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关键词： 新实验理论   环形试样   径向加载   测量误差   管材结构试验   材料性能实验  

摘要： 随着材料科学的飞速发展,各种性能优良的新材料不断涌现,如纤维增强复合材料、表面涂层材料和功能梯度材料,并广泛应用于航空、航天、电力、船舶、石油化工等工程领域。多样的材质,繁多的加工工艺,导致材料的特性存在很大差异。为充分发挥各种新型材料的功效,材料的性能实验和构件的结构试验成为材料设计和结构设计的关键。然而,迄今为止,对各种新材料力学性能的研究还没有成熟的性能评价标准与测试方法。迫切需要改进现有材料力学性能测试方法及设备,以满足更广泛的实验与工程方面的需求。本文基于环形试样和径向加载,建立一套新的实验理论,提出一种新的实验方法,来克服传统实验的不足。通过新的实验方法,只需测量环形试样的径向位移,即可得到各向同性和正交异性材料的所有材料常数,特别是常规材料实验难以测量的垂直于纤维方向的横向弹性模量。通过分析测量误差对实验结果的影响规律,证明了新的试验理论具有很大的实用性。可以使用现代先进的测量技术减小测量误差,使新的试验方法具有较高的测试精度。同时,在加载机构的设计过程中,对加载方式、加载范围、加载块尺寸等因素进行了详细分析,进一步降低了试验中观测点位移误差对结果的影响。以位移平均值代替均匀位移值,以压力观测值代替均匀内压力值来计算材料常数,大大减小了测试过程中数据的观测难度,可有效地提高新实验方法的实用性与经济性。该实验方法还可用于模拟各种压力管道所受的内压以检验不同规格和用途的管材,可大大缩短检验周期和降低检测费用。因此,本文的研究对提升我国新材料的力学性能实验和管材结构试验水平具有较大的现实意义。

