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关键词： 纤维增强复合材料   渐进均匀化分析   等效力学性能   短切纤维   铺层结构  

摘要： 目前,复合材料正在不断地应用到各个领域,其中的纤维增强复合材料在工程实际中最受关注。大量的研究结果表明,这类材料具有优异的比模量、比强度和阻尼等力学性能。与传统金属结构相比,在复合材料结构的设计过程中其材料本身也成为了新的设计变量。为了考虑新变量对整体结构力学性能的影响,学者们提出了各种近似方法计算复合材料的等效力学性能,其中就包括渐进均匀化方法。渐进均匀化方法不仅具有严谨的数学理论为支撑、实现过程较为简便,而且纤维增强复合材料非常符合渐进均匀化方法所要求的适用条件。因此,渐进均匀化方法可以准确地预测纤维增强复合材料的等效性能。本文以ABAQUS有限元软件为执行平台,实现了两种求解渐进均匀化理论的方法,提出了预测短切碳纤维增强混凝土的等效力学性能的方法,并将渐进均匀化方法应用到车身铺层结构中进行轻量化设计。本文主要包括以下内容:首先,从一般力学问题和虚功原理两种不同的角度出发,对渐进均匀化理论进行了推导和总结。以有限元软件及编程语言为工具,实现了程耿东求解和简化形函数求解对同一材料等效力学性能的求解,并比较两者以及传统数值计算的结果。在综合考虑计算精度及计算效率后,选取程耿东求解方法作为后续的研究方法。其次,以短切碳纤维增强混凝土结构为例,提出了采用二维定向的纤维模型模拟计算三维乱序的纤维结构等效性能的方法,讨论了从三维乱序模型简化为二维定向模型过程中的各个因素对预测精度的影响。最终结果表明对预测精度影响明显的因素只有体积分数,而纤维长细比、截面形状、纤维排列及纤维间距的影响极小或无影响,这也表明了所提出的方法可以用来计算搅拌均匀的短切碳纤维增强混凝土以及类似结构。最后,以弯曲工况下的车身底板为例,提出了纤维增强复合材料铺层结构的新设计方法。第一步通过渐进均匀化方法计算得到单层纤维增强复合材料的等效力学性能,并将结果作为铺层结构优化的基础。随后,将铺层结构的优化设计分为三部分:自由尺寸优化确定每层形状和取向,尺寸优化确定每层的最佳厚度,层堆叠顺序优化获得整体最优堆叠顺序。最终,在保证车身强度的前提下,新优化方法将车身底板质量降低到原来的40%,证明了所提方法的有效性。

关键词： 漂珠   破碎率   复合泡沫   本构模型   数值模拟  

摘要： 粉煤灰漂珠具有中空薄壁、内含封闭和半封闭的微孔特性,也具有低密度、高比刚度、高比强度等优点。不仅能够作为填充相使材料轻质化,又能在单体破碎后释放塌缩空间,作为缓冲材料时具有良好的可压性。为研究脆性空心颗粒堆积材料在缓冲防护中的应用,以典型脆性空心颗粒粉煤灰漂珠为研究对象考察其在冲击载荷下的力学行为及缓冲特性。然后以大尺寸粉煤灰漂珠为主要组分,以硬质聚氨酯泡沫为粘结剂制备出一种复合泡沫,并对其力学性能和变形机制进行分析。本文的主要研究内容如下:（1）通过对不同粒径分布的粉煤灰漂珠堆积材料进行动静态压缩实验,并限制颗粒堆积体的压缩应变为50%,分析颗粒破碎率和破碎机理与材料宏观应变率效应的关系。结果表明不同粒径的漂珠堆积材料强度在动态压缩下比准静态有明显的增强,在0.001s-1150s-1LGs和LTs堆积材料的强度分别提高200%和195%,在150s-1300s-1LGs和LTs堆积材料的强度分别提高39%和51.5%,应变率为800s-1时漂珠堆积材料的强度与应变率为300s-1时漂珠堆积材料的强度相比并未发生明显的变化;在相同的应变率下小粒径漂珠堆积材料比大粒径漂珠堆积材料的强度和吸能效果分别提高40%和45%;对破碎后的漂珠进行颗粒粒径分析可知,随着加载速度的增加,LGs和LTs的破碎率和破碎程度都会增大,且在相同加载速度下粒径越大的漂珠其破碎率越高;通过利用Hardin破碎势进行分析表明,单位能量下漂珠的相对破碎势随冲击速度增大而减小,动态冲击下用于漂珠破碎的能量利用率降低,从而导致漂珠在相同压缩量下产生更高的能量耗散和应力水平,即表现为宏观的应变率效应。（2）采用静态压缩与SHPB实验对漂珠聚氨酯复合泡沫的力学性能与变形机制进行分析。结果表明:漂珠聚氨酯复合泡沫的应力应变曲线具有典型的线弹性、塑性平台和致密化三个特征阶段且具有相对稳定的平台应力。在密度0.45g/cm3～0.6g/cm3之间复合泡沫平台应力和到压实应变处吸收的能量随密度增大而提高,且平台应力与相对密度间满足幂函数关系;采用铝蜂窝为增强相可使同密度下复合泡沫抗压强度和平台应力分别提升约20～45%和10～25%;两种复合泡沫的失效形式不同,准静态下复合泡沫主要发生剪切失效,增强泡沫的主要失效形式则转变为轴向压缩失效;在0.001s-11500s-1应变率范围内,复合泡沫抗压强度有明显的应变率效应但平台应力并未随应变率的增大而提高,增强复合泡沫的强度和平台应力均呈现出明显的应变率效应;采用铝蜂窝不仅能提高复合泡沫力学性能,还能够改善其力学行为,使材料具有更优异的动力学特性。（3）建立了漂珠聚氨酯复合泡沫的经验型本构模型,并与实验结果进行对比,可以较为准确的反映复合泡沫的力学性质;通过Matlab随机生成漂珠并通过有限元分析软件LS-DYNA建立了漂珠排布与孔隙率相似于漂珠聚氨酯复合泡沫的有限元模型,并对其力学性能和变形机制进行分析。全文通过数值模拟与实验相结合的手段对粉煤灰漂珠及其复合泡沫进行分析,可以对脆性空心颗粒材料与复合泡沫的力学性能与应变率效应分析有一定的参考价值,并可以为工业固废粉煤灰的综合利用提供新思路。

