在的问题,本课题旨在提出一种早强高效复合修补加固层,开发以硫铝酸盐水泥（Sulphoaluminate Cement,简称SAC）为基体的纤维水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composites,简称ECC）,利用其早期强度高、延性好的性能,与FRP网格布协同工作,成为一种新型复合加固层,用于修补加固既有钢筋混凝土结构。以ECC材料代替有机树脂作为粘结材料,有效避免了有机粘结剂耐久性差的问题。选择硫铝酸盐水泥的原因在于,相比于普通硅酸盐水泥,硫铝酸盐水泥具有更好的早期强度和耐久性能。基于以上想法,本文对FRP网格布增强SAC-ECC复合材料基本力学性能及其加固钢筋混凝土梁抗弯性能进行了试验和理论研究,主要内容有以下几个部分:1.本文的第一部分通过对比不同种类纤维的掺入对SAC-ECC拉伸性能的影响,确定了在FRP-ECC复合加固体系中能保证与FRP有效协同工作的ECC基体材料的最优配合比。2.为了了解FRP网格布增强SAC-ECC复合板在单轴拉伸试验和四点弯曲试验下的受力性能和破坏形态,进行了复合板基本材性试验,考察了复合板中不同FRP网格增强率、不同FRP增强基体以及不同龄期SAC-ECC等因素对复合板力学性能的影响。试验结果表明:对于FRP-ECC复合板,其破坏形态为中间层FRP发生断裂破坏,说明FRP被充分利用。FRP-ECC复合板在FRP“一分为二”断开后仍具有比普通ECC（对照组）更明显的应变硬化效果,可以承受更大的拉伸荷载。3.本文针对不同复合层加固钢筋混凝土梁的抗弯性能进行了研究,并对试验梁的破坏状态、荷载-挠度曲线、平截面应变和复合层应变,以及梁上的裂缝开展等参数进行分析。试验结果表明,FRP-ECC加固层与混凝土界面粘结良好,未出现加固层剥离现象。同时,FRP-ECC加固层对于控制钢筋混凝土梁的裂缝开展效果显著,有利于结构的耐久性。4.本文最后对FRP-ECC复合层加固钢筋混凝土梁的极限承载力建立了计算模型,该模型基于钢筋混凝土梁受弯构件正截面承载力的计算假定,以及对FRP-ECC复合板进行的拉伸材性试验得出的复合层本构关系。通过对比计算值和试验值,其误差值不超过3%,说明该计算模型用于对复合层加固钢筋混凝土构件的最大承载力计算具有较高精度。

