教学课程资源库 更多>>

关键词： 超高性能混凝土   钢纤维表面改性   抗折性能   理论裂缝间距   数值模拟  

摘要： 钢纤维具有弹性模量高、强度高、延性好等优点,在UHPC中掺加钢纤维是提高其韧性的有效方法。但钢纤维—基体界面粘结强度较小,不足以充分发挥钢纤维的增强增韧效能。为此,本文研究了界面性能的提高方法以及界面粘结性能对UHPC宏观力学性能的影响特性。主要内容如下:首先,研究了钢纤维表面改性方法、表面改性钢纤维掺量、硅灰掺量对UHPC抗折性能的影响;提出了UHPC抗折荷载—位移曲线数学模型,该模型与试验曲线吻合较好。并结合复合材料理论,建立了UHPC抗折强度预测模型;研究了UHPC单轴受拉与受弯时,发生应变硬化,钢纤维—基体界面粘结强度、基体抗拉强度、钢纤维长径比与钢纤维掺量之间的关系。结果表明:实现应变硬化的临界纤维掺量与纤维长径比成反比。其次,考虑钢纤维拔出时的缓冲效应与基体剥落效应的影响,推导了钢纤维桥联应力与理论裂缝间距的计算公式。结果表明:纤维长径比不变时,纤维掺量增加,理论裂缝间距下降,钢纤维掺量越少,τ_f/σmu对理论裂缝间距的影响越大,当τ_f/σmu＞3.5时,τ_f/σmu对理论裂缝间距的影响减弱。纤维的长径比越小,随τ_f/σmu增大理论裂缝间距下降越快,在钢纤维的长径比L_f/d_f＞80时,长径比对裂缝间距的影响变小;在τ_f/σmu＜3.5时,增大钢纤维的长径比可显著的降低裂缝间距;在τ_f/σmu＞4.5时,界面强度和纤维长径比对理论裂缝间距几乎无影响。最后,基于单根纤维拔出模型,对不同长径比与界面粘结强度钢纤维桥联应力与裂纹面附近基体应力场进行了数值模拟,得到了不同界面粘结强度、纤维长径比的UHPC桥联纤维拔出应力-位移曲线、裂纹面附近基体应力场分布,并对桥联纤维拔出强度、拔出耗能、应力传递距离进行了分析。

关键词： 弹性体纳米复合材料   机械互锁结构   双分布接枝链   力学性能   分子动力学模拟  

摘要： 基于弹性体及其复合材料的力学增强,本论文采用粗粒度分子动力学模拟,讨论了材料的分子结构对体系力学性能的作用机制,重点探究了机械互锁结构和双分布接枝链结构的弹性体纳米复合材料,主要内容为:(1)机械互锁结构弹性体纳米复合材料。我们成功构造了具有机械互锁结构的弹性体纳米复合材料,该结构主要由两端官能化的接枝链接枝在同一个纳米颗粒的表面形成环状结构,进而让自由基体链穿进环中并与之紧密缠结形成互锁结构。通过调控基体链的刚柔性以及接枝环的结构,获得了理想的基体链穿进接枝环并与之缠结的结构状态,且在拉伸过程中该结构能够稳定存在。与此同时,我们发现该机械互锁结构不仅能够增强接枝链与基体链之间的界面相互作用,还能促进基体链间的缠结,提高基体链与基体链之间的相互作用强度,进而显著改善弹性体复合材料的拉伸力学性能。特别地,与传统的线性接枝复合材料相比,该机械互锁结构体系的拉伸性能可提高约770%,表现出显著的力学增强效应,这为设计与制备具有优良力学性能的新型弹性体纳米复合材料提供了新的思路。(2)双分布接枝链填充弹性体纳米复合材料。我们在每个纳米颗粒的表面均匀接枝了长度不同的聚合物链,然后再与基体链混合均匀。发现,在接枝链珠子总数不变的情况下,随接枝长链长度的增加,接枝密度降低,接枝链的空间位阻减小,导致纳米颗粒的分散性变差,但却表现出相近的力学性能。且具有相同接枝珠子总数的单分布与双分布接枝链对于体系界面相互作用的贡献是相同的,也呈现相似的力学性能。因此,我们认为体系的力学性能与接枝珠子总数密切相关,或者说接枝链长度与密度之间的协同效应导致体系的力学性能并没有显著的差异。此外,在接枝密度不变的条件下,随接枝长链长度的增加,纳米颗粒的分散性良好,聚合物链的延展性变好,体系膨胀,聚合物网络的密度降低,总的非键相互作用降低,导致拉伸力学性能单调下降。本工作将为调控弹性体复合材料的力学性能提供理论支撑。

