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关键词： 双向纤维增强复合材料   均匀化   有限元方法   细观模型   界面性能   内聚力模型  

摘要： 纤维增强复合材料(FRC)作为复合材料重要类型的一种,由于其具有的杰出的机械力学性能而广泛应用于各行各业中。但多数的研究都是基于单向纤维增强复合材料(UFRC)。与UFRC不同的是,双向纤维增强复合材料(BFRC)可以沿着两个不同的方向定义其面内的力学性能。然而,由两种或多种相异的材料组成的复合材料的力学性能,不仅仅取决于其各组成成份的性能和结构,在一定程度上还受到界面的影响。因此,本文以BFRC为研究对象,基于有限元方法和渐进均匀化方法,研究其整体性能以及界面性能对其整体宏观性能的影响。本文的研究内容及得到的结论主要包括以下几个方面:首先,本文提出一种简化的微观结构解析模型,分别预测纤维泊松比的变化、纤维/基体模量比的变化以及纤维体积含量的变化对连续BFRC宏观等效力学性能的影响。且为验证解析模型的可靠性,通过ABAQUS有限元建立了三维(3D)代表性体积单元(RVE)的细观模型与其进行对比,并编译了相关用户子程序代码。结果表明:本文所提出的解析模型与均匀化有限元方法模拟结果对比,能较好的评估BFRC等效弹性模量并较合理的预测抗拉强度的变化趋势。其次,采用均匀化有限元的方法,基于表面的内聚力行为来研究无厚界面情况下,界面性能对BFRC的宏观等效弹性模量和抗拉强度的影响。结果表明:BFRC的抗拉强度受粘度系数的影响较小;宏观等效参数都随着界面刚度的降低而逐渐减小;不同界面刚度下BFRC面外发生失效破坏的形式不太相同;与界面断裂能相比,界面强度和界面刚度对面外抗拉强度有显著影响,而对面内抗拉强度影响较小;随纤维含量的增加面内抗拉强度大幅增加,面外抗拉强度却逐渐减小;与不考虑界面情况相比,界面的存在会降低BFRC的抗拉强度。最后,采用有限元方法用内聚模型代替具有一定厚度的界面相,进一步分析界面相厚度、模量及强度对BFRC力学性能的影响。结果表明:界面相厚度的减小,使得宏观等效弹性模量和泊松比都逐渐增加;界面相模量越大,BFRC等效弹性模量也越大,而抗拉强度却逐渐减小;界面相强度越大BFRC面外抗拉强度增加,但达到一定值后保持不变,面内抗拉强度随之增大;且面外抗拉强度值始终小于基体的抗拉强度。

摘要： Materials where thermal energy is comparable to the interaction energy between molecules are called soft materials. Soft materials are everywhere in our life: food, rubber, polymer diaper, our own body, etc. The thermal fluctuation endows soft materials with fundamentally different behavior comparing to hard materials like metals and ceramics. This dissertation studies three aspects of the mechanics and physics of soft materials, as is reviewed below. First, soft materials are generally swellable and viscous. The combination of diffusion and viscous flow gives rise to a length scale we called poroviscous length. The emergence of a length scale results in size dependent relaxation. We show that the coupling between diffusion and viscous flow explains the Brownian motion in supercooled liquids, where the classical result of Stokes-Einstein relation generally fails. The concurrent diffusion and viscous flow cannot be described by the classical hydrodynamics, where all the material transport is lumped into velocity field. We formulated a continuum theory to modify the classical hydrodynamics. In particular, the new theory predicts a new bulk viscosity that could exist in incompressible material. We generalize this idea of bulk viscosity to binary systems and study the mixing of materials that is limited by local structural rearrangement instead of diffusion. This model develops formulation of non-equilibrium thermodynamics by removing the common assumption of local equilibrium. Second, capillarity has strong influence on the morphology of soft materials. The competition between capillarity and elasticity gives rise to the elastocapillary length, which is defined as surface tension over the shear modulus. We show that elastocapillary effect explains the complex nucleation of crease, a widely observed surface instability in soft elastic materials. We also explore the possible competition between capillarity and osmosis in gels, which defines the osmocapillary length, the