ISBN: (纸本)9787111648697

关键词： 碳/碳复合材料   碳纳米管   微观结构   力学性能   强韧化机制  

摘要： 碳/碳（C/C）复合材料,即碳纤维增强热解碳（Py C）基体复合材料,是空天高技术装备发展必不可少的战略性材料,不断提升C/C复合材料力学性能是满足未来应用需求、推动相关装备成功研制的重要保障。然而,Py C具有强度低、脆性大、易分层开裂等特点,导致现阶段C/C复合材料强度不理想。引入纳米增强体改性Py C基体及其与碳纤维的微观界面是解决上述问题的可行途径。为了深入挖掘纳米增强体对C/C复合材料力学性能的影响规律,发展高强韧纳米改性C/C复合材料的制备方法,本文基于微观结构分析结合有限元应力模拟,系统研究了2500℃高温热处理层状Py C（HT-Py C）纳米界面、不同形貌原位生长碳纳米管（CNT）和电泳（EPD）CNT等纳米增强体改性C/C复合材料的力学性能,揭示了不同纳米增强体的强韧特性与机制,主要研究内容与结论如下: 受启发于陶瓷基复合材料层状结构强韧界面设计思路,研究了2500℃HT-Py C纳米界面层对C/C复合材料力学性能的影响。该研究从组元性能变化角度出发,分析了HT-Py C的强韧机制,发现HT-Py C层可以诱导界面产生拉应力,降低界面滑移应力并促进纤维拔出。通过对HT-Py C纳米界面层的厚度优化,单向C/C复合材料的拉伸强度提升可达38.17%,此时,复合材料出现基体开裂、纤维多级断裂等有利于韧性改善的断裂行为。然而,该纳米界面不适用于2D碳布叠层C/C复合材料（2D C/C复合材料）的强韧改性。对2D C/C复合材料而言,由于HT-Py C纳米界面层诱导其外层（远离碳纤维部位）基体内部产生拉应力,使其成为力学薄弱环节而优先分层开裂,导致C/C复合材料强度下降。 针对2D C/C复合材料层间强度不足的问题,提出利用原位生长CNT纳米增强层间基体、抑制层间开裂的思路。CNT的增强效果受其形貌影响,为获得二者之间关联,研究CNT形貌控制是必要的。本文系统研究了碳纤维处理方式、Ar/CH4值和生长温度对原位生长CNT形貌的影响。结果表明,相比于HNO3氧化处理,KOH活化可以大幅度提高碳纤维的比表面积和表面粗糙度,有效阻止催化剂加载过程中催化剂颗粒的迁移、长大,从而显著提高催化剂的分布均匀性;Ar/CH4值主要影响CNT的生长密度和纯净度,过高的Ar/CH4值会显著降低CNT的生长密度,而过低的Ar/CH4值会促进生成Py C杂质,优化的Ar/CH4值为7.5;生长温度主要影响CNT的平直度,适当提高生长温度有助于提高CNT的平直度,而过高的生长温度导致卷曲、短粗CNT的生成,1100℃可以生长出径向直立CNT。 基于原位生长CNT形貌控制的工作,制备了径向直立CNT和卷曲CNT改性2D C/C复合材料,研究了不同形貌原位生长CNT对2D C/C复合材料力学性能和断裂行为的影响。结果表明,为了保护碳纤维引入的Py C保护层是复合材料的优先开裂位置,与未经CNT纳米改性的2D C/C复合材料相比,径向直立CNT改性2D C/C复合材料的弯曲强度提高了约22.81%,剪切强度提高了约40.75%;卷曲CNT改性2D C/C复合材料的弯曲强度提高了约10.41%,剪切强度提高了约17.95%。建立了卷曲和直立CNT改性C/C复合材料的微米-纳米跨尺度有限元模型,从应力分布角度分析了CNT形貌对2D C/C复合材料力学性能的影响机制:CNT形貌会影响碳纤维表面Py C保护层的应力分布,相比于直立CNT,卷曲CNT会使Py C保护层承受较大的拉应力,不利于多尺度C/C复合材料的弯曲性能,表现出为较低的纳米增强效果。 虽然直立CNT对2D C/C复合材料层间Py C基体强韧效果明显,然而碳纤维表面的Py C保护层却成为易开裂环节,即直立CNT未能实现对界面和基体同时增强。针对这一问题,在不引入Py C界面相的前提下,通过向碳布表面EPD引入CNT,制备了EPD CNT改性2D C/C复合材料。结果表明,与未改性2D C/C复合材料相比,EPD CNT改性2D C/C复合材料的弯曲强度提高约40.45%,剪切强度提高约58.07%,层间I型断裂韧性提高了约300%。深入研究了EPD CNT对2D C/C复合材料力学性能的强韧机制,结果发现:EPD引入CNT后,2D C/C复合材料的界面剪切强度从7.08±1.62 MPa提高到35.08±2.60 MPa,界面摩擦应力从5.73±1.08 MPa提高到19.32±4.55 MPa,界面脱粘能从1.22±0.14 J提高到13.49±3.54 J;显著改善的界面结合主要归因于EPD CNT诱导产生的压应力界面,其可以阻止石墨烯层片发生滑移从而增强基体的剪切性能和层间抗拉性能;数值计算表明,当裂纹尖端的压应力超过30 MPa时,可以促使剪切裂纹由层间扩展转变为穿层扩展,从而提高了