关键词： 深度材料网络   深度学习   CNN-LSTM   碳纤维复合材料   力学属性预测  

摘要： 能源的过分损耗和环境的持续破坏推进了新能源产业和轻量化技术的发展,尤其是在汽车领域,这两大方向是汽车持续的热点以及未来的发展趋势。轻量化技术在减轻汽车整备质量,减少汽车燃料的损耗和尾气排放方面占据举足轻重的作用。相较于其他目前新兴起的材料,复合材料是给轻量化技术带来实际应用的的最佳方法之一,而且碳纤维凭借质量轻、强度硬度高、比模量大等优点使碳纤维增强复合材料成为轻量化材料中的佼佼者,被广泛的应用到汽车轻量化的设计中。在汽车结构的设计过程中,不同批次的碳纤维复合材料会制成不同层数,不同铺层顺序的层合板,要对所有的组合进行大量的复合材料力学性能实验才可获得其基本的工程常数,为整车的设计以及性能分析带来很高的时间和物质成本。人工神经网络,深度学习技术的快速发展及其多领域内的成功应用,使深度学习技术应用到复合材料力学属性的预测中成为可能,以节约材料开发与应用的成本。卷积神经网络(CNN)的优势是处理复杂的图像,提取图中的特征信息,长短期记忆网络(LSTM)擅长处理具有序列特征的数据。本文基于深度材料网络,提出将CNN-LSTM神经网络模型应用到碳纤维复合材料力学属性的预测中。深度学习模型的训练过程要有大量数据的支撑,但是目前没有开源的碳纤维复合材料力学属性数据集。因此首先利用Digimat平台仿真获取碳纤维复合材料均匀化后的柔性矩阵,并将其转化为图片信息,处理为具有序列特征的数据样本1200组,并制成相对应的标签文件。利用自己建立的数据集对CNN-LSTM网络模型进行训练以及精度的测试,最终结果显示,CNN-LSTM对碳纤维复合材料力学性能有着0.976的预测准确率。证明了深度学习对碳纤维复材力学性能的预测具有可行性。同时本文进行了碳纤维复材层合板的拉伸力学性能实验获取试样的力学参数,并构建相应的输入样本,使用CNN-LSTM模型进行预测。然后将实验结果与模型预测结果进行对比,结果表明CNN-LSTM对碳纤维复合材料力学属性的预测结果与相应的拉伸力学实验结果误差在5%以内,证明了CNN-LSTM神经网络模型对碳纤维复材力学性能预测的准确性。

关键词： TiB2/Al复合材料   各向异性   织构随机化   裂纹扩展   晶界  

摘要： 发动机短舱是飞机动力装置的核心部件之一,然而受制于起步晚、专利封锁等问题,我国在短舱制造领域仍属空白。铝基复合材料作为新一代的结构功能材料,其具有轻质、高强、耐疲劳等特征,是适用于短舱制造的新型结构材料。材料的各向异性会在曲面成形过程中引起起皱等缺陷,同时其在服役期间受到循环载荷,裂纹扩展是其疲劳失效的关键因素。因此研究材料力学各向异性的表现,同时探究裂纹扩展模式在各向异性中的表现具有一定的意义。本文采用单向拉伸测试和缺口拉伸测试、结合金相观察、SEM观察、TEM观察及中子衍射和EBSD技术分析,研究了不同热处理状态下的4.2wt.%TiB2/2024Al薄板屈服强度的各向异性及其影响因素;分析了T4态板材裂纹扩展行为及其机理,得出了以下研究成果:轧制态4.2wt.%TiB2/2024Al板材屈服强度存在平面各向异性。经过T4态处理后各向异性消失,而在引入预拉伸之后其各向异性再次出现,且预拉伸量越大,各向异性越明显。TiB2颗粒为再结晶提供了驱动力,引发了自然时效期间的静态再结晶造成织构随机化,是造成T4态样品屈服强度良好的各向同性的原因。预拉伸过程会导致晶粒在不同加载方向下滑移系开动的难易程度不同,是T3态板材屈服强度各向异性再次出现的原因。创新性地将滑移因子分析法、三维裂纹偏折模型和裂纹周边EBSD技术结合,定量分析了晶界对于裂纹扩展的阻碍作用,发现扭折角在阻碍裂纹扩展中起到更重要的作用。

