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ISBN: (数字)9787562348740

摘要： 本书共分12章，依次为材料力学的基本概念、杆件的内力与内力图、轴向拉压杆件的强度与变形计算、材料在拉伸和压缩时的力学性能、扭转杆件的强度与刚度计算、应力状态分析及强度理论、截面的几何性质等。

关键词： Stone-Wales缺陷   碳纳米管   复合材料   界面结合性质   力学性质  

摘要： 碳纳米管优异的力学、电学及热学性能使其成为复合材料优异的增强体,碳纳米管/聚合物复合材料在航空航天、机械制造和工业生产等领域有着广泛的应用前景。然而,在碳纳米管及其复合材料的制备及表征过程中,将在其表面引入缺陷,其中一种较为典型的缺陷为Stone-Wales缺陷。缺陷的存在将对复合材料力学性质产生影响。由于实验技术的限制,很难对碳纳米管表面的缺陷进行表征。鉴于此,本论文采用分子动力学模拟方法,研究了Stone-Wales缺陷对碳纳米管/聚丙烯复合材料力学性质的影响,并通过复合材料界面结合性质的角度探索了缺陷对复合材料力学性质的影响机制。本文通过模拟碳纳米管从聚丙烯基质中的抽拔过程,研究了Stone-Wales缺陷对碳纳米管/聚丙烯复合材料界面结合性质的影响。缺陷能够显著提高复合材料的界面结合性质,且随着缺陷数目的增加,复合材料的界面结合性质随之提高。本文采用“恒应变能量最小化法”,模拟复合材料的单轴拉伸过程,研究了Stone-Wales缺陷对碳纳米管及碳纳米管/聚丙烯复合材料力学性质的影响。缺陷能够降低碳纳米管的轴向力学性质,且碳纳米管的轴向力学性质随缺陷数目的增多而降低;然而,碳纳米管的径向力学性质基本维持不变。对于碳纳米管/聚丙烯复合材料,Stone-Wales缺陷能够降低其纵向力学性质,且随着缺陷数目的增多复合材料的纵向力学性质逐渐降低;相反,复合材料的横向力学性质随着缺陷数目的增多逐渐提高。此外,本文研究了外界温度因素对碳纳米管/聚丙烯复合材料界面结合性质及力学性质的影响。随着温度的升高,复合材料的力学性质及界面结合性质均随之降低。这是由聚丙烯基质的热膨胀引起的。

关键词： 三维织造复合材料   纤维棒   刚度性能   强度性能   损伤  

摘要： 三维织造复合材料以其诸多卓越的力学性能在工程领域得到广泛的应用,受到材料工作者和工业界的广泛关注。三维织造复合材料内部呈空间立体网状结构,其宏观力学性能是由其细观织造结构决定的。三维织造层间增强的纤维棒复合材料是基于三维织造和二维层合结构的一种新型的复合材料,其内部各相材料相互交织,织造结构复杂,表现出高度的非均匀性和各向异性,这给材料宏细观力学性能分析和损伤机理的分析带来一定的困难。本文围绕着三维织造层间增强的纤维棒复合材料宏观静态和瞬态动力学性能分析这个主题,开展了三维织造层间增强的纤维棒复合材料刚度性能、预制.件变形、强度性能以及低速冲击损伤分析等内容的研究。第2章简要的回顾了三维编织复合材料实验研究概况和理论研究进展。阐述了三维编织复合材料力学性能的研究方法和手段。同时给出了当前三维织造复合材料的细观力学模型,刚度性能和强度性能分析的方法和模型,为本文对三维织造层间增强的纤维棒复合材料力学性能分析提供依据和思路：即以复合材料的细观层次力学性能研究为基础,如细观结构刚度性能,准静态拉伸和压缩力学性能等,以研究三维织造复合材料的宏观力学性能,如宏观状态下复合材料的抗冲击性能。第3章针对三维织造层间增强的纤维棒复合材料的织造结构的特点,提出了一种分层刚度计算模型,运用Eshelby-Mori-Tanaka等效夹杂理论,分别计算了各织造单层复合材料弹性性能常数,研究了纤维棒阵列间距与单织造层复合材料刚度性能的影响规律,并运用刚度体积平均法计算了复合织造结构复合材料的刚度性能,研究了0/90、45/135、0190/45/135织造复合材料的刚度性能与织造工艺参数之间的关系。纤维棒阵列间距对复合材料的刚度性能有较大的影响。建立了交叉型织造纤维束的受力分析模型,研究了纤维束内的应力分布。根据三维织造工艺和预制件结构特征,针对不同织造方案和不同阵列纤维棒位置,建立了预制件的变形计算模型,研究了纤维棒直径、阵列间距以及织造张紧力对预制件变形的影响关系,得到了织造工艺参数预制件横截面变化的影响规律。建立了织造过程中织造张紧力与预制件几何参数之间的关系模型。得到了合理控制预制件变形范围的织造工艺参数。第4章依据织造结构几何特征建立了三维织造层间增强的纤维棒复合材料代表性单元有限元模型,通过施加周期性边界条件,运用有限元模拟计算得到了不同织造结构的三维织造层间增强的纤维棒复合材料的弹性常数,研究了纱线填充因子对三种织造结构的复合材料弹性常数的影响规律。数值模拟结果与实验值吻合较好。得到了不同织造方案纤维束、纤维棒以及树脂基体的细观应力场。进一步地根据织造过程中交叉型织造纤维束的扭曲特征,通过引入随机函数理论,建立了考虑纤维束的扭曲效应的有限元模型。通过数值模拟计算研究了纤维束的扭曲效应对单纤维束以及三维织造复合材料的刚度性能和拉伸性能的影响。第5章针对三维织造复合材料各相材料的特点,通过引入Hashin损伤判断准则和损伤演化理论,建立了三维织造层间增强的纤维棒复合材料渐进损伤分析模型。对不同织造结构三维织造层间增强的纤维棒复合材料在单轴拉伸载荷作用下的损伤演化和失效进行了深入的研究。得到的应力应变曲线与实验结果吻合较好。分别对纤维束、纤维棒和基体的多种损伤模式进行了分析,获得了导致不同织造结构复合材料单向拉伸失效的主要损伤模式和失效机理。各织造结构复合材料的失效模式与实验试样断裂形貌吻合较好。与纤维棒圆周面粘接的基体是三维织造复合材料横向拉伸强度薄弱点,通过引入内聚力单元研究了界面强度对三维织造复合材料单向拉伸性能的影响规律。建立了三维织造复合材料的横向压缩损伤模型,研究了三维织造复合材料的压缩损伤破坏机理。依据分层刚度计算模型计算得到的各织造层弹性常数,建立了三维织造层间增强的纤维棒复合材料低速冲击损伤分析宏观层合有限元模型。通过引入Chang-Chang失效准则模拟了三维织造复合材料的低速冲击损伤破坏过程,研究了各织造层复合材料冲击损伤与动态响应之间的关系,分析了各织造层的冲击损伤模式。进一步研究了细观尺度下的单纤维束复合材料的冲击损伤演化模式。第6章制作了不同织造结构和工艺参数的试验件,进行了相关拉伸和压缩测试。得到了试验件的弹性常数和拉伸与压缩力学行为。通过显微镜观察试验件的断口形貌获得了试验件的宏微观失效模式。实验结果有效的验证了第3章中的刚度计算模型,第4章中的有限元分析模型和第5章中的渐进损伤分析模型。

