教学课程资源库 更多>>

关键词： ANSYS   材料力学   铰接杆   分析  

摘要： ANSYS是世界上著名的大型通用有限元分析软件,也是中国用户最多、应用最广泛的有限元分析软件,它融结构、热、流体、电磁、声学多专业的分析于一体,可广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航空航天、汽车交通、电子、土木工程、水利、铁道等各种工业设计和科学研究。ANSYS通过实体建模、网格划分、加载求解后,在后处理中,不仅可以显示其计算的结果,还可以显示各种图(如变形图、应力图等)。材料力学是力学专业的基础课,但对于其专业的学生来说,要想完全理解和领会材料力学中的抽象的力学现象和概念是很难的。因此在材料力学中引入ANSYS可加深理解。

关键词： 氦泡   CLAM钢   分子动力学   有限元分析   力学性能  

摘要： 由于氦不溶于材料基体,随着基体中产生氦量的增加或通过适当的氦原子迁移,基体中的氦原子将会在空位、位错和晶界处聚集、沉淀,形成氦-空位(He-V)团,乃至形成纳米尺度的析出相——氦泡。材料中形成的氦泡会导致反应堆材料出现空洞肿胀,使材料发生脆化或表面出现泡状,变得粗糙,从而使得材料的宏观性能下降。因此,氦在材料中的产生和演变受到了很大关注。 本文首先采用分子动力学的方法,选取Beck势函数对氦进行了单向拉伸试验的计算机模拟,并对氦的杨氏模量进行了求解计算；随后又通过求解氦的能量晶格关系曲线,并进行多项式拟合,求解氦的体弹模量；最后通过杨氏模量、体弹模量、柏松比三者之间的相互关系求解出氦的柏松比,并对计算方法进行了验证。接下来,建立晶界附近内嵌不同尺寸氦泡的CLAM钢的二维有限元模型,并进行了精细的网格划分,模拟计算了材料在单向拉伸载荷逐步作用下,其应力应变关系的变化,弹塑性的转变,氦泡尺寸对材料力学性能的影响等问题。计算结果被绘制成应力应变关系曲线和应变集中因子应变曲线,通过对比分析得出了氦泡尺寸对材料性能的影响以及氦泡对延伸率的影响等结论。最后,在二维模型的基础之上,建立了三维有限元模型,并绘制了不同氦泡尺寸的应力-应变曲线,进行了进一步的分析和对比。