关键词： 材料力学   翻转课堂内容设计   高校教学改革  

摘要： 为了适应现在的教学要求和互联网时代的到来,基于网络教学的翻转课堂模式是目前高校教学改革的一个重要研究方向.作为一名'材料力学'的教师,结合今年的教学经验,谈谈对该门课程内容看法、实践经验总结和课程内容设计.

关键词： 风电工字梁   渗透率   层间混杂   力学性能  

摘要： 面对能源匮乏和环境恶化的双重问题,世界各国纷纷调整国家发展战略,更加重视对风能代替传统能源的开发与利用。伴随海上风电以及低风速风电技术的发展,以纯玻璃纤维作为增强材料成型已不能满足风电装机大型化技术的基本刚度需求,而纯碳纤维复合材料成本昂贵且综合性能并不理想。有效地将碳纤维和玻璃纤维混杂,不仅可以弥补碳纤维的脆性和抗冲击能力差的特性,提高玻璃纤维的模量和刚度,同时也可以解决碳纤维高用量所带来的高成本问题。因此玻碳混杂的结构设计方案为风电叶片工字梁长度的增加提供了很好的解决与优化方案。本研究具体的内容、结论和成果如下:(1)通过差示扫描量热仪表征2511-1A/BS环氧树脂基体的固化特性,综合考虑固化效果与效率的基础上,树脂体系固化工艺设置为85℃/150min+130℃/50min。采用旋转流变仪分析了树脂恒温与变温条件下粘流特性,综合考虑注胶效率以及纤维浸润效果,确定40℃为VARI成型工艺过程中树脂脱泡以及灌注的最佳温度点。(2)以达西定律为理论基础,采用单向法研究玻碳织物层间混杂对渗透性能的影响。结果表明,随着碳纤维含量的增加,环氧树脂流动前锋由尖锐峰形逐渐转变为缓平峰形,同时对应灌注时间增长。在混杂比一定情况下,环氧树脂流动前锋位置的平方与时间呈现线性关系;而织物渗透率随着含碳量增加呈现线性增长的趋势。(3)对不同玻碳混杂比板材进行纵向与横向拉伸、压缩,研究表明纵向拉伸、压缩性能均随碳纤维含量增加得到明显改善;而横向性能主要取决于树脂/纤维的结合程度以及捆绑纱,增加较为明显;但是,横向拉伸模量表现为负的混杂效应,随含碳量增加而降低;而横向压缩性能方面,随混杂比呈现上下波动,无明显变化。(4)对不同玻碳混杂比板材进行三点弯曲以及层间剪切,研究表明,弯曲强度随含碳量增加呈无规律变化,较纯的GFRP板材,弯曲模量随含碳量增加得到明显改善。弯曲样品破坏均为压缩侧断裂,其中纯玻、纯碳增强复合材料的截面断口较为整齐,而混杂复合材料多表现为层间断裂或树枝状裂纹富集形式。HFRP层间剪切性能方面,剪切强度随含碳量增加而呈现递增,剪切模量随含碳量增加呈现先增后减的趋势。剪切试样破坏主要以分层破坏为主,同时伴随部分基体和纤维裂纹破坏。适当增加碳纤维含量可以减少纤维大面积分层断裂区域现象,在混杂比为1:4、1:3时,板材呈现纤维断裂富集,但未形成大面积分层裂纹现象,试样破坏形貌较为完整。(5)利用ANSYS建模,对混杂层合板进行静力学模量仿真分析。通过施加悬臂梁约束以及简支梁约束,计算得到各混杂比纤维增强复合材料的模量。结果显示随着碳纤维含量的增加,拉伸、弯曲以及压缩模量增长趋势,仿真结果与实验结果基本吻合。

