教学课程资源库 更多>>

关键词： 数字图像相关   塑性应变比   J积分   CTOD   裂纹面转动中心  

摘要： 数字图像相关(DIC)方法是一种通过计算变形前后物体表面图像的灰度信息相关来获取被测物体的变形情况的测试方法,通过对比表面带有散斑的材料或结构变形前后的散斑图像,对全场位移、应变进行计算。DIC方法具有三维、全场、非接触等特点,因此其应用不受试样形状限制,可针对不同形状试样进行二维、三维变形测试,并获得整个变形场的变形信息,因而在材料的力学性能测试中得到了越来越广泛的应用。本文以IF钢、321不锈钢及A508-3钢等为材料,结合拉伸实验、疲劳实验及断裂力学实验等实验,针对DIC方法在材料力学性能测试方面的应用进行了研究,主要工作归纳如下:应用DIC方法对试样的应变进行了测量,并与引伸计所测结果进行对比,验证了 DIC方法在变形数据测试方面的准确性。应用DIC方法对IF钢的n值、r值进行了测量,并对横向引伸计的测试位置对r值测试的影响进行了研究。实验结果表明,r值测试结果的准确性与横向引伸计的测试位置有关,测试位置偏离试样断裂位置所得实验结果与通过断裂位置处应变计算所得结果不同,且测量位置距试样断裂位置越远则结果差异越大。将DIC方法的分析结果与实验过程相结合,在不增加额外实验操作的情况下,通过试样的应变分布情况成功对疲劳实验有效性进行了预测,避免了无效实验所造成的实验进度缓慢及实验成本增加等问题,同时,探索了 DIC方法在实验过程中的实时应用,增强了 DIC方法在材料力学性能测试中的应用时效性。应用DIC方法作为测试手段进行了 A508-3钢的J积分及CTOD实验,解决了应用柔度法测试时存在的裂纹扩展"负增长"的问题,并实现了试样CTOD的直接测量。同时,应用DIC方法对试样在实验过程中的变形及裂纹扩展规律进行了研究,通过分析试样的位移场、应变场的变化情况确定了试样裂纹面的转动中心及裂纹扩展路径等相关信息。

