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关键词： 纳米材料   研究   材料力学  

ISBN: (数字)9787030515766 ISBN: (纸本)7030515766

摘要： 本书从AFAM的力学基础－接触力学出发，阐述了AFAM的原理和基础、准确度和灵敏度、粘弹性成像，以及AFAM的广泛应用。此外，还对正在兴起的多频原子力显微术进行了介绍。

关键词： 液固压力成形   Csf/Mg复合材料   数值均质法   两步平均场均质法   力学性能及变形行为  

摘要： 短切碳纤维增强镁基复合材料(Csf/Mg复合材料)具有高比强度、高比刚度、低热膨胀系数和优异的导电导热性能、耐磨性能、减振性能及高温性能,在航空、航天、汽车、国防及体育等领域具有广阔的应用前景。液固压力成形工艺是本课题组近年来提出的一种Csf/Mg复合材料成形新技术,其实质是在保护气体环境中对熔融镁合金基体施加一定的气压,使熔融镁合金基体均匀浸渗到纤维预制体中,并在外加机械压力的作用下结晶凝固,同时利用镁合金准固态期间变形抗力低、容易流动的特点,对镁基复合材料进行挤压致密,成形出高性能的Csf/Mg复合材料。Csf/Mg复合材料的力学性能及变形行为研究既可以为其工程应用提供理论参考,还可以对其制备提供理论指导,具有非常重要的基础研究意义和工程应用价值。由于实验测试法具有设备昂贵复杂、测试周期较长等缺点,因此可以采用数值模拟方法对Csf/Mg复合材料的力学性能及变形行为进行预测。Csf/Mg复合材料的力学性能及变形行为不仅与镁合金基体和短碳纤维的力学性能密切相关,还很大程度上取决于其微观组织结构。鉴于Csf/Mg复合材料的微观结构异常复杂,很难用传统的数值模拟方法对其力学性能及变形行为进行准确的预测,本研究采用数值均质法和两步平均场均质法对其力学性能和变形行为进行准确预测,并对其力学性能及变形行为的影响因素进行深入探讨。本文的主要研究内容如下:(1)液固压力成形Csf/Mg复合材料微观结构观测及力学性能测试。采用液固压力成形工艺制备Csf/Mg复合材料,并通过实验观测和测试其微观组织和力学性能。实验结果表明液固压力成形工艺制备的Csf/Mg复合材料中碳纤维分布均匀、没有明显的缺陷、微观组织致密、纤维/基体界面结合强度适中;碳纤维的加入大幅度地提高了镁合金基体的弹性模量和抗拉强度,而显著降低了其断裂延伸率和热膨胀系数。Csf/Mg复合材料的微观结构观测及力学性能测试为后续对其力学性能及变形行为的预测奠定了基础,既可以为数值均质法和两步法平均场均质法的假设条件提供实验支撑,还可以用来验证数值均质法和两步平均场均质法的预测准确性。(2)基于数值均质法的Csf/Mg复合材料力学性能预测。根据观测的微观结构,采用改进的随机顺序吸附法创建了Csf/Mg复合材料的周期性代表性体胞单元;基于周期性边界条件对创建的周期性代表性体胞单元的微观场变量进行有限元求解,进而预测了Csf/Mg复合材料的力学性能。通过与实验测试法和Halpin-Tsai模型对比,验证了数值均质法预测Csf/Mg复合材料力学性能的准确性。采用数值均质法预测的力学性能可以视为Csf/Mg复合材料的标准力学性能,因而可以采用数值均质法对两步平均场均质法的准确性进行验证。(3)Csf/Mg复合材料热-弹性性能的两步平均场均质预测。根据纤维取向分布特征,将液固压力成形Csf/Mg复合材料分解成一系列的颗粒单元;采用平均场均质模型对分解的颗粒单元的热-弹性性能进行预测及对所有颗粒单元热-弹性性能进行取向平均,建立了M-T/Voigt、M-T/Reuss、D-I/Voigt、D-I/Reuss和Q-I/S-I两步平均场均质模型,并给出其数值执行算法。M-T/Voigt、M-T/Reuss、D-I/Voigt、D-I/Reuss和Q-I/S-I两步平均场均质模型均可以准确地预测Csf/Mg复合材料热-弹性性能,而Q-I/S-I模型预测的热-弹性性能最接近于其标准的热-弹性性能。(4)Csf/Mg复合材料弹塑性变形行为的两步平均场均质预测。将割线形式及切线形式的材料本构模型与两步平均场均质模型进行耦合,建立了一阶矩和二阶矩割线形式及切线形式的M-T/Voigt、M-T/Reuss、D-I/Voigt和D-I/Reuss两步平均场均质模型,并给出了这些模型的数值执行算法,对Csf/Mg复合材料弹塑性变形行为进行预测。通过与数值均质法和实验测试法进行对比,验证了二阶矩割线形式及切线形式的M-T/Voigt和D-I/Voigt两步平均场均质模型的预测准确性。割线形式的两步平均场均质模型只能预测Csf/Mg复合材料的单轴拉伸及剪切变形行为,而切线形式的两步平均场均质模型可以预测其单轴拉伸、剪切及循环加载变形行为。(5)Csf/Mg复合材料高温弹性性能的两步平均场均质法预测。基于材料本构法对液态镁合金相进行等效弹性处理,并将高温液固态下Csf/Mg复合材料分解成短碳纤维增强固相镁合金复合材料和液相镁合金增强固相镁合金复合材料,建立了预测Csf/Mg复合材料的高温弹性性能的Q-I/S-I两步平均场均质模型;通过与数值均质法进行比较,验证了Q-I/S-I两步平均场均质模型的预测Csf/Mg复合材料的高温弹性性能的准确性。(6)Csf/Mg复合材料力学性能及变形行为影响因素的研究。采用Q-I/S-I两步平均