关键词： 缺陷   波纹   经典层合板理论   多参数模型   纤维增强复合材料   机织复合材料   力学性能   复合材料制备方法   剪切破坏  

摘要： 先进复合材料（ACMs）具有比模量高、比强度高的显著优点,近年来取得了飞速发展和广泛应用。作为最典型的先进复合材料,纤维增强聚合物基复合材料（FRP）是由增强纤维和树脂基体经过特定的成型工艺复合而成,其使用比例和应用范围在整个先进复合材料领域占有绝对优势,代表了未来新材料的发展方向。然而,在纤维增强复合材料制造过程中,由于主观或客观原因,缺陷总是难以避免。缺陷的存在,导致纤维增强复合材料的力学性能大打折扣,例如强度下降、提前失效等,并给复合材料结构带来很多潜在的安全问题。增强纤维、树脂基体、模具之间热膨胀系数（CTE）的不匹配、层间压力分布不均匀、操作失误等,都会引起纤维的偏离、变形、弯曲,专业术语称之为波纹。波纹缺陷是最常见的缺陷之一,普遍存在于复合材料结构中。从客观上讲,CTE不匹配、层间压力分布不均匀是固有诱因,因此,复合材料中的波纹缺陷不可能避免和消除。同时,由于结构设计的需要,经向纬向纤维束交错编织,形成了一种独特的纤维弯曲结构,使波纹成为纺织复合材料的固有特征。波纹形成机理、保证结构安全运行的波纹接受标准、含波纹缺陷的复合材料的力学性能评价及其失效机制研究等问题已成为复合材料领域研究热点之一。本文以定量评估波纹对纤维增强复合材料力学性能的影响为目的,从多个角度对含波纹缺陷的传统层合板复合材料和平衡平纹机织复合材料的力学性能开展理论研究,并对含波纹缺陷的复合材料层合板进行了实验研究,主要工作及结论如下:首先,对面外波纹和面内波纹的几何特征进行了阐述,指出了二者的相似之处和独有特征,在此基础上,分别采用不同的三角函数对其弯曲曲线进行描述。以经典层合板理论（CLT）为基础,针对面外波纹缺陷的特点,在计算含面外波纹的层合板基本单元——单层板的刚度时,引入与面外波纹有关的波纹比、纤维偏转角、波纹区域大小、波纹类型等参数,运用等应力模型建立含面外波纹缺陷的层合板刚度预测多参数模型;针对面内波纹缺陷的特点,在计算含面内波纹的层合板基本单元——单层板的柔度时,引入与面内波纹有关的波纹比、纤维偏转角、波纹类型等参数,运用等应变模型建立基本模型;以此为基础,在计算层合板整体刚度时,引入与面内波纹有关的波纹位置、含面内波纹的单层板层数等参数,最终建立含面内波纹缺陷的层合板刚度预测多参数模型。其次,基于组分材料性能和有限元模型,运用均匀化方法预测了不同纤维体积分数的AS4/3501-6和E-glass/8084单层板力学性能,以此作为下文研究波纹缺陷对复合材料层合板力学性能影响的基础。以单向层合板为例,运用含面外波纹缺陷的层合板刚度预测多参数模型讨论了与面外波纹有关的参数对AS4/3501-6单向层合板弹性性能的影响,并进一步研究了面外波纹对不同纤维体积分数的AS4/3501-6单向层合板、不同材料体系（AS4/3501-6和E-glass/8084）的单向层合板弹性性能的影响。结果表明:波纹比、波纹区域大小对AS4/3501-6单向层合板Ex、Ez、Gyz、Gxz、vyx、vzx产生了较大影响,对E-glass/8084单向层合板Ex、Gxz、vyx、vzx、vzy产生了较大影响;梯度型面外波纹对层合板弹性性能的影响小于均一型面外波纹;波纹参数对不同纤维体积分数的层合板相对弹性性能的影响几乎相同。第三,以铺层为[±45,（0,90）2]s的AS4/3501-6层合板为例,首先运用经典层合板理论预测了该铺层结构的标准层合板弹性性能。基于含面内波纹缺陷的层合板刚度预测多参数模型,建立适合铺层为[±45,（0,90）2]s的AS4/3501-6层合板的多参数模型,并讨论了与面内波纹有关的参数对该多向层合板弹性性能的影响。结果表明:面内波纹比大于0.5时,层合板力学性能几乎不再随波纹比增大而变化;含波纹的单层板越靠近几何中心平面,层合板力学性能受面内波纹的影响越小;在单层板力学性能对整个层合板贡献越多的方向上,当面内波纹出现在该层时,层合板在这个特定方向上的力学性能下降越显著。第四,开展实验研究,对前期的预测结果进行验证,并对层合板拉伸强度、弯曲强度等进行了前瞻性研究。基于干的单向纤维纤维布,本文设计了一种sandwich结构,提出了“两步法”制备含面外波纹缺陷的玻璃纤维增强单向层合板。利用VARI工艺,首先制备“夹芯”结构,然后在其上下面铺设一定数量的干纤维布,再用VARI工艺进行二次成型,由此制备了含梯度型面外波纹缺陷的单向层合板及标准层合板。在此基础上,制备拉伸、弯曲实验试样并进行测试。结果表明:“两步法”制备的标准层合板和正常VARI成型的标准层合板力学性能基本相同,即“两步法”是可行的;含梯度型面外波纹缺陷的层合板刚度预测模型得到的Ex、vyx均与实验值吻合很好,含均一型面外波纹缺陷的层合板刚度预测模型得到的Ex、vyx均与实验值吻合