关键词： 碳纤维复合材料   湿热老化   低速冲击   吸湿   力学性能  

摘要： 低速冲击一般发生在10米/秒以下。自20世纪70年代初以来,复合材料结构的低速冲击相关研究一直被广泛关注。低速冲击在日常工作环境中较为常见,在航空领域,许多研究人员试图设计出最适合自己重量的最佳结构。当在制造或维修过程中有相应事故发生,材料结构可能会损失高达50%的强度。由于目前航空航天技术的使用高度依赖于复合材料的使用,因此预测它们对此类事件的行为是至关重要的。在复合材料的服役过程中,其结构将受到一系列环境条件的影响。这些材料必须面对的两个最普遍的条件为温度和湿度,更重要的是它们的组合效应。针对该研究方案,本文对三种不同铺层结构的CFRP的低速冲击性能进行了研究,并比较了其在人工老化和低速冲击条件下的力学性能。在航空航天工业中,通常使用三种常见的CFRP层结构配置,它们是{0/90/45/-45/90/0},{0/-60/-45/60/60/0}和{0/45/90/-45/0}。本研究重点介绍了用T300碳纤维和tde-85基体制备得到的具有三种铺层结构的复合材料。制备得到这些复合材料层合板后,将其切成所需的ASTM标准试样并在水分饱和以及不同温度和湿度的四种不同的组合环境下进行湿热老化试验:组合分别为60°C/60%RH,60°C/90%RH,90°C/60%RH以及90°C/90%RH。基线试验结果表明,对于低速度冲击和冲击后压缩试验,具有较高准各向同性取向的方向的抗冲击性能优于交叉层结构的方向。还可以确定,对于弯曲载荷,这些准各向同性结构更适合处理此类环境中的应力。从湿热测试中,每种铺层方式下甚至在极端环境下试样重量均有所上升。在较低的温度和较低的湿度水平下,每个方向吸收的水分含量较低,随着温度和湿度的增加,样品中水分吸收的量也增加了。通过测试,我们看到的0/-60/-45/90/60/60/0}铺层具有最少的吸湿量,而{0/90/45/-45/90/0}铺层具有最高的吸湿量。最后一铺层结构的吸湿量介于两者之间。交叉层结构的使用的增加会在一定程度降低复合结构的吸水。本研究得到的数据支持这一理论。低速度冲击试验结果表明,湿热老化对低速冲击性能有负面影响。本文研究数据表明,复合材料试样遭受的温度和湿度越高,影响阻力越小,无论试样的铺层结构如何。然而,在使用的四种环境中,{0/-60/-45/60/60/0}铺层结构的试样表现最好,对低速度冲击产生了最大的阻力。低速冲击还对撞击面造成了凹痕伤害,并对层合板的后端造成损坏。然而,在极高的温度条件老化后,低速冲击使层合板试样分层并加剧了表面裂纹的传播。大部分的损伤发生在内部,正如光学数字显微镜和SEM分析所证明的那样。当试样进行湿热老化时,纤维与基体间界面的降解会导致机械性能的丧失,当低速冲击发生时,界面力学性能会被进一步削弱。然而,具有高准各向同性取向的试样(例如{0/-60/-45/90/45/60/0})优于有高交叉层叠铺层的试样(例如{0/90/45/-45/90/0}。利用拉伸和弯曲试验来进一步验证层合板试样的抗压强度和低速冲击阻力的损失。令人惊讶的是,方向{0/90/45/-45/90/0}显示了最高的抗拉强度和最小的老化百分比损失,而方向{0/-60/-45/90/60/0}显示的是最低的平均抗拉强度和最大的性能损失。然而,这种抗拉强度的损失是通过弯曲强度来抵消的,而弯曲强度则显示出相反的趋势。由于在低速冲击时,压应力更占主导地位,弯曲强度在维持机械性能方面起着更大的作用,因此,0/-60/-45/90/60/0}铺层结构的层合板试样具有最优力学性能。试验结果表明,拉伸强度和弯曲强度均依赖于复合材料的厚度方向。在抗拉强度方面,在受力方向具有较高纤维含量的样品具有较高的力学性能,但在抗弯曲强度方面,在受力方向外具有较高纤维含量的样品具有较高的力学性能。最终,通过SEM分析,确定了层合板试样的损伤机理。对于老化试样,自从夹在开始,断裂就持续产生直至试样失效。试样结构显示了纤维与基体界面失效的轻微迹象,其拉出的纤维短,基体碎片小且位于裂缝表面。然而,在高温高湿度老化条件下的试样显示出明显的纤维与基体间界面失效的迹象,拔出纤维较长,并存在空隙,纤维表面无基体碎片。将这些SEM观察结果与力学性能的损失联系起来,从而分析得到纤维与基体间界面在湿热环境下力学性能损失的原因。

关键词： 玻纤增强聚丙烯   泡沫夹芯结构   复合材料   力学性能   低速冲击   隔声性能  

摘要： 纤维增强聚合物基复合材料作为汽车轻量化的一种有效途径,在汽车行业中得到了广泛的应用。泡沫夹芯复合材料是先进复合材料的一种结构形式,具有比强度高、重量轻、隔声和隔热性能良好等特点,并且具有良好的抗碰撞吸能性能,成为汽车轻量化材料的重要研究领域之一。本文以玻璃纤维增强聚丙烯(GFRP)泡沫夹芯复合材料为研究对象,采用实验和数值分析的方法研究了发泡聚丙烯泡沫材料对GFRP泡沫夹芯复合材料力学和隔声性能的影响。主要研究内容包括:(1)结合热塑性复合材料预浸渍技术和成型工艺,研究了玻璃纤维增强聚丙烯泡沫夹芯复合材料的制备工艺。(2)通过玻璃纤维增强聚丙烯泡沫夹芯复合材料的力学性能测试,研究了其拉伸、弯曲性能及其失效形式。构建了 GFRP泡沫夹芯复合材料拉伸和弯曲模型,分析了其拉伸和弯曲最大载荷和失效形式。(3)通过Abaqus构建了基于Hashin准则和可压溃泡沫模型的GFRP泡沫夹芯复合材料低速冲击模型,研究了不同聚丙烯泡沫对GFRP泡沫夹芯复合材料低速冲击响应的影响,评价了玻璃纤维增强聚丙烯泡沫夹芯复合材料的抗低速冲击吸能性能。(4)通过双传声器阻抗管法和四传声器阻抗管法研究了 GFRP泡沫夹芯复合材料的隔声性能。以声阻抗率、反射因数和传声损失等不同评价指标分析了不同发泡聚丙烯泡沫的GFRP泡沫夹芯复合材料的隔声性能。