关键词： HFRP混凝土   砼粘接面   材料力学   有限元分析  

摘要： 混凝土结构抗裂和跨越能力是永恒的追求。本研究基于混凝土结构破坏过程与裂纹萌生发展的因果关系,提出裂纹主动控制内涵,从延缓混凝土开裂、阻止裂纹扩展、避免界面开裂、提高结构综合力学性能考虑,研究具有卓越抗裂性能和承载性能的HFRP-混凝土复合新结构,促进混凝土结构向轻型、大跨发展。本研究主要内容包括：　　⑴针对现有混凝土结构裂纹控制方法与实际工作状态缺乏联系和裂纹控制缺乏理论指导的问题,提出了“释裂”、“阻裂”和“抗裂”三种混凝土结构裂纹主动控制方法,通过理论和试验研究三种裂纹控制方法的力学原理,提出了基于裂纹主动控制思想的新型混凝土复合结构。研究了循环荷载作用下钢筋混凝土梁的刚度退化。试验表明,当“释裂”荷载不超过结构屈服荷载的0.7~0.8倍时,循环荷载作用下结构塑性位移将收敛,开裂结构仍具有良好的刚度特性。结合“释裂”和“阻裂”裂纹控制方法,获得了一种“抗裂”预应力混凝土复合梁,给出了复合梁预应力计算公式。“抗裂”复合梁预应力的分布自然优化,预应力损失小。论文提出的裂纹控制方法同样适用于旧结构加固。　　⑵分析了混凝土复合结构对阻裂增强层材料闭合力和延性性能的要求,结合试验研究和有限元分析,给出了强度、杨氏模量以及断裂延伸率正混杂效应系数综合评定指标,获得优选的HFRP复合材料铺层设计,并采用四点弯曲试验研究了HFRP铺层设计的阻裂增强效果。研究表明,GFRP/CFRP层间混杂HFRP断裂延伸率、强度和杨氏模量混杂效应系数均大幅度提高,HFRP具有显著的阻裂增强作用。采用有限元方法对复合梁的止裂高度进行了模拟,结果与试验吻合。与普通混凝土梁相比,HFRP-混凝土复合梁开裂荷载和极限荷载均得到大幅度提高,裂纹高度和宽度发展慢,达到裂纹基本出齐阶段晚,具有卓越的抗裂能力、承载性能和刚度特性。　　⑶开展了HFRP-砼和钢筋-砼粘接界面性能研究,提出了界面“强粘接”和“弱粘接”概念,揭示了界面粘接破坏机理,在此基础上提出粘接界面层力学性能要求。通过大量试验得到了满足界面力学性能要求且性价比高的界面粘接胶。利用设计的界面双剪试验,研究了HFRP-砼中混凝土界面糙化、界面剂、固化压力和固化温度对界面剪切性能的影响,获得了具有优良力学性能的HFRP-砼界面处理方法,界面剪切强度极大提高。通过四点弯曲试验和有限元分析,表明论文提出的界面粘接技术能够显著改善结构的宏观力学性能。提出了钢筋混凝土梁中钢筋闭合力阻裂机理,得到了钢筋应力和钢筋-砼界面剪应力的关系。通过理论分析、有限元计算和试验,研究了钢筋-砼界面剥离与结构力学性能之间的关系,提出了通过改善钢筋-砼界面粘接性能提高结构宏观力学性能的方法。　　⑷基于前述研究成果,设计了三种新型HFRP-钢筋混凝土抗弯复合梁,并试验研究了这些复合梁的抗弯承载性能、弯曲刚度、裂纹分布规律、破坏形态以及二次承载性能,在普通钢筋混凝土梁中首次实现了预应力,探讨了基于裂纹控制方法的HFRP-钢筋混凝土复合梁抗弯设计中的几个关键问题。试验表明,裂纹主动控制方法能极大改善混凝土结构力学性能。新型 HFRP-钢筋混凝土梁中,HFRP-砼未在较低的承载力下剥离,HFRP未因HFRP-砼界面剥离耗散能量之前就断裂,达到一种动态平衡状态,结构承载能力和延性极大改善,界面粘接性能研究成果得到了验证。　　⑸分析了HFRP约束混凝土柱延性改善原理,提出了FRP约束柱延性系数计算方法,通过试验得到了HFRP约束柱强度和延性的正混杂效应。试验中发现了FRP约束柱的弱约束现象,提出了强约束柱和弱约束柱概念,给出了不同类型FRP约束柱强度公式,并根据矩形截面约束柱试验结果提出了弱约束柱应力-应变关系模型。研究表明,HFRP约束圆柱和方柱都是强约束,强度和延性较单一FRP约束柱极大改善。

关键词： 纳米材料   晶体学特性   热力学特性   力学特性   尺寸效应  

摘要： 尺寸效应是纳米材料研究的热点和难点问题,它是材料宏观特性与微观结构的桥梁。因此,在全世界范围内开展了大量的研究。目前,该领域的研究通常都是以材料的某一特性为研究对象,通过建立不同的理论模型和实验验证,研究纳米材料的尺寸效应。少量的研究涉及了材料某些特定参数之间的关系,如熵、焓、熔点等。本论文深入而系统的探讨了金属纳米材料的晶体学特性、动力学特性、热力学特性、力学特性和电阻率特性,取得了一些积极的成果。 本论文通过从理想晶体(原子间距为2r0,平均密度为ρ0)中取出半径为R0的球形晶粒,形成纳米粒子(原子间距为2r0,平均密度为ρ,粒子半径为R),构建了晶体材料纳米粒子键能变化的物理模型；通过计算由于纳米粒子表面原子键发生断裂而产生的表面能和由于纳米粒子发生晶格畸变而产生的畸变能,建立了晶体材料纳米粒子单位能量的变化(△W/W0)与纳米尺寸(R)的关系。 金属纳米粒子的单位能量的变化(△W/W0)与纳米尺寸(R)均呈现近似的反比例关系,尺寸越小其单位能量的变化越大。当纳米尺寸为2nm时,Co、Ni、Au和W纳米粒子的单位能量的变化分别为10.5%、9.56%、9.18%和10.9%；当尺寸为20nm时,分别为1.88%、2.16%、1.75%和2.07%；当尺寸为达到50nm时,分别为1.31%、1.67%、1.26%和1.48%。晶体结构对金属纳米粒子的单位能量的变化有明显的影响。 研究了金属纳米材料晶格常数、晶格畸变、晶体密度、弹性模量、杨氏模量和表面张力等晶体学、力学参数与纳米尺寸的关系。研究结果表明,金属纳米材料晶体学和力学参数均随尺寸的减小而增加,当纳米尺寸较小时,呈线性关系急剧增加；当纳米尺寸在50nm以上时,晶体学和力学参数值变化不大。 探讨了金属纳米材料熔点、结合能、吉布斯自由能、熵、焓、空位形成能和扩散激活能等热力学、动力学参数与纳米尺寸的关系。研究结果表明,吉布斯自由能包含两部分能量：一部分是能够用来做功的部分即焓,另一部分是不能用来做功的部分(热损耗)即熵。熵变非常小时,金属纳米材料的焓变与其熔点具有近似的正比例关系。也就是说,当熵变近似为零时,焓变近似等于吉布斯自由能的变化。 讨论了晶体材料纳米粒子单位能量的变化与纳米尺寸的关系,以及纳米材料晶体学参数、力学参数和热力学参数之间的关系。研究表明,在微观上纳米材料特性参数与键能有直接的联系,表现在宏观上纳米材料特性参数之间也具有错综复杂的关系,因此通过材料的某一特性即可以计算出其它相关特性。 初步探索了纳米材料电阻率、互扩散激活能与纳米尺寸关系,以及形状对纳米材料特性的影响。研究结果表明,键能变化的物理模型能够较好的反映纳米尺寸对性能的影响,与实验结果相吻合。