关键词： 发动机   密封材料   力学性能  

摘要： 随着发动机功率和扭矩的提升,各结合面对密封材料的使用要求越来越高。评价密封材料的性能指标主要包括力学和密封两部分,本文重点以无石棉纤维增强密封材料的力学性能作为研究对象,介绍该材料的力学性能研究现状。

关键词： 微分关系   剪力图   弯矩图   剪力图正负与面积  

摘要： 本文以剪力、弯矩和分布荷载集度之间的微分关系为基础,求出支座反力后可快速绘制剪力图,根据剪力图的正负和剪力图面积来绘制弯矩图。对于基础普遍较差的三本院校学生来讲,较易掌握。

关键词： 超声冲击   力学性能   有限元   残余应力  

摘要： 虽然大量的研究结果表明超声冲击处理对消除焊接残余应力、提高接头的疲劳性能有明显的效果,但其对材料力学性能的影响却鲜有研究。本文以海洋平台上常用的EQ56大厚度高强钢作为研究对象,使用微冲剪方法测试了超声冲击处理前后焊接接头不同位置的微区力学性能,以此来研究超声冲击对材料力学性能的影响。测试结果表明,由于超声波所引入的声软化作用,经过超声冲击处理之后,焊接接头内部在一定程度上发生了软化,材料的抗拉强度、屈服强度降低而塑性升高;但不同位置处的软化程度并不相同,就材料的抗拉强度而言,母材区域的最大降低幅度为11%,热影响区为9%,焊缝区域为19%,焊缝区域软化效果较为明显的原因是由于冲击时间过长所导致的。此外,超声冲击处理会在材料表面形成一层晶粒较细的强化层,与未经超声冲击处理的接头表面材料相比,该层的屈服强度、抗拉强度和塑性均有所增高;并且在该强化层内,焊接接头的力学非均匀性得到了改善,焊缝与母材的屈服强度差值从超声冲击处理前的30MPa降低到超声冲击处理后的15MPa。此外,考虑到超声冲击处理过程复杂,工艺参数较多,实际测试操作性不好的原因,本文以ABAQUS商用有限元软件为基础,使用Python语言对其进行了二次开发,建立了可以真实反映超声冲击过程的有限元模型,并通过实际应力测试试验对其准确性进行了验证。在此基础上,以无应力状态的304L不锈钢板为对象,使用不同工艺参数计算分析了其对超声冲击应力结果的影响。计算结果表明,冲针初始速度对冲击效果有较为明显的影响,当其从1m/s增大到3m/s时,残余压应力的最大值从412MPa增大到460MPa,而且残余应力最大值的所在的位置从距工件表面1.74mm处增加到2.46mm处;此外,随着冲击时间的增加,残余压应力的最大值逐渐从433MPa增加到449MPa,但增加的趋势逐渐变缓,由此说明超声冲击处理时,冲击时间存在一个最佳值,超出该最佳时间后,冲击效果变化不明显;但冲针与工件之间的摩擦系数对冲击效果的影响不明显,使用不同摩擦系数计算所得到的应力分布结果基本相同,无太大变化。