关键词： 缝合复合材料   缝合设备   RTM   力学性能   失效模式  

摘要： 与传统复合材料层合板相比,缝合复合材料具有高损伤容限和优异的层间性能,被广泛应用在军工和民用领域。在缝合复合材料制备过程中,多采用机针无旋转情况下直接垂直或斜向刺入铺层织物中,在织物层厚度较大的情况下出现缝制困难甚至断针现象。缝合设备的局限性对大厚度缝合预制体的制备造成困难,因此需要开发一种可缝制大厚度预制体的缝合设备。本文设计了一种可变速的机针旋转式缝合设备,包括旋转式缝合机头装置、横向运动装置、纵向运动装置和缝料固定装置。采用可变速的机针旋转式缝合设备以0转/min直接穿刺和2000转/min旋转穿刺13层和25层织物,使用双合股碳纤维制备缝合预制体,缝合预制体的针行距均为5mm,并结合RTM复合成型工艺制备了两种厚度和两种机针运行方式的缝合复合材料。测试直刺式和旋转式缝合织物表层穿刺孔尺寸发现,旋转式穿刺孔面积大于直刺式。通过比较缝合线与穿刺孔的横截面积,探讨机针运行方式对缝合织物层内纤维弯曲的影响发现,同铺层数量下的缝合复合材料的纤维弯曲度基本一致。采用红外热成像仪观察直刺式和旋转式缝合织物层表面热量,探讨机针运行方式对缝合织物层内纤维的摩擦情况发现,旋转式缝合机针与纤维的摩擦作用大于直刺式缝合机针。对四种缝合复合材料进行拉伸、压缩、弯曲、层间剪切性能测试,采用非接触全场应变测量系统获取拉伸实验过程中的试样应变状态,采用数码电子显微镜和SEM扫描电镜观察试样失效形貌,并分析相应的失效模式。研究结果表明,13层铺层数量时,相比于直刺式缝合,旋转式缝合提高了复合材料的力学性能,尤其对拉伸性能的增强作用最明显,拉伸强度和模量分别提高了12.57%和12.24%。25层铺层数量时,直刺式与旋转式缝合复合材料的力学性能接近。缝合复合材料拉伸应变云图具有区域性特征,树脂富集区、纤维弯曲位置、无缝线织物层位置及面内缝线位置的应变值依次递减。

关键词： 模拟   相容性   力学性能   PBO   GQDs  

摘要： 聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维具有引人注目的力学性能和热稳定性,在航天等领域拥有美好的应用前景。美中不足的是PBO的实际强度与理论值存在较大差距,并且长时间光照会使其力学性能急剧下降。石墨烯量子点(GQDs)作为石墨烯的碎片,既拥有突出的力学性能,还拥有自己独特的分散性、紫外可见光吸收能力,是用来改性PBO的理想材料,但相关的研究鲜有报道。本论文使用Materials Studio,分别建立GQDs单胞模型、PBO单胞模型以及GQDs/PBO纳米复合材料单胞模型并进行优化以接近真实状况,之后分别进行以下模拟分析:分别计算不同温度下的GQDs、PBO的溶度参数,通过对比溶度参数差值确定二者相容性较好的温度;分别计算不同温度下的GQDs体系、PBO体系以及GQDs/PBO纳米复合材料体系的能量,计算得到GQDs与PBO的结合能,确定结合能最高的温度点为共混温度,并与溶度参数法确定的温度进行对比,从而确定制备GQDs/PBO纳米复合材料的最佳温度为180℃。在确定最佳共混温度后,建立不同质量分数的GQDs/PBO纳米复合材料的单胞模型并进行优化,使其处于较接近真实的状态,计算每个体系的力学性能。计算结果表明,当GQDs的加入量为1.5 wt%时,复合材料杨氏模量增强效果最明显,E、E、E分别提高21.1%、72.1%、82.7%;体系的非键相互作用能和势能均表现出明显增加,表明GQDs的加入增强了复合材料的原子间相互作用。对GQDs加入量为2 wt%的体系分别施加不同的应变进行力学性能研究,发现随着应变的增加,各主方向的杨氏模量降低,且对E的影响最为明显。