关键词： 碳纳米管   聚醚砜改性   液晶聚苯酯   聚醚醚酮   力学性能   摩擦学性能  

摘要： 聚醚醚酮(PEEK)具有优异的综合力学性能,良好的耐热性能以及出色的密封与耐磨性能,是一类很有发展潜力的高性能结构与摩擦材料。但是,纯PEEK玻璃化转变温度较低,导热性差,高温下蠕变与磨损率高,力学保持性差,不能满足日益苛刻的高温高压环境下的使用要求。液晶聚苯酯(POB)具有优异的耐热与减摩耐磨性能,是PEEK理想的高温摩擦填料。碳纳米管(CNTs)具有优异的力学、热学和电学性能,被广泛用于聚合物的增强材料。然而,由于碳纳米管易团聚且表面呈现化学惰性,与聚合物复合时,在基体中的分散性差且与基体难以形成高效的界面粘结,极大地制约了碳纳米管性能的发挥。针对碳纳米管的分散性及与基体的界面性能是决定其增强效果的关键因素,本论文首先对碳纳米管进行聚醚砜改性处理,以提高其在PEEK中的分散性及与基体的结合性能,然后与聚苯酯协同填充PEEK,从而有效地提高了PEEK复合材料的力学、热学及摩擦学性能。第一,对碳纳米管分别进行混酸氧化、聚醚砜改性处理,通过透射电镜(TEM)、拉曼光谱(Raman)、红外光谱(FTIR)和热重分析(TGA)等研究了两种表面改性方法对CNTs的分散性、结构、表面官能团(或改性剂)种类及含量的影响。结果表明:聚醚砜改性CNTs比混酸氧化CNTs分散性更好;聚醚砜改性不会进一步破坏CNTs的有序石墨化结构;聚醚砜改性在CNTs表面共价接枝了一层聚醚砜树脂,降低了CNTs彼此间的吸引,大大提高了分散性。第二,将经过不同表面处理的CNTs填充PEEK树脂,并制得复合材料,通过拉伸、蠕变、冲击性能测试及断口形貌分析,对比研究了CNTs改性方法对复合材料力学性能的提升效果。在此基础上,进一步考察了聚醚砜改性CNTs与POB协同增强PEEK的力学性能。结果表明:聚醚砜改性比混酸氧化更有效地改善了CNTs在基体中的分散性及与基体的界面粘附力,因而常温与高温下的力学性能更好;POB加入后,聚醚砜改性CNTs/POB/PEEK多尺度复合材料力学性能进一步提高,主要原因是,CNTs在相邻POB之间架桥并在基体中形成三维网状结构。第三,对混酸氧化、聚醚砜改性CNTs填充PEEK以及聚醚砜改性CNTs/POB/PEEK多尺度复合材料进行热重分析、差示扫描量热分析、动态热力学测试与导热率测试。结果表明;聚醚砜改性比混酸氧化CNTs更好地提高了CNTs/PEEK复合材料的热稳定性、熔融温度、结晶度以及储能模量,且多尺度复合材料的热学性能最高。这是由于聚醚砜改性使CNTs在基体中的分散性更高,与基体的结合力更强,从而有效约束了基体分子链段受热时的运动,同时分散性更好的CNTs有利于发挥异相成核剂的作用;POB的加入进一步发挥了耐热和异相成核剂作用,提高了热学性能。特别是热导率,相比于纯PEEK提高了3.5倍,这主要归因于CNTs与POB在基体中三维导热通道的建立。第四,系统研究了PEEK基复合材料在载荷、速度、温度影响下的摩擦学性能与PV极限性。结果表明:复合材料的摩擦系数随载荷、速度和温度的增加而下降;其磨损率随载荷的增加而下降,随速度与温度的增加而上升;POB显著提高了POB/PEEK复合材料的耐磨性;聚醚砜改性CNTs/PEEK复合材料摩擦学性能优于混酸氧化CNTs/PEEK复合材料;多尺度复合材料获得了最佳的摩擦磨损性能与最高的PV极限值。第五,探讨了聚醚砜改性提高CNTs/PEEK复合材料摩擦学性能的作用机理,分析了POB与聚醚砜改性CNTs增强提高PEEK摩擦学性能的协同机制。聚醚砜改性CNTs明显增加了基体的强度与刚度,抑制了磨损表面PEEK大片晶体的滑移与剥落,提高了复合材料的耐磨性。POB与聚醚砜改性CNTs的协同作用表现在四个方面:(1)伸出磨损表面的CNTs与磨断的CNTs在摩擦副间形成了微型“滚针轴承”;(2)基体中的POB与CNTs形成的三维网状结构进一步提高了基体的刚度,减少了基体摩擦过程中的塑性变形;(3)聚醚砜改性CNTs降低了POB与基体界面的应力集中,提高了磨损表面的承载能力;(4)POB与CNTs形成的三维网状导热通道,大大提高了基体的热传导率,降低了摩擦表面的温度,从而显著提高了复合材料的减摩抗磨性能。本文对碳纳米管进行聚醚砜改性,表征了改性效果;研究了聚醚砜改性CNTs增强PEEK复合材料以及多尺度复合材料的力学、热学及摩擦学性能,并阐明其作用机理;获得了力学与摩擦学性能优异的多功能复合材料,发展了碳纳米管改性新方法,为开发高温高压工况下的结构与摩擦复合材料提供了理论依据。

关键词： 材料力学   云班课   力学教学   教学方法  

摘要： 武昌理工学院在全校范围内进行蓝墨云班课教学模式的推广,《材料力学》课程积极参与并努力尝试这一教学模式.本文探讨蓝墨云班课教学模式的实施方法,结合力学课程具体教学过程,从课前教学准备、课堂教学过程、实验教学环节和课外学习复习四个方面介绍蓝墨云班课教学模式的具体应用情况.