关键词： 激光超声   弹性常数   残余应力   表面微裂纹   有限元方法  

摘要： 本文基于激光超声技术,实验测量了金属材料的弹性常数、残余应力以及表面裂纹,并建立了激光超声问题有限元分析的等效力学模型,在此基础上针对金属材料的激光超声无损检测进行了相应的有限元分析,主要内容如下:首先,自主研发了激光超声无损检测实验系统,该系统具有精度高、稳定性好、无破坏、完全非接触、适应各种恶劣环境等优点,为后续的激光超声实验测量材料的弹性常数、残余应力的深入研究奠定良好的基础。实验系统主要由激发系统、接收系统和预应力加载装置组成。激发系统由Nd:YAG激光器发出能量、频率可调的脉冲激光与样品相互作用来产生超声信息;接收系统由激光多普勒振动计、示波器和计算机组成,实现对超声振动信息的光学非接触检测;预应力加载装置可实现样品的约束和检测时的预应力同步加载。其次,提出了激光超声问题有限元分析的等效载荷法,并在此基础上模拟了激光超声测量材料弹性常数的物理过程。脉冲激光被等效成在时间和空间上均满足高斯分布的载荷,并通过引入修正系数建立了脉冲激光的物理参数与载荷的定量关系,该方法有效地避免了热-力耦合问题。采用激光超声方法实验测量了金属材料的弹性模量和泊松比,通过测量激光诱发的超声纵波和表面波的传播速度反演材料的弹性常数。提出了实验数据线性拟合的方法消除了实验中接收系统的时间延迟问题,通过拟合曲线的斜率可以求得超声波的传播速度,该方法不仅精度高而且可以求得实验系统的时间延迟量。最后,探讨了激光超声检测残余应力时检测角度与表面波速度的非线性关系,提出了沿着主应力方向检测为最佳检测路径的概念。从实验和有限元分析两方面研究了利用激光超声表面波检测残余应力和表面微裂纹问题。通过测量超声表面波在已知的加载应力场下的波速来得到材料的声弹性系数,在此基础上,采用激光超声无损检测的方法评估了焊接结构的残余应力,采用等效力学模型对焊接残余应力的检测进行了相应的有限元分析,所得的数值解与实验结果吻合良好。通过预设裂纹研究了激光超声表面波对于微裂纹的定位检测并探讨了裂纹的宽度和深度对反射波和透射波幅值的影响以及裂纹的低通滤波效应。本文的研究成果对金属材料力学性能的激光超声检测提供依据,也有助于激光超声无损检测技术进一步发展和应用。