关键词： 聚碳酸酯   TiO2纳米粒子   复合材料   微观结构   力学性能   热稳定性能  

摘要： 近年来,聚合物/无机纳米复合材料由于具有优异的性能和潜在的应用价值,成为国内外学者关注的焦点。二氧化钛（TiO2）纳米粒子具有无毒无害、熔点高、刚度大、化学性质稳定及热稳定性好等优点,将其作为填料用于聚合物改性,可提高聚合物基体材料的力学和热稳定性能。本文以聚碳酸酯（PC）作为基体材料,金红石型和锐钛矿型TiO2纳米粒子分别作为填料,通过熔融共混和注射成型制备出不同原料配比（0.5-3 wt%）的PC/TiO2纳米复合材料。采用傅里叶变换红外光谱仪、扫描电子显微镜、万能拉伸试验机及动态热力学分析仪,研究了两种晶型Ti O2纳米粒子对复合材料微观结构和力学性能的影响机理和规律。研究结果表明:（1）低含量下（1 wt%）,两种晶型TiO2纳米粒子在PC基体中分散程度较好。随着填料含量增加,纳米粒子团聚体尺寸增大,锐钛矿型TiO2纳米粒子团聚现象更为严重;（2）两种晶型TiO2纳米粒子都能对PC产生增强增韧作用,且金红石型TiO2纳米粒子因与PC界面结合更好,增强增韧效果更佳;（3）在玻璃化转变温度（Tg）以下,两种晶型TiO2纳米粒子都能提高复合材料的储能模量,且与纳米粒子含量呈正比。在上述研究的基础上,借助热重分析、傅里叶变换红外光谱、热重-红外联用分析等表征手段,同时结合Kissinger-Akahira-Sunos（KAS）等效转化计算法,探讨了两种晶型TiO2纳米粒子对复合材料热降解行为、机制和动力学的影响。研究结果和结论如下:（1）两种晶型TiO2纳米粒子都能够提高复合材料的热稳定性能,其中金红石型TiO2纳米粒子的改善效果更好;（2）TiO2纳米粒子对复合材料热降解行为的影响主要包括以下三个方面:热降解起始阶段,PC分子链异亚丙基裂解产生自由基,TiO2纳米粒子可以捕获这些自由基,延迟热降解反应发生,提高热降解起始温度;热降解主要反应阶段,PC分子链发生复杂的化学反应如碳酸酯基水解/醇解和重排,TiO2纳米粒子的催化作用能够提升热降解反应速率;热降解中后期,PC基体的热降解致使TiO2纳米粒子在表面堆积,与热降解固相产物结合形成屏障网络,阻碍了热降解气相产物的挥发及热量的传递,可以抑制内部材料热降解反应的发生;（3）添加两种晶型TiO2纳米粒子的复合材料热降解活化能均比PC基体要高,其中添加金红石型TiO2纳米粒子的复合材料数值最大。

关键词： 材料力学实验   分层次   创新能力  

摘要： 实验教学是强化理论知识,增强创新能力的一种重要的教学手段。基于目前高校材料力学实验教学的现状,在系统总结材料力学实验教学中存在问题的基础上,对材料力学实验进行了分层次的设计,既满足了课堂基本教学实验的要求,又提供了锻炼学生的动手能力和创新能力的机会。

关键词： 理论力学   转动惯量   材料力学   惯性矩  

摘要： 通过对理论力学中刚体对轴的转动惯量和材料力学中截面对轴的惯性矩的比较,把理论力学和材料力学中相关的内容有机结合,不仅巩固已学知识,也让新的知识变得简单易懂.在教学过程中,启发学生自主学习,寻找规律,总结相似点,提高学生的学习主动性和积极性,取得了良好的教学效果.