关键词： 复合材料   力学性能   声学性能   声子晶体   带隙  

摘要： 现如今复合材料已成为四大材料之一,其优良的综合特性和广泛的应用前景越来越受到人们的重视,尤其是材料性能的可设计性,吸引着广大学者进行了大量的研究。本文基于有限元法研究了多边形夹杂复合材料的力学和声学性能。全文主要内容如下:第一章对复合材料的发展和应用做了概述,介绍了复合材料力学和声学性能方面的研究现状。第二章先是介绍了对复合材料的基本理论,随后详细介绍了多边形夹杂复合材料的力学性能微观计算模型,以及声子晶体的相关理论和计算模型。第三章对多边形夹杂复合材料的力学性能进行了研究,首先研究了(I)=10时六边形纤维旋转角度对复合材料的影响,比较了体积比10%和50%两种情况。紧接着研究了(I)=100时六边形纤维旋转角度对复合材料的影响,仍然比较了体积比10%和50%两种情况,最后对六边形纤维随机分布进行了研究。结果表明:当纤维体积比较小时,六边形纤维的旋转角度对复合材料整体的力学性能没有明显影响,表现完美的各向同性,而体积比较大时,力学性能表现出明显的各向异性行为,各项力学参数关于30°角对称。纤维随机分布时发现无论是纤维统一旋转角还是随机旋转角,和纤维单一分布时相比都表现出更强的各向异性。无论纤维是单一分布还是若干个随机分布,随着纤维弹性模量的增大各向异性行为更加显著,复合材料的等效弹性模量和剪切模量增加而泊松比下降。此外,无论是六边形还是圆形纤维,单元体内纤维数目对复合材料的等效弹性性能有重大影响。第四章对多边形夹杂复合材料的声学性能进行了研究,选择六边形和圆形作为对象,分别计算了空心散射体和实体散射体声子晶体的能带结构,研究了两种散射体不同体积比(10%和30%)、单一散射体和组合散射体、以及组合散射体的间距对其声学性能的影响。结果表明:对于单一多边形空心散射体不存在完全带隙,组合多边形空心散射体在大体积比30%时存在完全带隙,且六边形的带隙宽度略大于圆的带隙宽度。对于单一多边形实体散射体在两种体积比下均存在完全带隙,随着体积比的增大带隙显著变宽。空心散射体组合随着间距的增大模型的能带结构频率范围、带隙所在频率、带隙宽度都随着增大;实体情况下间距小的模型能带结构频率范围、带隙所在频率、带隙宽度反而更大。第五章对本文所做工作进行了总结,并对今后的研究工作进行了展望。

关键词： 普通院校   材料力学   应用   体系改革  

摘要： 本文针对普通院校材料力学教学过程中存在的问题以及材料力学课堂教学和解决实际问题的差距进行了分析。针对提高学生解决工程实际问题的能力,提出了解决的思路和途径,结合实例进行了分析,在激发学生的学习兴趣,提高学生的分析能力,培养学生解决实际问题能力等方面均起到了一定的促进作用。

关键词： 石墨烯   水泥基复合材料   分散性能   力学性能   作用机制  

摘要： 石墨烯作为新兴的二维碳纳米材料,引起了国内外研究学者的广泛关注和深入研究。石墨烯凭借其优异的力学性能,作为增强材料被应用到聚合物、陶瓷以及橡胶等基体中,能够显著地提高基体的韧性。利用石墨烯的增强增韧作用,改善水泥基体的低韧性、低抗拉等固有缺陷,具有重要的工程应用价值。但对于石墨烯在水泥基材料中的应用研究还很少,其在水泥基体中的微观作用研究更是匮乏。本文主要研究了石墨烯的水性分散工艺,包括表面活性剂非共价化学修饰和混酸共价化学修饰,确定了本试验的最佳分散工艺。并以此为基础,研究了石墨烯水泥基复合材料的制备工艺,并对其抗折强度、抗压强度及弯曲韧性展开系统研究。最后,利用多种微观测试方法,深入探究石墨烯在水泥基体中的微观作用机制。主要成果及结论如下:(1)确定了本试验中最适宜的石墨烯分散工艺:以聚氧代乙烯壬基苯基醚(CO890)作为石墨烯的分散剂,CO890与石墨烯的质量比为5:1,最优超声功率为360 W,最小超声时间为20 min。研究表明,CO890不仅能够吸附到石墨烯表面,还能够与石墨烯边缘的少量官能团相互作用,从而形成空间位阻效应,阻止石墨烯的团聚。(2)随石墨烯掺量的增加,石墨烯水泥净浆复合材料的力学强度呈先增大后减小趋势。在水灰比为0.30时,掺加0.05 wt%的石墨烯水泥净浆试件28 d的抗压强度为95.6MPa,抗折强度为13.4 MPa,与未掺加石墨烯的水泥净浆试件相比,分别提高了25.2%和3.7%。当石墨烯掺量为0.05 wt%时,水泥净浆试件具有最强的弯曲韧性,与空白试件相比,其弯曲韧性和断裂点位移分别提高了55.9%和52.1%。(3)石墨烯也能够改善水泥砂浆的力学性能,在石墨烯掺量为0.05 wt%,养护28d时,水泥砂浆试件的抗折强度提高了24.0%,而抗压强度则提高了13.6%;在掺量为0.08 wt%时,石墨烯水泥砂浆的弯曲韧性达到最大值357.7 N·mm,比空白试件提高77.6%;断裂点位移达到最大值0.313 mm,比空白试件提高58.9%;极限荷载力达到最大值2549.7 N,比空白试件提高39.3%。(4)微观测试结果表明,石墨烯能够弯折、卷曲地嵌入到水泥基体中填充水泥孔隙,减少初始裂缝的存在,降低基体孔隙率,细化孔径分布;此外,二维结构的石墨烯能够延长裂缝扩展路径,有效地吸收和分散能量荷载,改善基体的力学强度。研究表明,石墨烯还能够促进早期水泥水化中链状硅氧四面体的形成,影响了C-S-H凝胶的生成和生长,同时促进CH晶体的结晶化,提高其结构规整度。