关键词： 复合材料   胶原蛋白   几丁聚糖   材料力学  

摘要： 胶原蛋白和壳聚糖均是从动物体中提取的天然高分子材料，具有优异的生物降解性和生物相容性，在生物医药领域具有广泛的应用。但是，胶原蛋白存在机械强度低、亲水性强等性能缺陷，壳聚糖也存在加工成型性差、亲水性差、早期粘附性差等缺陷。将胶原蛋白和壳聚糖进行复合，可以在一定程度上改善二者的性能缺陷，目前对胶原蛋白和壳聚糖进行复合改性是医用材料研究领域的热点。本文首先采用物理共混法制备胶原/壳聚糖复合材料，并对其性能进行了研究，重点采用水性聚氨酯嵌段对胶原蛋白和壳聚糖进行复合改性，研究了复合物的性能，并与物理共混法制备的胶原蛋白/壳聚糖复合材料的性能进行了比较研究。　　本研究主要内容包括：⑴采用溶剂挥发物理法，制备了系列胶原蛋白/壳聚糖共混材料，红外光谱分析表明：共混材料中胶原蛋白和壳聚糖之间有较强的相互作用。随着壳聚糖含量的减小，胶原蛋白/壳聚糖共混溶液的黏度逐渐减小。共混膜具有较好的亲水性和降解性。共混膜玻璃化转变温度低于胶原蛋白和壳聚糖的玻璃化转变温度。胶原蛋白/壳聚糖共混膜的断面比壳聚糖膜的断面更加整齐光滑，脆性更大。⑵以2,4-甲苯二异氰酸酯(TDI)、聚醚二元醇(DL-2000)以及酒石酸为原料，首先制备出水性聚氨酯弹性体，然后将水性聚氨酯弹性体与胶原蛋白交联反应合成端异氰酸酯基的预聚体，再与壳聚糖进行交联反应，得到胶原蛋白/壳聚糖复合材料。红外光谱表明胶原蛋白与壳聚糖之间建立了稳定的化学结合。当胶原蛋白的含量为17％时，复合乳液的稳定性最好。随着壳聚糖含量的增加，乳液的黏度先减小后增加。⑶随着壳聚糖含量的增加，化学交联的胶原蛋白/壳聚糖复合膜的玻璃化转变温度逐渐增加，其中TCCPU32的玻璃化转变温度为85.3℃，TCCPU35的玻璃化转变温度为108.6℃。⑷干态化学交联胶原/壳聚糖复合膜的拉伸强度最大可达22MPa，湿态化学交联胶原/壳聚糖复合膜的断裂伸长率最大可达132%，具备了较好的力学性能。随着壳聚糖含量的增加，化学交联胶原蛋白/壳聚糖复合膜的拉伸强度首先增大然后慢慢趋于平稳，干态断裂伸长率逐渐增加，湿态断裂伸长率先增加后减小。物理共混胶原/壳聚糖材料由于脆性大，无法进行力学性能（拉伸强度、断裂伸长率）的测定。⑸吸水率研究表明，化学交联法胶原/壳聚糖膜由于在制备过程中在胶原蛋白与壳聚糖之间引入亲水性较差的聚氨酯，所以亲水性小于物理共混胶原/壳聚糖膜。⑹体外降解实验研究表明，化学交联胶原/壳聚糖复合膜具有良好的降解性能，其失重率大于壳聚糖膜，但是小于物理共混胶原/壳聚糖。⑺化学交联胶原/壳聚糖复合膜的断面整体呈现粗糙，有韧性断裂痕迹。与物理共混膜和壳聚糖膜相比，化学交联胶原/壳聚糖复合膜的韧性和可塑性都得到明显提升，改善了物理共混膜和壳聚糖膜的脆性缺陷。可见，化学交联胶原/壳聚糖复合膜具备了较好的力学性能。