关键词： 苎麻纤维增强复合材料   冷等离子体处理   碱处理   力学性能测试  

摘要： 随着科技的飞速发展,复合材料以其优异的性能被广泛用于各个领域。苎麻纤维作为一种性能优良的纤维,已成为复合材料增强纤维的首选原料之一。但是苎麻纤维表面胶质的存在影响了复合材料界面的稳定性,使得复合材料整体性能有所下降。因此,对苎麻纤维进行表面改性已成为开发苎麻纤维复合材料的关键。为了提高苎麻纤维与环氧树脂之间的界面性能,本课题从绿色环保的角度出发,选用节能、高效的冷等离子体改性方法,对苎麻纤维表面进行改性,并且运用模压工艺制作苎麻纤维复合材料。通过测试苎麻纤维及其复合材料的性能,探究了苎麻纤维表面改性对其复合材料力学性能的影响。课题研究包括四个方面:（1）冷等离子体处理条件对苎麻纤维性能的影响。通过对苎麻纤维浸润性能、表面形态、拉伸性能、摩擦性能的测试,发现冷等离子体处理可去除苎麻纤维表面的胶质和杂质,使苎麻纤维表面的不规则条纹外露,增加了纤维的表面粗糙度。（2）冷等离子体处理最佳工艺的选择。在不同处理时间和功率的条件下,对苎麻纤维表面进行冷等离子体改性。通过分析苎麻纤维表面能及拉伸性能的变化,选择改性效果明显的参数进行正交试验,最终选择处理时间和处理功率分别为 1min-100w 处理、2min-150w 处理、3min-200w 处理。（3）冷等离子体处理与碱处理对苎麻纤维性能影响的对比。与碱处理相比,冷等离子体处理对纤维的浸润性能与摩擦性能的影响更为显著。冷等离子体处理和碱处理都会损伤纤维的拉伸性能。通过对处理时间和处理功率的选择,可降低冷等离子体处理对纤维拉伸性能的损伤。（4）冷等离子体改性芒麻纤维表面对其复合材料力学性能的影响。选用环氧树脂作为基体材料,通过模压技术,制作纤维含量为30%的苎麻纤维增强复合材料板。经过力学性能的测试与分析,发现与未处理纤维相比,当处理条件为3min-200w时,纤维的表面能和与环氧树脂的粘附功分别增加了 124.5%和59.1%。由SEM和AFM可以观测到纤维表面被冷等离子体刻蚀,刻蚀作用增加了纤维与环氧树脂的接触面,二者的结合更紧密,使得纤维不易被抽拔。冷等离子体处理虽然对纤维有一定损伤,但是界面性能的改善提升了复合材料的力学性能。与未处理纤维复合材料相比,当处理条件为3min-200w时,复合材料的拉伸性能、弯曲强度以及剪切应力分别提升了 29.2%、37.0%和30.5%。

关键词： 高校管理   材料力学实验   服务社会  

摘要： 本文强调了在高校服务社会的管理中,高校如何处理现代化培养人才,发展科研和服务社会的关系和矛盾。总结并分析以《材料力学实验》课程为例,讨论高校实验教学与服务社会之间存在的问题,并针对这些问题提出了教学改革的新途径。

关键词： 镁基复合材料   纳米增强体   数值模拟   力学性能   裂纹扩展  

摘要： 纳米材料尺寸很小,试验相对困难,故采用有限元分析软件来研究纳米管和石墨烯增强复合材料的力学性能,为纳米增强体复合材料的深入研究提供理论依据。主要应用Material Studio(MS)和ANSYS软件对纳米增强体镁基复合材料的力学性能进行数值模拟。基于密度泛函理论的广义梯度近似和平面波赝势方法,利用MS软件研究掺杂P后纳米管吸附Mg体系及石墨烯吸附Mg体系的界面结合强度和稳定性。研究发现,掺杂P使体系结合能降低,提高了纳米管自身强度;吸附能增大,显著增强了与Mg的界面结合强度;石墨烯与Mg间的界面结合强度较好。应用ANSYS有限元软件的APDL(ANSYS Parametric Design Language)命令流建立三维随机分布模型,进行碳纳米管增强镁基复合材料的单轴拉伸与压缩试验的数值模拟,碳纳米管和石墨烯混合增强镁基复合材料单轴拉伸数值模拟。研究发现,单轴拉伸和压缩模拟过程中,在碳纳米管与镁基体相接触的界面附近的第一主应力、von Mises应力分布都极不均匀;在界面附近最易发生屈服现象,最易萌生裂纹。拉伸过程中碳纳米管与作用力方向呈180?时,界面附近的第一主应力和von Mises应力平均值最大,此位置界面附近最易萌生裂纹,发生屈服现象;压缩模拟过程中,呈90?时界面附近的第一主应力平均值最大,此位置界面附近最易萌生裂纹,呈180?时界面附近的von Mises应力平均值最大,此位置界面附近最易发生屈服现象。碳纳米管和石墨烯附近von Mises应力分布不均匀,在增强体与基体间界面附近和距离较近的增强体之间最容易发生屈服现象。应用ANSYS有限元软件,设置材料参数后进行网格精细化分,利用单元生死功能,以APDL命令流来实现多载荷步的加载方式,进行碳纳米管增强镁基复合材料单轴拉伸破坏过程中裂纹萌生和裂纹扩展模拟。结果发现,在碳纳米管与镁基体的界面附近最先萌生裂纹;裂纹扩展方向预测与模拟结果相符,扩展速度随着载荷增大而增大,特别在两个裂纹重合后。