关键词： 平面三向织物   复合材料   梯形撕裂   偏轴拉伸   顶破   有限元模拟  

摘要： 织物增强柔性复合材料是由织物增强体和柔性基体复合而成,较好的满足了材料对质地轻、强度高、韧性和柔性好的要求,被广泛应用于军工、建筑和安全防护等领域。织物增强柔性复合材料的力学性能取决于增强体织物,因此,开发新型结构的织物成为科研人员和工程技术人员研究的主要目标。平面三向织物是由同一平面内三组纱线彼此以一定角度交织而成(通常以60°交织),具有机械性能准各向同性、结构稳定性好、抗撕裂强度高和抗顶破性能好等特点,在对机械性能各向同性要求较高的织物增强柔性复合材料领域具有明显的优势,如橡胶隔膜。因此,本文以平面三向织物增强橡胶复合材料为研究对象,采用实验方法和有限元分析方法研究该材料的力学性能,并与平纹织物增强橡胶复合材料进行对比,该研究为平面三向织物在柔性复合材料增强体上的应用奠定基础。本文具体研究内容如下:(1)平面三向织物增强橡胶复合材料的制备。本文采用186.67tex锦纶66工业长丝织造了平面三向织物,并与丁腈橡胶混炼胶复合制备平面三向织物增强橡胶复合材料。根据平面三向织物中锦纶66长丝的截面形状及几何路径,建立平面三向织物增强橡胶复合材料的有限元分析模型。(2)平面三向织物增强橡胶复合材料拉伸性能。论文对以平面三向织物增强橡胶复合材料的某一组纱线为基准,沿逆时针方向偏离基准0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°等7个方向的进行拉伸,分析了偏轴角度和试样形状(长方形和哑铃形)对平面三向织物增强橡胶复合材料拉伸性能的影响。研究结果表明:平面三向织物增强橡胶复合材料沿各个偏轴方向拉伸破坏沿纱线方向扩展,其破坏特征为拉伸-剪切耦合型破坏;相对于长方形试样,哑铃形试样具有较高的拉伸断裂强度,且损伤位置远离夹具;与平纹织物增强橡胶复合材料相比,平面三向织物增强橡胶复合材料在拉伸性能上具有各向同性的特点,适用于对各向同性要求较高应用领域。(3)平面三向织物增强橡胶复合材料撕裂性能。论文研究了平面三向织物增强橡胶复合材料撕裂性能,包括预切口沿纱线方向和预切口沿任意两组纱线角平分线两种情况,分析了撕裂过程中的撕裂载荷的变化规律及撕裂破坏特征。研究表明:平面三向织物及其增强橡胶复合材料的撕裂过程可分为初始阶段、预切口张开阶段和撕裂口扩展阶段等三个阶段,分别与撕裂载荷-位移曲线低模量区、高模量区和震荡区相对应;预切口与纱线平行时,平面三向织物及其增强橡胶复合材料具有较高的撕裂载荷和较大撕裂起始位置。(4)平面三向织物增强橡胶复合材料顶破性能。论文研究了冲头形状、冲头与试样接触位置对试样顶破性能的影响。研究表明:钝的冲头产生较大的顶破载荷及载荷-位移曲线斜率,较小初始损伤位移;橡胶基体有效提高了平面三向织物的顶破破坏载荷,减小了试样的损伤区域,平面三向织物与平面三向织物增强橡胶复合材料的初始损伤位移基本一致;在三种冲头作用下,冲头与平面三向织物增强橡胶复合材料的接触位置对载荷位移曲线及损伤形貌基本没有影响;相对于平纹织物,平面三向织物具有较高的载荷-位移曲线斜率和破坏载荷,较低的初始损伤位移,表现出较好的结构稳定性;由于橡胶基体对织物中纱线的固结作用,平面三向织物增强橡胶复合材料与平纹织物增强橡胶复合材料顶破载荷-位移曲线及损伤特征基本一致。平面三向织物增强橡胶复合材料偏轴拉伸、撕裂和顶破性能的有限元模拟结果与实验测试结果吻合度较高,验证了平面三向织物增强橡胶复合材料有限元模型合理性及参数设置的正确性。