关键词： 碳纤维   跨尺度增强体   界面性能   氧化石墨烯   超支化聚合物  

摘要： 碳纤维复合材料在航空航天、汽车、建筑等领域有着不可替代的地位,对于碳纤维复合材料而言,良好的界面性能是材料力学性能的保证。但由于碳纤维表面光滑无活性基团,与树脂基体结合时主要依靠的是物理结合,使得碳纤维复合材料的力学性能远远达不到预期,因此有必要对碳纤维的表面进行改性,提高纤维与树脂的结合,改善复合材料的界面性能。本文通过对碳纤维表面进行多步处理,结合纳米材料氧化石墨烯、超支化聚(硫醚-酯)及超支化聚酯,依靠点击化学法快速有效的制备跨尺度增强体,然后选用环氧树脂为基体制备复合材料。氧化石墨烯的加入可提高碳纤维表面的粗糙度,大幅增加纤维与树脂基体的机械啮合效应,超支化聚(硫醚-酯)和超支化聚酯的引入使得碳纤维表面的活性基团增加,与环氧树脂之间的化学键合和浸润性都得到了提高。因此,氧化石墨烯和超支化聚合物的引入可明显改善碳纤维与树脂基体间的相容性,提高两者间的界面强度。基于此,本文采用了“grafting from”和“grafting to”两种不同的接枝手段来实现超支化聚合物和氧化石墨烯在碳纤维表面的接枝。具体研究内容如下:(1)碳纤维经过丙酮去胶处理后,分别采用硝酸氧化法和等离子体氧化法对碳纤维进行表面处理,得到氧化碳纤维(CF-Oxi);通过傅里叶红外吸收光谱仪(FTIR)对两种方法改性的碳纤维进行表征,结果表明两种方法均能够使得碳纤维表面引入含氧活性基团;通过对比两种方法的实验条件和最终接枝效果,发现等离子体法更为安全、简单、高效。(2)采用γ-巯丙基三甲氧基硅烷(KH590)对碳纤维和氧化石墨烯表面进行改性,通过水解缩合反应得到巯基功能化碳纤维(CF-KH590)和巯基功能化氧化石墨烯(GO-KH590);利用傅里叶红外吸收光谱仪、综合热分析仪(TGA)等对产物进行表征;结果表明,KH590成功接枝在碳纤维和氧化石墨烯表面,且接枝率分别为5.13%和6.70%。(3)基于跨尺度结构设计的思想,分别采用“grafting from”和“grafting to”两种不同的接枝手段制备了氧化石墨烯-超支化聚(硫醚-酯)-碳纤维(GO-HPTEE-CF)跨尺度增强体和氧化石墨烯-超支化聚酯-碳纤维(GO-H20-CF)跨尺度增强体;通过FT-IR、TGA、X射线光电子能谱(XPS)对产物进行表征,结果表明两种方法成功制备出了跨尺度增强体;此外,力学性能测试结果表明,两种超支化聚合物的引入均能有效防止氧化石墨烯在碳纤维表面的团聚,并能有效提高碳纤维的力学性能。(4)选用环氧树脂E-51为基体,三乙烯四胺为固化剂,与不同改性阶段的碳纤维制备成复合材料并对其力学性能进行表征。结果表明:改性后的碳纤维界面性能得到提高,以共价键结合和机械啮合共同作用的界面能够帮助碳纤维复合材料承受更大的载荷和避免应力集中;GO-H20-CF跨尺度增强体单丝拉伸强度、复丝拉伸强度相比原始碳纤维分别提高了35.66%和44.34%。GO-H20-CF跨尺度增强体复合材料的弯曲强度、层间剪切强度、界面剪切强度相比原始碳纤维复合材料分别提高了34.58%、59.94%和147.99%。GO-HPTEE-CF跨尺度增强体单丝拉伸强度、复丝拉伸强度相比原始碳纤维分别提高了21.45%和34.19%,其复合材料的弯曲强度、层间剪切强度、界面剪切强度分别提升了23.99%,50.19%和136.96%。场发射扫描电镜结果显示,两种跨尺度增强体复合材料断口处的纤维拔出较少,且纤维断口不平整,表面附着有大量树脂,表明纤维与树脂基体之间的黏附作用增强,结合更为牢固,界面性能得到提高。