关键词： 分子动力学   C-S-H凝胶   分子模型   力学性质   导热性质  

摘要： 水泥基材料的微观结构和性能是一个复杂而且十分重要的问题,需要进行深入的研究,在研究过程中要保持内容的严谨和全面,目前仍有很多针对C-S-H凝胶不同的研究方法,这需要研究者不断地探索与积累。应用分子动力学,从纳米尺度上对水泥基材料进行设计,有利于在工程应用中提升水泥基材料物理化学性能。不仅如此,采用分子动力学模拟和宏观性能试验协同研究,将会对水泥基材料的研究与工程应用起到推动作用。目前针对C-S-H凝胶大多数的分子尺度研究只关注了C-S-H类晶体的单晶构型条件下的力学性质,存在显著各向异性。此外,分子力场对于研究C-S-H导热性能的合理性与准确性尚未证实。分子动力学是水泥基材料原子级尺度研究的基本方法之一,在混凝土的精细化设计中具有重要应用。C-S-H凝胶是水泥的主要水化产物,决定硬化水泥基材料的宏观性能。本研究的重点是建立C-S-H凝胶模型,并利用分子动力学方法模拟水泥浆体作为水化和未水化相层状复合材料的纳米级力学行为。这些模型的主要目的是揭示水泥浆体内部力学性能和导热性能的影响。本文详细阐述了C-S-H凝胶分子结构模型和分子动力学力场的常见类别,这是决定模拟准确性的关键因素,探讨了C-S-H凝胶分子动力学模型与力学性能和导热性能的关系。(1)分析了纳米尺度下C-S-H凝胶在x、y、z三个方向上表现出的不同的力学性质。在拉伸荷载的作用下,x方向的抗拉强度大于y方向的抗拉强度,远大于z方向的抗拉强度。x和y方向上的破坏形态不同于z方向的破坏。z方向的拉伸更容易产生破坏,是因为x与y方向上的硅链的连接,这对于C-S-H凝胶的抗拉性能起到了重要的作用。通过模拟拉伸的C-S-H凝胶模型,其力学数据与纳米压痕实验的结果比较吻合,可用于进一步的模拟研究。在压缩荷载的作用下,y方向的抗压强度大于x、z方向的抗压强度。(2)建立了C-S-H凝胶在纳米尺度中可能的结构,分析了这种随机分布的模型在x、y、z三个方向上的力学性质。通过拉伸和压缩的模型,本论文发现这次建立的随机分布的模型的力学性质与之前的模型有了较大的差异。首先,三个方向上的拉伸强度虽然低于之前的模型的抗拉强度,但是彼此之间的差异几乎消失了,更加的符合实际水泥混凝土力学的各向同性的性质。除此之外,将三个方向的抗拉强度和抗压强度进行对比发现,三个方向的抗压强度普遍都大于抗拉强度。因此,本论文从微观的层面更好的解释了脆性材料抗压不抗拉的机理。(3)分析了C-S-H凝胶在三个方向上的导热性能。通过将最开始建立的C-S-H凝胶模型进行导热的模拟,本论文发现三个方向的温度分布曲线均呈现出了稳定的状态,但是通过计算得到的热导率同宏观尺度下的实验数据相比有一定的差异。然后,将随机分布的模型进行导热模拟发现,热导率不再存在太大的差异,而且相比于单胞模型的热导率降低了。

关键词： 三维编织   复合材料   单胞   界面   开孔   疲劳寿命  

摘要： 三维编织复合材料具有优异的损伤容限性能,在航空航天、国防军工和交通运输等诸多领域具有广泛的应用。对复合材料开孔缺陷的包容能力是工程设计中,尤其是飞行器设计中需要考虑的重要损伤容限设计准则之一。本文基于开孔三维编织复合材料的拉伸、压缩和拉/拉疲劳试验,研究开孔三维编织复合材料的力学性能和在循环载荷下的疲劳寿命,基于三维编织材料单胞模型,建立材料刚度、强度和疲劳预测模型,对开孔三维编织复合材料强度和疲劳寿命进行预测。本文的研究工作主要有:(1)对两种三维编织结构复合材料的拉伸和压缩载荷下力学性能进行试验研究。一种为完全编织结构,一种为含42%轴向纱的编织结构。研究开孔对两种结构的复合材料力学性能的影响,以及开孔试件在拉伸和压缩载荷下失效过程。采用3D-DIC(三维数字散斑测量技术)非接触式测量方式测量开孔试件应力集中系数,观察开孔后应变再分布及失效机理。研究表明,完全编织结构复合材料具有更优异的力学性能。(2)对采用行列式四步法编织工艺的三维编织单胞进行几何建模,分别研究纱线的面内和空间运动轨迹,建立试件的单胞模型。采用Hypermesh对建立的单胞模型划分周期性网格,编写Python子程序,在ABAQUS平台对单胞施加周期性边界条件,对三维编织单胞进行均质化分析。结果表明,细观尺度模型可以较好地预测三维编织复合材料宏观力学性能参数。(3)基于ABAQUS/Standard有限元平台和UMAT用户子程序,引入TsaiWu等强度准则和材料降解准则,采用内聚力双线性模型和B-K界面失效准则来模拟单胞内界面相力学行为,建立三维编织复合材料剪切损伤和拉伸损伤分析模型,分析单胞内基体、纤维束和界面的损伤演化机理。研究表明,细观尺度模型可以很好地预测三维编织复合材料的剪切强度和拉伸强度。(4)基于宏观和中观尺度,建立开孔三维编织复合材料单向拉伸载荷下损伤演化和强度预测模型。宏观尺度模型基于细观尺度模型所预测的三维编织复合材料的性能参数,采用ABAQUS/Standard有限元平台和UMAT用户子程序,引入Larco2等强度准则和材料降解准则,在宏观尺度上分析了开孔三维编织复合材料的损伤机理和拉伸强度;中观尺度模型基于ABAQUS/Explict平台和VUMAT用户子程序,引入零厚度界面相、Hashin强度准则和材料损伤演化模型,在中观尺度上分析了开孔三维编织复合材料基体、纤维束和界面相损伤演化规律,预测了材料强度。结果表明,两种尺度模型均可以预测开孔三维编织复合材料的强度和失效机理。(5)基于Lekhnitskii正交各向异性理论,对开孔三维编织复合材料的孔周边应力分布和应力集中系数进行分析,将理论分析结果与有限元和DIC测试结果进行对比;基于Whitney传统开孔板PSC和ASC强度预测模型对开孔三维编织复合材料强度进行预测。结果表明,数值模型与试验结果较为吻合,PSC强度准则可以更加准确的预测开孔三维编织复合材料的强度。(6)对两种编织结构的开孔和无开孔三维编织复合材料的疲劳寿命进行实验研究,并观察疲劳试件的断裂形态。实验结果表明,完全编织结构复合材料具有更优异的开孔和无开孔疲劳性能,且在疲劳失效时具有更少的损伤面积和断裂裂纹。引入循环载荷下界面相双线性模型,采用多轴疲劳强度准则作为纤维束和基体在疲劳载荷下失效判定准则,建立基于细观尺度下三维编织材料疲劳性能分析方法和疲劳寿命预测模型。采用细观尺度下三维编织复合材料疲劳寿命和材料性能参数,根据动态断裂理论,建立开孔三维编织复合材料宏观尺度下疲劳寿命预测模型。研究表明,所建立的宏观尺度模型可用于开孔三维编织复合材料疲劳寿命预测。