关键词： 微波烧结   B4C   晶体   界面反应   B4C/Al   复合材料   真空热压烧结  

摘要： 微波烧结技术不但具有节能、高效等优势,其高频电磁场还能引起某些材料特异性的产生,因此成为国内外学者研究的热点。传统工业上合成碳化硼晶体产率低,杂质多,能耗大,不符合资源节约、环境保护的可持续发展理念,若利用碳材料自身介质损耗,结合微波烧结技术快速高效制备出碳化硼晶体,扩宽碳化硼复合材料的应用,将会对碳化硼行业产生极大的影响。本课题采用微波加热方式,以廉价的煤粉和硼酸为原料,在无气氛保护的条件下,利用2.45 GHz的TE666单频微波烧结炉成功制备出了不同形貌的B4C晶体,研究了加热温度、保温时间和Na2CO3添加剂含量等条件对微波合成碳化硼粉体的影响,并分析了微波加热过程中热效应行为;同时,利用粉末冶金真空热压的方法制备出性能优良的碳化硼铝基复合材料,并对烧结温度、保温时间等工艺条件进行了探究,分析了烧结样品的断裂类型,揭示了B4C、Al界面结合机理。结果表明:微波烧结能在较低的温度下实现碳化硼有效、快速的合成,微波特殊的体积加热能使生成的碳化硼依附于煤粉颗粒表面发生原位生长,在1600℃时会形成边长小于150 nm、厚度约40 nm的碳化硼纳米片,1700℃时形成直径50 nm左右碳化硼球形颗粒,继续增加温度至1800℃,颗粒直径增加为150 nm;随着保温时间的延长,碳化硼纳米片发生长大交联,碳化硼颗粒间会生成堆垛层错较多的晶须;同时,Na2CO3的分解增强了气-固反应机率,CO2气体被电离形成空间热点,促进B、C原子之间界面反应,当Na2CO3含量达9 wt%经过1800℃烧结后,会形成中空“竹节”状碳化硼晶体。本文还利用粉末冶金热压烧结方法制备出碳化硼铝基复合材料,最佳热压烧结工艺条件:热压压力30 MPa,烧结温度700℃,保温45 min。在碳化硼铝基复合材料制备过程中,湿法球磨混料使得铝粉颗粒表面形成很薄的氧化铝薄膜层,提高了Al与B2O3界面相容性;当碳化硼含量为10 wt%时,碳化硼铝基复合材料硬度最高达2.53 GPa,抗弯为350 MPa,其力学性能相比于传统铝合金制品有极大的提高;当碳化硼含量为12.5 wt%时,抗弯强度最高为425 MPa,可能由于碳化硼铝基复合材料在制备过程中形成Al3BC相,使得该溶质原子对位错起到钉扎作用,导致复合材料抗弯强度增加;碳化硼铝基复合材料样品断裂形式主要有:铝基体撕裂、碳化硼颗粒穿晶断裂及碳化硼颗粒拔除后裂纹扩展断裂三种类型。