关键词： 材料力学实验   建构主义   工程能力培养   教学模式改革  

摘要： 文章分析了传统材料力学实验教学模式存在的问题与原因,并以现代建构主义教学观为指导进行了面向工程实践能力培养的教学改革,通过情景教学、鼓励讨论、标准学习等方法切实培养了学生的创新精神和工程实践能力.

关键词： 级配碎石   CBR   三轴试验   摩尔-库伦准则   永久变形  

摘要： 路面结构层中常用的半刚性基层在使用过程中出现了受温度、湿度影响大,超载后破坏较快,易产生反射裂缝等缺点。我国研究人员已经开始着重研究排水效果更好、能有效控制反射裂缝的级配碎石柔性基层。本文通过对7种级配碎石进行CBR试验、三轴剪切试验和永久变形试验研究了作为基层材料级配碎石的应力分布,CBR强度以及其影响因素,三轴抗剪强度和变形特性,为级配碎石基层的推广提供技术支持。本文选用石灰岩作为试验材料,在验证其基础性能的满足材料使用要求的前提下,设计了7种级配碎石,并通过击实试验确定了材料的最佳含水率和最大干密度。然后,通过ABAQUS有限元软件计算半刚性基层和柔性基层两种类型的路面结构层,分析其的受力特点上的差异。结合当前国内外研究成果和力学经验设计方法,设计了34种常用的粒料基层路面结构,对34种路面结构进行三维有限元模拟计算,确定了柔性基层、底基层内的第三主应力分布规律和分布范围。根据计算结果确定实验室永久变形试验的应力水平。其次,进行CBR试验,通过CBR值,筛选出符合规范要求的4种级配,分别用于各等级公路的基层和底基层。研究CBR与级配碎石级配的关系,结果表明:CBR与级配曲线、细度模数以及平均粒径有一定的关系。为满足CBR要求,级配碎石可参考以上参数进行设计。对7种级配碎石在最佳含水率下进行进行三轴剪切试验,研究三轴试验参数与CBR之间的关系。对筛选出的4种级配碎石在不同含水率和压实度下进项三轴试验,以摩尔-库伦强度准则为基础确定级配碎石的破坏准则,分析了摩尔-库伦参数的与含水率和压实度的关系。在以上模拟计算和试验的基础上进行级配碎石永久变形试验。通过试验发现级配碎石的弹性变形为级配碎石本身的特性,含水率对级配碎石弹性变形有一定影响。级配碎石的含水率、围压和偏应力对级配碎石的塑性变形影响显著。在实际级配碎石柔性基层中,对基层内的含水率和超载情况的严格控制可以有效地防止级配碎石发生破坏。