关键词： 混合学习   对分   材料力学  

摘要： 材料力学是工科院校的专业基础课,它对学生知识、思维、技能及能力的培养有着非常重要的作用。以手机为媒介的网络对课堂入侵、碎片化思维、学习的新模式和教育工作提出了新的挑战。在应用转型发展背景下以学生综合素养培养为目标,对课程进行"对分"混合改造。经过三年的运行,制作、整理出适用于二本应用院校的线上、线下教学资源,实现线上、线下融合互补的混合课程教学新模式。

关键词： 韧性金属   断裂预测   裂尖塑性区   屈服强度   断裂韧性  

摘要： 韧性金属具有密度小、强度高、加工性能好及焊接性能优良等特性,被广泛应用于航空设备、高速列车等高端装备。随着我国高端装备的的飞速发展,人们对韧性金属材料性能参数的准确性和可靠性提出了越来越高的要求。本论文以Q235B钢、5005铝合金和7075-T6铝合金为研究对象,针对韧性断裂的物理机理及预测模型开展研究,主要研究内容如下:(1)提出了一种预测韧性金属材料屈服强度与断裂韧性的解析模型。基于5005铝合金和Q235B钢断裂测试的实验数据,通过分析金属韧性断裂过程中裂尖塑性区,建立了含塑性区尺寸的断裂强度计算公式;结合正态分布理论,建立了具有可靠度的断裂预测模型,可以预测材料拉伸强度和断裂韧性的分布范围。通过该模型,可以利用小尺寸拉伸试样预测金属材料的屈服强度和断裂韧性,有效解决了线弹性断裂理论(LEFM)中对测试试样较大尺寸以及对试样表面粗糙度的严苛要求。(2)通过ANSYS仿真分析建立了具有不同初始裂纹的有限元模型。针对不同缝宽比的7075-T6拉伸试样发生断裂时裂尖塑性区大小及应力分布情况进行仿真研究,研究了初始裂纹大小和裂尖塑性区尺寸对韧性金属断裂的影响。通过有限元模型,能够初步确定裂尖塑性区的大小,为进一步试验验证本文提出的断裂预测模型提供依据。(3)通过分析不同缝宽比的7075-T6拉伸试样数据验证了本文所提出的金属韧性断裂预测模型的合理性与适应性。在不同机器限制系数下,对比分析Q235B钢、5005铝合金和7075-T6铝合金三种材料的试验数据,说明试验机对试样的限制较大,取合适的机器限制系数将直接决定断裂预测的可靠性与准确性。基于金属韧性断裂时裂尖发生大面积塑性变形,得到裂尖塑性区尺寸的大小对断裂预测结果影响较大。通过试验分析得到:考虑裂尖产生较大的塑性区得到的屈服强度和断裂韧性值比考虑较小塑性区得到的值更为准确。

关键词： 材料力学   新工科   实践教学  

摘要： 本文在新工科背景下,结合材料力学教学,探讨传统教学方式,实行学用结合方式,从课堂授课,课后训练等方面加入实践元素,提高学生学习的积极性,给出了组合变形和通过改变支撑条件来改变应力分布等案例,教学结果表明,加入实践环节的教学方法是一种有益的探索,本文的教学方式,可供其它课程教学参考。

ISBN: (纸本)9787111654285