关键词： 原位测试   复合载荷   多物理场   应力应变状态分析   力学行为  

摘要： 随着工业科技的迅猛发展,各个领域对材料服役条件下力学行为测试手段的需求越来越急切。通过模拟服役条件下材料的应力状态及周围物理场环境,从而进行力学性能测试,由此获得的材料力学性能参数将是材料先进制备成型加工、机械结构设计、电子信息通讯、航空航天等领域中材料应用的重要理论依据,此种测试手段具有重要意义,也将对社会和经济效益产生正面积极的作用。由于材料在服役过程中的工作环境较为复杂,不可避免地会受到多种外部机械载荷(如拉伸、扭转、弯曲等)的同时作用,且材料在不同外部载荷作用下会表现出截然不同的力学性能。同时,服役过程中材料也会受到热、电、磁等多外场耦合作用,这也会诱发材料力学性能发生改变,进而导致力学行为的变化。在实际工程应用中,开展接近服役条件下材料的力学性能测试试验是重要的质量保障手段。而现有材料力学试验机,如拉伸试验机、三点弯曲试验机等大部分都只能提供单一载荷测试功能,且无法对材料表面形貌特征进行原位监测,也不能施加热、电、磁等物理场。因此,传统的材料力学试验机已经不能满足当前材料测试领域对测试装置的需求。所以,能够开展复合载荷多物理场作用下材料力学性能进行原位(In-situ)测试的测试装置设计分析和试验研究成为本文研究的重点。本文面向材料服役性能测试领域的国家重大需求和国际发展动态,结合材料服役性能测试领域复合载荷多物理场力学性能测试技术的研究现状,设计提出了能够实现拉伸-悬臂弯曲-扭转复合载荷加载以及热、电、磁物理场同时加载的材料力学性能原位测试装置,并在测试装置功能设计分析,测试装置性能测试与分析,复合载荷加载轨迹规划,应力状态理论分析,形状改变比能理论分析和铜锌铝合金力学性能测试试验方面开展了系统工作。本文的主要研究工作如下:(1)基于多轴并联机构载荷施加及空间运动轨迹规划原理,提出了拉伸/压缩、扭转、悬臂弯曲多种载荷复合加载的材料力学性能测试新技术。所提出的测试技术实现了复合载荷的协同精密加载和控制,克服了串联式载荷施加方法对复合载荷测试精度的影响,依托空间位置控制方法,达到了较高的测试精度,丰富了复合载荷材料力学试测试方法;以风力发电机为例,分析了拉伸-扭转,拉伸-悬臂弯曲,扭转-悬臂弯曲,拉伸-扭转-悬臂弯曲复合载荷作用下材料所处的复合载荷应力状态;同时针对本文提出的复合载荷试验方法,推导了并联驱动加载单元的空间位置反解方程;进而对空间运动轨迹进行了规划,设计了两种空间加载轨迹:笛卡尔坐标系下的螺旋线轨迹和空间坐标系下的悬臂弯曲轨迹;(2)基于大幅值、多波形、非接触式的电场、磁场、热场加载原理,提出了电热磁多物理场耦合材料力学性能测试新技术。构建了接近材料实际服役工况下的多物理场环境,实现了相关试验参数的大量程、高精度、快速响应的控制与检测;采用大电流、非接触式辐射、电磁线圈实现热电磁多物理场加载,解决了多物理场加载时的空间干涉问题,最终实现多物理场的结构设计和协同精密加载;针对多物理场加载单元进行功能扩展,物理场可以实现波形加载;(3)提出了采用数字图像相关及光学显微成像相结合的材料力学行为与变形损伤的动态原位监测技术。结合空间圆柱坐标系内定位方法和多线程、高精度的定量/持续运动控制,实现了大范围、长焦距、径向可调的全场原位监测结果的高精度采集;结合数字图像相关技术实现了复合载荷试验条件下的三维非接触式应变测量,属于应变的非接触式直接测量,减少应变间接测量方式带来的繁琐误差修正工作;提出了多种功能模块在空间圆柱坐标系内定位方法,可实现试件全表面的原位监测,在同一次试验中可以观测试件表面不同区域的形貌变化;(4)在上述工作的基础上,研制开发了复合载荷多物理场材料力学性能原位测试装置;针对接近材料服役状态下的拉伸、扭转、悬臂弯曲复合载荷应力状态,结合两种理论开展了相应的理论分析工作,进而得到了材料在复合载荷应力状态下材料力学性能理论变化规律。针对铜锌铝合金(Cu-Zn-Al)开展复合载荷多物理场下的力学性能原位测试试验,试验结果规律与理论分析得出的材料力学性能变化规律相吻合,理论分析与试验结果得到了良好的相互验证。