ISBN: (纸本)9787302379225

关键词： 材料力学   教学改革   工科  

摘要： 针对工科专业学生面向实际工程应用的特点,在材料力学教学过程中,随着学科和工程实际的发展,不断调整教学内容,改进教学与考核手段,培养学生解决实际问题的能力。实践表明,这些举措对材料力学教学创新不断深入,提高教学质量有一定的价值。

关键词： 材料力学-高等学校-教材  

摘要： 本书可作为高等院校工科力学专业、水利、土木类专业及其他专业的材料力学教材或参考书

关键词： 钢基岩石复合材料   力学性能   强度   韧性  

摘要： 采用试验方法研究了钢基体类型、钢含量、块石类型等因素对钢基岩石复合材料(SRC)抗压性能的影响规律。试验结果表明,提高钢基体材料的强度、增加钢含量以及提高块石的强度,都能够提高其抗压屈服强度和极限强度。钢基岩石复合材料表现出类似于钢的力学特征,材料屈服后呈现出应变强化材料的特征,材料的极限抗压强度高达230 MPa以上,是一种性能优异的工程防护材料。

关键词： 机织复合材料   力学性能   解析法   多尺度计算   强度  

摘要： 与传统层合复合材料相比，机织复合材料不仅保持了轻质高强的优势，更在改进层间层内强度、结构可设计性和制造成本等方面具有巨大的潜力，近年来，在航空航天、汽车、生物工程等领域得到了广泛的应用。为了在结构设计中充分发挥机织复合材料的优势，必须首先了解其力学性能。然而，机织复合材料的细观结构十分复杂，导致其力学性能的预测，尤其是强度预测，成为一项困难而又富有挑战性的工作。常规的计算方法可以归纳为参数传递式方法，即对纤维单丝尺度、纤维束尺度、单胞尺度依次进行分析。在每一级尺度下，都采用平均化的方法预测出材料的等效刚度和强度，并将计算结果输出到下一级尺度。在宏观载荷作用下，这类方法只能得到机织复合材料平均化的宏观力学性能，而无法同步获取纤维束尺度及纤维单丝尺度下的局部应力应变场，故无法揭示机织复合材料的失效机理及破坏过程。 本文提出了一种用于预测机织复合材料力学性能的新方法——多尺度关联方法。与传统的参数传递式方法不同，多尺度关联方法基于连续介质力学和均匀化理论，通过自下向上均匀化方法和自上向下应力分解方法，构建了各级尺度间的关联，实现多尺度同步分析。该方法充分考虑了影响机织复合材料力学性能的众多因素，如组分材料属性、纤维体积含量、纤维束交织方式、纤维束卷曲幅度、编织角度及制造误差等。在计算过程中，只需给出纤维和基体的材料属性及编织构型，无需测定纤维束或机织复合材料单层板的力学性能，这有利于减少试验量，为工程应用提供了极大方便。多尺度关联方法首先采用自下向上刚度均匀化方法，逐级预测出纤维单丝尺度、纤维束尺度、单胞尺度下材料的等效刚度矩阵。此后，基于连续介质力学及均匀化理论，构建了相邻尺度间的多尺度应力关联矩阵。在任意载荷作用下，可根据多尺度应力关联矩阵将单胞所受载荷自上向下进行分解，从而同步获取单胞尺度、纤维束尺度、纤维单丝尺度下的应力应变场。在失效分析时，充分考虑局部细观组分的损伤状态，当局部纤维或基体满足各自强度准则时认为该层纤维束中的该组分材料破坏，并对失效的组分材料进行相应的刚度折减。最后，由此计算得到机织复合材料的刚度、强度、初始失效及破坏过程。 本文采用多尺度关联方法对三轴编织、平纹机织、斜纹机织和缎纹机织复合材料的力学性能进行了计算，并进一步预测了机织复合材料层压板的刚度与强度。通过试验验证可知，该多尺度关联方法能够准确分析出试验过程中难以捕捉的失效机理和失效顺序，所采用的刚度折减方法也与试验结果吻合较好。对于难度较大的强度预报，本文虽然采用了最简便的细观失效准则，但仍然有着很高的计算精度，这充分验证了多尺度关联方法的正确性与可行性。同时，本文还研究了不同编织角、纤维束屈曲幅度及制造误差对机织复合材料力学性能的影响。结果表明，对于三轴编织复合材料，制造误差会导致其强度下降，且影响最大的是斜纤维束的制造缺陷。 由于多尺度关联方法具有较高的计算效率及计算精度，本文以此方法为理论依据，开发了首套基于多尺度关联方法的机织复合材料力学性能计算软件，适用于机织复合材料的结构分析及优化设计。该软件现已申请国家计算机软件著作权。