关键词： 二维褶皱材料   第一性原理计算   力学性质   泊松比   形变机理  

摘要： 黑磷是后硅时代极具代表的二维半导体材料,一出现就由于其优异的电子性质在纳米电子器件领域极具竞争力。随后,由于黑磷的成功制备,以及被实验证实具有本征负泊松比性质,更使得黑磷具有将医学微型传感器和国防设备的应用扩展到纳米尺度的可能性。理论研究表明黑磷的负泊松比来自于它独特的褶皱结构。由于具有类似于黑磷的褶皱结构,二维半导体材料(包括单层W-Sb、aW-Sb、SiS、SiSe和SnTe)的力学性质,特别是泊松比值得研究。本论文使用第一性原理计算对上述二维褶皱材料的力学性质进行系统的计算,结果表明二维褶皱材料中单层SiS、SiSe、SnTe和W-Sb具有负的平面外泊松比,而单层aW-Sb不具有。特别是单层SiSe在x方向(vzx=-0.466)和y方向(vzy=-0.413)的单轴应变下具有较大的负泊松比,是单层黑磷(vzy=-0.027)的15倍。这种大的负泊松比材料有望提高微传感器的灵敏度和国防装备的防护性能。通过对褶皱结构材料施加单轴应力,可以改变单层SiSe和SnTe的相结构及其泊松比的符号,这是设计可调节负泊松比材料的一个可行途径。在本论文研究的基础上,参考之前关于二维褶皱材料的文献提出了一种适用于二维褶皱结构(包括单层BP、As、Sb、SiS、SiSe、GeS、GeSe、SnS、SnSe和SnTe)的本征负泊松比的形变机理,为之后同类型结构的研究提供理论基础,具有很高的借鉴价值。

关键词： 黄麻纤维   复合材料   热重分析   力学性能   吸音降噪  

摘要： 近年来,随着汽车行业不断的发展,汽车轻量化一直作为汽车工业主要发展主题之一。汽车材料轻量化是目前实现汽车轻量化的主要方式之一。黄麻纤维增强聚丙烯复合材料(JF/PP)具有价格低廉、质量轻、力学性能优异及吸音降噪效果明显等特点,作为一种新型复合材料被广泛应用在当今汽车内饰零部件中。本文以天然黄麻纤维为基体增强材料并对其进行改性处理,分析黄麻纤维改性前后热稳定性,探讨了黄麻纤维表面改性的微观变化与机理研究,通过挤压-注塑成型方式制备了性能优异的车用JF/PP复合材料。分析了不同黄麻纤维质量含量下其力学性能与吸声系数变化,和在相同黄麻纤维质量含量下麻纤维改性前后JF/PP复合材料的力学性能与吸声系数性能对比。本文的主要的研究内容如下:(1)对经氨基硅油处理前后的麻纤维进行麻纤维羟基值测定、接触角测试与热重分析,结果表明:经过氨基硅油改性处理的黄麻纤维其羟基减少了64.4%,麻纤维改性前接触角为0°,改性后接触角为126°,麻纤维由吸水性改为疏水性。当麻纤维失重率为5%时,未经过处理的黄麻纤维失重温度为95.4℃,而经过氨基硅油处理的麻纤维失重温度为256.2℃,麻纤维改性前后失重10%时的温度分别为276.8℃和287.8℃,黄麻纤维经过氨基硅油处理后,有效提高麻纤维增强聚丙烯复合材料制备过程中的热稳定性。(2)针对不同黄麻纤维含量下的黄麻纤维增强聚丙烯车身复合材料板材进行拉伸弯曲力学性能测试和吸声系数测试,得到了不同黄麻纤维含量下复合板材的拉伸弯曲性能和吸声系数。结果表明:JF/PP复合材料的弯曲强度,拉伸强度等力学性能均高于纯聚丙烯材料,且随着纤维含量的增加而增加,改性后的JF/PP复合材料比未改性的JF/PP复合材料,在5wt%、10wt%、15wt%、20wt%下拉伸性能增强了16.7%,18.0%,23.8%,27.3%,弯曲强度增强了8.0%,12.0%,13.3%,15.2%。,且在纤维含量在20wt%下,改性前后JF/PP比纯聚丙烯在拉伸强度和分别增加了29.4%和64.7%。弯曲强度分别增加32.1%和52.2%。(3)经过阻抗管吸声系数测试表明:JF/PP复合材料的吸声系数随着纤维含量的增加而提高,当黄麻纤维在JF/PP复合材料质量占20wt%时,麻纤维经过氨基硅油改性前后注塑加工的复合材料平均吸声系数达到最大值分别为0.35和0.4435,与纯聚丙烯基体材料相比,分别提高了71.6%和120%。且改性后的比未改性的JF/PP复合材料吸声系数显著提高。