关键词： 金属材料   力学行为   塑性变形机制   分子动力学   原子间相互作用势  

摘要： 金属材料宏观力学性能与其成分组织和微观结构等因素紧密相关,材料的失效破坏行为主要源于位错、层错、晶界以及孪晶界等微观缺陷。本文首先在原子尺度上采用分子动力学方法研究了微观结构和温度对TiAl合金力学性能及其塑性变形机制的影响。准确的原子间相互作用势是保证分子动力学模拟结果合理可靠的重要前提。为更深入研究材料力学行为,本文以金红石相TiO2材料为例,在电子尺度上开展了势函数构建的探索性研究,基于第一性原理计算值和实验值构建了该材料的原子间相互作用势,基于现有文献研究结果,对所构建势函数的正确性进行了相应的验证。以LAMMPS软件为模拟平台,采用分子动力学方法研究了单轴拉伸载荷作用下晶粒尺寸和温度对TiAl合金力学性能及变形机制的影响。研究结果表明:晶粒尺寸<8 nm时,随着晶粒尺寸的增大,纳米多晶TiAl合金的屈服应力增大,出现反Hall-Petch现象,此时主导TiAl合金塑性变形的是晶界迁移和晶粒旋转;当晶粒尺寸>8nm时,屈服应力对晶粒尺寸的敏感性降低,此时塑性变形的主导机制为晶粒内部位错滑移和变形孪晶生长。随着晶粒尺寸的增加,杨氏模量增大;但随着温度升高,杨氏模量反而降低。此外,温度升高会导致位错密度降低且晶界处位错发射时间延后。同时,对拉伸和压缩载荷下孪晶界等微观缺陷和温度变化对纳米多晶TiAl合金微观塑性变形机制的影响也进行了研究。研究结果表明当温度为300 K时流动应力存在明显的拉压不对称性,增加孪晶界距离（TBS）会导致压缩时的纳米多晶TiAl合金流动应力比拉伸时的平均值高14.9%,而当温度增加至600 K时,该值增加到29.9%。逐渐减小TBS,流变应力先增大然后降低。这是由于TBS的变化引起了纳米多晶TiAl合金塑性变形机制的转变。当TBS≤2.16 nm,不全位错在晶界处形核发射并平行于孪晶界运动;当TBS>2.16 nm,位错在孪晶界和晶界的交叉点处形核发射并与孪晶界运动方向相交。并且发生这一转变的临界TBS值还受温度的影响,在600 K时的临界值为3.59 nm,大于300 K时的临界TBS值2.16 nm。其次,基于Buckingham对势模型构建了一种适用于金红石相TiO2晶体分子动力学模拟的原子间相互作用势,并运用所构建势函数进行分子动力学模拟研究,得到金红石相TiO2晶体的晶格常数、体模量、剪切模量和弹性模量等参数,并分别与实验值和第一性原理计算值进行比较验证。结果表明新构建原子间势能够准确地计算金红石相TiO2的晶格常数、体模量、剪切模量和弹性常数等物理参量。此外,还对金红石相TiO2的熔点进行了计算验证,发现该势函数计算出的熔点值与实验值吻合较好,表明所构建势函数的正确性。