关键词： 四枚缎纹编织复合材料   单轴拉伸强度试验   低周循环试验   面内剪切试验   四点弯曲试验   细观结构   单胞多尺度有限元分析  

摘要： 织物复合材料具有超强的可设计性、均匀的面内性能、结构的稳定性,作为一种高性能复合材料,广泛应用于航空航天、船舶、汽车、建筑等领域。本文以四枚缎纹织物复合材料为研究对象,运用试验和有限元数值计算等方法对织物复合材料的力学行为进行了研究。主要内容包括单轴拉伸强度试验研究、单轴拉伸循环试验研究、面内剪切试验研究、四点弯曲试验研究以及单胞结构多尺度有限元数值分析。首先,对四枚缎纹编织复合材料进行了单轴拉伸强度试验和低周循环拉伸试验。针对具有波浪状表面的编织材料,提出了用每根纱线能承受的拉断强力和单位宽度所能承受的拉断强力来表征材料的强度。在低周循环试验中,分别研究了织物材料的初次加载弹性模量和后续加载弹性模量,并考察了在不同循环次数下,滞回环面积的变换情况。试验结果对材料的工程设计具有参考价值。其次,为研究四枚缎纹编织复合材料的面内剪切性能,首次设计并制作了适用于极薄复合材料面内剪切测试的夹具,并提出了相应的试验方案。试验得到了复合材料的面内剪切刚度。再次,对四枚缎纹编织复合材料进行了四点弯曲试验。得到了材料的弯曲刚度和失效时的曲率,结果表明同一种编织密度的复合材料的经、纬向试件在发生失效时的曲率基本一致。最后,采用金相显微照相技术,得到了四枚缎纹编织复合材料的横截面细观结构图像;基于对图像的分析,得到了四枚缎纹编织结构纱线束截面几何形状尺寸、纱线束间距、材料厚度等信息,并以此为依据建立单胞有限元模型。采用域分解方法对整体域和纤维域在空间位置和网格节点进行耦合,在整体域边界上施加周期性边界条件,保证了有限元单胞模型的变形协调和位移连续。通过对单胞模型施加单位应变,数值计算了单胞模型的刚度矩阵,并利用试验结果验证刚度矩阵的主对角元素。最后利用得刚度矩阵数值计算了相应结构的力学响应。

关键词： 动力学   研究   材料力学  

ISBN: (数字)9787312040993 ISBN: (纸本)9787312040993

摘要： 本书包括三个方面的内容：第一篇讨论材料的容变律。当载荷应力L幅值远高于材料抗剪强度S时，材料畸变律可以忽略不计而可近似按流体处理，容变律也相应地常常被称为固体高压状态方程。第二篇讨论材料的动态畸变律，依次讨论以计及应变率效应为特征的材料宏观率型畸变律、以位错动力学为核心的微观物理机制，以及基于应力波理论的动态实验研究。最后一篇讨论材料基于动态损伤演化所导致的动态破坏，包括无裂纹体以层裂为代表的卸载破坏，裂纹体以单裂纹失稳为主导的裂纹动力学、及基于多源裂纹动态演化的动态碎裂，以及以绝热剪切作为典型的微损伤形式之一为中心、进而讨论一般形式微损伤的动态演化规律。本书力图采用宏观连续介质力学与热力学相  更多...

关键词： 金属材料   力学性能   辐照硬化效应  

摘要： 如果收到长时间的辐射,金属材料当中的原子极有可能出现位移,同时在核反应过程中也会产生大量的杂质气体譬如说氢气、氦气等等,其均会在一定程度上影响到金属材料的性能。因此研究金属材料力学性能的辐照硬化效应研究不仅对于提高金属材料性能有着积极的帮助作用,同时对于研究和设计抗辐射材料也发挥着至关重要的影响作用。因此文本将通过简单介绍金属力学性能以及辐照硬化的相关概念,基于当前现有的研究理论,尝试对金属材料力学性能的辐照硬化效应进行简要分析研究。