关键词： 温度环境下   树脂基复合材料   力学性能   模型  

摘要： 为了对树脂基复合材料的力学性能进行深入研究,通过试验对比方式,将试验材料设置在不同的温度环境中,对其进行拉伸及面内切变性能,在此基础上对材料模量做出了细化研究,而后根据强度变化指标确定了有针对性的力学模型,从而对不同温度环境下的影响指标进行综合衡量。通过对试验内容进行分析可以得出这样的结果:在温度环境不同的情况下,复合材料的力学性能会随之发生改变,并呈现一定的规律特点。

关键词： 脉冲激振技术   力学参数检测   模型修正技术   转轴   小波包变换   支持向量机   故障识别  

摘要： 梁、转轴、板壳类零件是机械装备中的核心零部件,高速、高效率、高精度的加工和机械装备等长期在重载、疲劳、腐蚀、高温等复杂恶劣的工况下运行,系统中的核心零部件,如机械传动轴,梁板类结构等不可避免地产生不同程度的损伤。基于有限元分析手段,提出运行状态下零件材料力学参数无损检测方法、研究机械结合面参数辨识,最终建立相对准确的传动系统结构损伤数值分析模型,开展基于智能分类算法（如支持向量机、神经网络等）的机械故障个性化诊断方法研究。数值模拟成为一种日臻成熟的设计制造分析手段。然而,目前普遍存在仿而不真的瓶颈问题,迫切需要真实结构件力学参数,而弹性模量和剪切模量是关键的力学参数。若能通过无损检测方法,快速获得特定结构的弹性力学参数,将为其数值模拟提供可靠的力学参数,具有非常重要的意义。本文通过有限单元法（FEM）和响应面法（RSM）相结合的方法提出了工字型梁、空心传动轴、阶梯轴以及复合材料结构的弹性力学参数的脉冲激振无损检测方法并得出动态力学参数的经验计算公式。通过数值仿真和实验验证表明脉冲激振无损检测方法和经验计算公式满足实际应用的精确度要求。模型修正方法是有限元模型建立过程中的一个重要的部分,建立机械结构的有限元模型,提取机械结构的振动响应信号并与实验测得的响应信号做对比,利用精度评估参数（平均绝对百分误差、希尔不等系数）来判断两者的相符程度,通过对一些参数（力学参数、刚度系数、阻尼系数）的进行修改,直到模型达到一个理想的精度要求。针对传动系统故障的研究。通过力学参数无损检测方法为故障诊断过程提供可靠的力学参数值。建立转子不同故障类型的有限元模型,获得所转轴系统的不同类型故障样本信号;然后利用小波包对振动信号进行分解、重构后计算其时域参数值,并将结果作为分类器的特征向量。最终利用试验台实测信号的小波包分解后计算的时域特征参数作为测试样本来训练支持向量机,从而进行转子系统不同类型故障的识别。本文采用数值模拟与实验分析相结合的方式提出脉冲激振无损检测特定结构动态力学参数的方法、机械结合面特性分析以及转轴故障预测与诊断方法的研究。最终仿真结果及实验数据表明文中提出检测方法的合理性,有被用于实际工程中的可能性。