关键词： 柠条   根系   极限抗拉力   根-土复合体   抗剪强度   自修复  

摘要： 本文以内蒙古自治区中南部半干旱黄土丘陵区和林格尔县境内人工种植的4年生水土保持先锋植物种-柠条(Caragana korshinskii)的根系为研究对象,采用土力学与材料力学的理论和方法,以野外天然生境下原位试验和室内模拟实验相结合,通过对柠条直根拉伸、抗折试验,根-土复合体直剪试验及根-土界面摩阻试验等,研究根系固土力学特性,分析直根拉伸、抗折力学强度指标、根-土复合体抗剪强度及其强度指标、根-土界面摩阻特性及其影响因素等,揭示柠条根系固土材料力学特性。得出以下结果:(1)柠条标准株根系的形态数量分布特征分析确定柠条代表根径级为0-0.5mm,0.5-1mm,1-1.5mm。(2)在测试根径0-2mm范围内,瞬时极限抗拉力(23.79N±14.74a)>极限抗折力(23.52N±17.10a),极限抗拉强度(36.02Mpa±21.16a)>极限抗折强度(21.17Mpa±11.36b),柠条根系易受折力破坏。(3)进行加载-卸载-再加载的疲劳50循环拉伸后,柠条直根极限抗拉力75%梯度(56.03N±40.71a)>35%梯度(43.56N±30.49b)>55%梯度(41.52N±26.86b)>平行对照组(19.12N±16.36c),极限抗拉强度 75%梯度(88.65Mpa±65.57a)>55%梯度(60.67Mpa±37.97b)>35%梯度(55.16Mpa±30.5c)>平行对照(25.69Mpa±18.14d),疲劳后根系抗拉力和抗拉强度明显增高;受拉受损愈伤三个月后柠条根系具有一定修复能力。(4)在12.5kPa(根系集中分布土层0.8m左右)垂直载荷下,柠条根-土复合体抗剪强度、粘聚力随土壤含水率、布根数量、根径的增大呈现先增加后降低的趋势,粘聚力对于根-土复合体的抗剪强度提高有明显影响。(5)自然条件下,柠条根-土界面的抗剪强度及其指标、摩擦系数均大于土-土界面,根系具有固土抗裂作用;在测试径级1-4mm范围内,柠条直根抗阻拉力随根径的增加而增大,拉拔抗剪强度随根径的增加而减小。

ISBN: (纸本)9787562961451

关键词： 平流层飞艇   飞艇蒙皮材料   单侧边切缝撕裂试验   CFRP   有限元分析   Hashin失效准则  

摘要： 平流层飞艇是一种密度轻于空气的可控飞行器,具有飞行高度高、覆盖范围大、驻空时间久、运输能力强等优点,在军事领域有着重要的发展前景,近年来受到了世界各国的广泛关注。由于平流层飞艇复杂的工作环境,蒙皮和骨架材料不仅需要满足轻质高强、耐疲劳的特点,蒙皮作为飞艇保护层,还需满足耐辐射、抗蠕变、高气密性等性能。然而,蒙皮材料在制作或安装使用过程中易产生内部缺陷或造成撕裂损伤,十分影响飞艇的使用、安全及寿命。在飞艇骨架结构节点处,螺栓连接开孔的存在也使得CFRP构件的承载力大大降低。针对以上问题,本文重点研究了考虑切缝损伤的飞艇蒙皮材料撕裂性能和考虑了开孔损伤的CFRP圆管的轴压力学性能。具体内容如下:首先,对两种不同编织密度的平流层飞艇蒙皮织物材料进行试验,通过单侧边切缝试验测得相应的临界撕裂应力,并与修正前后的Shoji应力场理论进行对比;重点研究了切缝长度、覆盖层和编织密度对其撕裂性能的影响。试验结果表明,有效受拉纱线根数的减少和切缝尖端的应力集中,使蒙皮材料的临界撕裂应力随着切缝长度的增加而显著降低;编织密度小,即单根纱线粗的蒙皮材料具有更好的抗撕裂性能。其次,制备了具有不同开孔直径的CFRP圆管试件;研究了未开孔试件的轴向受压力学性能,并与纵向弹性模量的理论值进行对比;重点分析了开孔损伤、螺栓插入对于试件极限抗压承载力以及应力分布的影响。结果表明开孔后应力重分布导致试件圆孔处出现了明显的应力集中,试件的极限轴压承载力随着开孔直径的增大而迅速下降;螺栓的插入限制了圆孔的变形和开孔后偏压破坏情况的出现,一定程度上提高了开孔试件的抗压承载力。此外,分析了CFRP的材料特点和细观力学性能;介绍了复合材料力学经典层合板理论和强度理论,重点介绍了有限元研究中常用的几种失效判定准则和刚度折减方法;简单介绍了ABAQUS软件中UMAT、USDFLD两种用户子程序的工作原理和流程步骤;为CFRP圆管轴压性能的有限元研究提供了理论基础。最后,采用有限元分析软件ABAQUS,对考虑开孔损伤的CFRP圆管轴向受压性能进行数值模拟研究,与试验结果进行对比分析,并在此基础上扩展研究了开孔直径对于构件轴压性能的影响。发现CFRP圆管极限抗压承载力随孔径的变化曲线近似于抛物线,当孔径较小时,承载力随孔径增大而迅速下降;当孔径接近试件直径时,曲线斜率趋于0。