关键词： 空间结构复合材料   均匀复合材料   压缩   三点弯曲   有限元模拟  

摘要： 传统陶瓷颗粒增强金属基复合材料(MMCs)将颗粒弥散分布于基体中,能一定程度提高材料的强度和耐磨性,但不能最大程度的发挥不同组分间的协同作用。将MMCs分隔为在空间均匀分布的增强颗粒富集区(复合材料区)和纯基体区(韧性区),进行空间结构韧化,是提高其性能的新途径。本文利用挤压铸造方法制备了空间结构氧化锆增韧氧化铝(ZTA)陶瓷颗粒增强40Cr钢基复合材料,并研究了复合区体积分数为45%时,圆柱、四棱柱、六棱柱三种连续空间结构形式对复合材料力学性能的影响,同时利用有限元模拟了结构复合材料内部的应力应变分布规律。研究发现,利用挤压铸造法成功制备出的空间结构复合材料内部为MMCs区与纯基体区的三维互穿网络结构,两者之间复合良好,无缩松缩孔等缺陷。MMCs区内陶瓷颗粒与金属基体复合致密,无粘结剂残留亦无缺陷产生,所有复合材料组织致密、均匀,成型度高。经计算机ANSYS有限元对不同空间结构复合材料进行压缩及三点弯曲受力变形模拟分析,可知六棱柱三维互穿结构复合材料(六棱柱3D-MMCs/steel复合材料)与四棱柱三维互穿结构复合材料(四棱柱3D-MMCs/steel复合材料)受到载荷作用时因具有尖角效应易于出现应力与应变能集中现象;而圆柱三维互穿结构复合材料(圆柱3D-MMCs/steel复合材料)受载荷作用时应力与应变能均最小且分布最为均匀无明显集中现象,因此圆柱3D-MMCs/steel复合材料具有更好的强度和失效应变。空间结构复合材料在压缩与三点弯曲性能试验中均为圆柱3D-MMCs/steel复合材料性能最为优异,与计算机ANSYS有限元模拟结果相吻合。实验中圆柱3D-MMCs/steel复合材料的抗压强度达到900MPa,应变量为19.1%;抗弯强度达到706MPa,应变量为5.9%。与均匀复合材料、六棱柱3D-MMCs/steel复合材料、四棱柱3D-MMCs/steel复合材料相比抗压强度依次提高47%、26.76%、10.84%;抗弯强度依次提高89.78%、18.06%、3.82%。空间结构复合材料在受力开裂过程中因钢基结构对裂纹扩展起到阻碍和转向作用而在性能上比均匀复合材料具有优势。空间结构中四棱柱与六棱柱结构因具有尖角效应,所以性能上与圆柱结构有一定差距。空间结构复合材料具有三维井字形互穿网络,在结构上会形成钢基区与MMCs区的互锁效应,因而具有较好力学性能。本文将计算机ANSYS有限元模拟与实际力学性能测试结果相结合,揭示了空间结构分布方式对复合材料力学行为的影响规律,为今后优化金属基复合材料的空间结构形式提供有力依据。

关键词： 纳米粒子   复合材料   力学性能   微观影响因素  

摘要： 本文主要研究了纳米粒子增强聚合物基复合材料力学性能的微观影响因素。首先,基于Mori-Tanaka理论,预测考虑界面相作用影响的纳米粒子增强聚合物基复合材料的有效弹性模量;并采用Materials Studio软件,结合分子动力学原理对考虑界面相作用的聚合物基纳米复合材料的力学性能进行模拟研究。比较理论预测与分子动力学模拟结果,探讨界面层厚度、纳米粒子粒径及体积分数对纳米复合材料力学性能的影响。

关键词： 离散位错动力学   微拉伸   纳米压痕   铜晶体   力学特性  

摘要： 近年来,随着航空航天、精密机械等产业的迅猛发展,对微机电系统需求量大幅增加,同时也对微机电系统提出了更高的性能要求。铜晶体材料被广泛应用在微机电系统中作为基本构件,其尺寸在微米及亚微米尺度。在该尺度下铜晶体表现出与尺度相关的力学特性,无法使用传统宏观力学进行解释。因此,为了提高微机电系统性能及可靠度,迫切需要对小尺度铜晶体材料的力学性能开展研究,研究其与尺度相关的力学特性,为微机电系统的设计提供理论及实验基础。针对小尺度下的材料仿真,离散位错动力学方法在拥有很高计算效率的同时,能分析晶体内部位错运动行为,是一种有效的介观尺度研究方法。然而,针对小尺度材料测试中常用的微拉伸、纳米压痕两种实验方法,在离散位错动力学层面上对其研究并不完备。本文中使用自主开发的离散位错动力学软件对这两种典型实验条件进行研究,对进一步了解小尺度铜晶体材料塑性力学特性的内在机理具有积极意义。本文首先基于2.5D离散位错动力学框架,结合ABAQUS软件的接触算法,使用MATLAB软件及PYTHON语言开发了小尺度下铜晶体离散位错动力学-有限元耦合计算程序。在该程序的基础上,开发相应的位错初始化模块、云图、曲线后处理模块。在自主开发的铜晶体单向拉伸离散位错动力学-有限元耦合计算程序的基础上,建立了铜晶体单向拉伸有限元模型。通过耦合计算,本文分析了铜晶体单向拉伸中的应力分布及内部位错运动机理。针对铜晶体厚度、取向两方面分别展开研究,揭示了影响铜晶体单向拉伸性能的内在机理。建立了铜晶体纳米压痕仿真模型,得到了纳米压痕过程中位错行为规律及压痕力-位移曲线。明确了纳米压痕力-位移曲线与位错增殖速度及平均间距两个因素间的联系,并从位错源密度、初始位错密度两个方面研究其对纳米压痕结果的影响方式。最后,本文对单晶铜进行纳米压痕实验,得到了单晶铜的力-位移数据。使用扫描电子显微镜分析压痕周围的表面形貌,使用透射电子显微镜分析压痕周围位错线的分布规律,通过高分辨率透射电镜在原子堆垛层面上观察位错的具体状态,验证了仿真结果的正确性。