关键词： 纳米二氧化硅   纳米二氧化钛   水泥净浆   水泥砂浆   抗压强度   微观结构  

摘要： 纳尺度二氧化硅和二氧化钛是两种常见的纳尺度颗粒,将其掺入到水泥基材料中可以提高水泥基材料的力学性能。纳尺度二氧化硅为火山灰活性物质,二氧化钛则为非火山灰活性物质,两者对水泥基材料力学性能的影响可能不同。本文以纳尺度二氧化硅和二氧化钛为研究对象,研究不同火山灰活性纳尺度颗粒的粒径、掺量对水泥基材料力学性能和微观结构的影响,本文的主要研究内容如下:首先,研究了不同分散方法下纳尺度颗粒的分散性,在此基础上研究了纳尺度二氧化硅和二氧化钛的粒径、掺量对水泥净浆流动性、抗压强度和断裂能的影响。研究结果表明,掺纳尺度二氧化硅净浆的抗压强度大于纳尺度二氧化钛净浆的抗压强度,且纳尺度颗粒的粒径越小,纳尺度颗粒净浆的抗压强度越高;掺量越大,纳尺度颗粒净浆的抗压强度越高。纳尺度二氧化钛净浆的断裂能大于掺纳尺度二氧化硅的断裂能。其次,研究了不同火山灰活性纳尺度颗粒的粒径、掺量对水泥砂浆流动性、抗压强度和断裂能的影响。当纳尺度颗粒掺量较大时砂浆浆体的流动性很差,调节减水剂掺量改变浆体的流动性,研究了不同流动度下纳尺度颗粒对砂浆力学性能的影响,同时,对掺纳尺度颗粒净浆和砂浆的力学性能进行了对比。研究结果表明,纳尺度颗粒也可以提高砂浆的力学性能,提高的幅度则小于水泥净浆。最后,研究了纳尺度二氧化硅和二氧化钛对水泥基材料的组成、水化程度、孔结构、形貌等微观结构的影响,纳尺度颗粒提高了硬化水泥浆体的水化程度,降低了其孔隙率,提高了无害孔和少害孔所占的比例,同时,有利于形成致密、均匀的微观结构,提出纳尺度颗粒在水泥基材料中的主要作用为促进水泥浆体的水化。

关键词： 柠条茎秆   柠条纤维   生物力学性质   动态黏弹性   生物质利用  

摘要： 山西雁门关畜牧生态区种植着几千万亩柠条灌木,其防沙固沙生态效益显著,还是成型饲料、燃料及环保材料的重要生物质资源。柠条由于其木质纤维强度和韧性均远优于其它木质类灌木,应用前景极为广阔。在机械化收获和加工利用等相关环节需要全面系统地掌握柠条材料的力学性质,为相关装备设计和加工工艺优化提供基础数据及理性参考。因此本文试验研究了柠条灌木茎秆材料、柠条木质纤维、柠条固体成型材料及柠条纤维增强建材等的力学性质及动态黏弹性性质,主要内容如下：(1)运用INSTRON生物材料试验机试验研究了柠条茎秆材料及固体成型材料的拉伸、压缩力学性质,获得了拉伸强度、压缩强度、弹性模量等各项生物力学性质指标及应力-应变关系等,并对5年生和10年生柠条茎秆的形态特性、生长龄及取样位置等因素与其力学性质指标相关性进行了研究,在多变量统计分析基础上得出了两者之间的相关性。(2)采用离析法分离提取了5年生柠条茎秆的植物纤维,试验研究了柠条纤维的拉伸力学性质,分析了柠条纤维的拉伸应力-应变关系,并对比其它包装材料,得出柠条纤维的韧性大、强度高等优点,针对柠条纤维力学性质反映出的优良特性,探索了柠条在环保绿色包装材料的研发中这些性质应用具有的比较优势。(3)运用热动态机械性能分析仪(DMA),进行了柠条固体成型材料压缩试验以及柠条茎秆原材料试验研究,测定了柠条固体成型材料储存模量E'、损耗模量E"和损耗因子tanδ(tanδ=E"/E')的温度谱与频率谱,重点分析了柠条固体成型材料的玻璃化转变特性等动态黏弹性性质与温度和频率的响应情况。从热力学等角度分析内部结构分子的运动情况,结果为柠条环保材料的转化利用和工艺优化等提供参考。(4)研究了柠条纤维增强与水泥和石灰粉为基应用在农业设施中的建材制作工艺,并试验研究了这种新型复合材料的拉伸、压缩、弯曲力学性质,获得其抗拉强度、抗压强度、弹性模量、弯曲极限应用等力学性质指标,分析其应力-应变关系,为柠条在农业绿色环保材料中的应用探索了新的途径。

关键词： 材料力学   教学   实验   探索  

摘要： 材料力学作为高等工科学校一门重要的专业技术基础课,与我们实际的生产活动紧密相关,本文从材料力学任务要求、学习的目的,对课程的主要内容的掌握,课程实验教学对材料力学课程教学要求进行初步探索。

关键词： 材料力学   杆系超静定   ANSYS有限元软件   单元  

摘要： 针对材料力学中杆系超静定结构教学问题,提出了基于有限元软件ANSYS的辅助教学计算方法。首先介绍了杆系超静定结构常用的有限元单元和使用特点;然后提出了基于有限元法和材料力学中力法求解的两种超静定结构的ANSYS建模和求解方法;最后通过算例,验证了两种方法的有效性,并指出了提出的两种求解方法在辅助教学中的特点。