关键词： 木质纤维   硅铝无机质   溶胶-凝胶   有机-无机杂化   力学性能  

摘要： 木质纤维基超轻质材料是一种可自然降解和多次重复利用的环保材料,它可应用于缓冲包装和墙体材料等领域。该材料虽具有吸音防震和保温隔热等优良特性,但其力学性能较差,这大大降低了该材料的应用价值。因此,本文针对木质纤维基超轻质材料力学性能差的问题,提出了以硫酸铝和硅酸钠水玻璃为无机组分,利用传统的溶胶-凝胶(Sol-Gel)法制备了硅铝／木质纤维基超轻质复合材料。设计从制备工艺学原理、硅铝无机质在木质纤维基超轻质材料中的分布与界面状态、性能改性及评价,以及木质纤维和硅铝无机质的复合机理等方面进行了系统的研究。通过对比分析得出,Sol-Gel法制备硅铝溶胶-凝胶的方法比分开添加法更能有效地改善硅铝／木质纤维复合材料的力学性能。优化得出木质纤维基超轻质材料用硅铝溶胶-凝胶的制备工艺为：硅铝摩尔比为2：1、聚硅酸活化pH值为8.0和制备温度为50.0℃。此时,材料的内结合强度为10.23kPa, PASS的平均粒径为7.52μm。针对硅铝无机物脆性大的缺点,以聚乙烯醇(PVA)为有机试剂来改性硅铝溶胶-凝胶,研究发现PVA与硅铝溶胶-凝胶存在化学键联接和物理交联两种结合方式。PVA自身良好的成膜性和粘结性,以及能够改善硅铝无机质在木质纤维材料的分布均匀性,有效地改善了木质纤维材料的力学性能。在硅铝／木质纤维复合材料的制备工艺优化试验中发现,硅溶胶有效地改善了木质纤维复合材料的的热稳定性和力学性能。优化得到的最优制备工艺为：硅铝溶胶-凝胶添加量为500.0 mL,PVA和硅溶胶的添加量分别为硅铝溶胶-凝胶添加量的30.0%和4.0%。该条件下制备的复合材料内结合强度为14.33 kPa,平均吸声系数为0.858,接触角为127.0°,导热系数为0.042 W/m·K。综合运用SEM-EDS、TEM、NMR、XRD、FTIR、 XPS和热分析等测试手段系统地研究了硅铝无机质与木质纤维的界面及复合机理。结果表明,硅铝溶胶-凝胶能够在木质纤维的表面及细胞腔内壁上分别形成一层厚度为300-400 nm和小于100 nm的硅铝无机膜。木质纤维与硅铝溶胶-凝胶存在两种结合方式,一是硅铝溶胶-凝胶以氢键连接的形式吸附在木质纤维的表面,或以物理填充的形式存在于木质纤维的细胞腔中；二是硅铝溶胶-凝胶与木质纤维中的半纤维素和木质素的羰基反应形成共价键连接,使木质纤维与硅铝无机质达到“分子水平”的复合。

关键词： 水泥基复合材料   PVA纤维   纳米粒子   力学性能   弯曲韧性   断裂性能  

摘要： 近年来,PVA纤维水泥基复合材料因其较大的延性,较高的韧性及其多缝开裂和应变硬化特性,引起了国内外的广泛关注,众多学者对其开展了大量的研究工作。纳米材料凭着其特有的“纳米效应”,作为一种新材料已在众多领域展现出广阔的应用前景。随着纳米材料研究的深入和制造成本的降低,其应用领域逐渐扩展到建筑材料中。然而,在目前的研究成果中,尚未发现有关掺纳米材料PVA纤维增强水泥基复合材料力学性能的研究资料。本文通过大量试验研究了纳米粒子和PVA纤维掺量以及石英砂粒径等因素对纳米粒子PVA纤维水泥基复合材料基本力学性能、弯曲韧性评价结果及断裂性能的影响。主要研究内容包括：(1)研究了纳米粒子PVA纤维水泥基复合材料的配制方法,确定了二十组试验配合比。通过坍落扩展度试验,得出了PVA纤维掺量、纳米粒子掺量及种类、石英砂粒径等对纳米粒子PVA纤维水泥基复合材料工作性影响的规律。(2)以28天为试验龄期,通过立方体抗压强度试验、轴心抗压强度试验、抗折试验后小立方体抗压强度试验,得出了PVA纤维掺量、纳米粒子掺量及种类、石英砂粒径等对纳米粒子PVA纤维水泥基复合材料抗压性能影响的规律。(3)以28天为试验龄期,通过抗折强度试验,得出了PVA纤维掺量、纳米粒子掺量及种类、石英砂粒径等对纳米粒子PVA纤维水泥基复合材料抗折性能影响的规律。(4)以28天为试验龄期,通过尺寸为100mm×100mm×400mm小梁试件的三分点加载弯曲试验,采用《钢纤维混凝土》中弯曲韧性的评价方法对试验结果进行分析,得出了PVA纤维对纳米粒子PVA纤维水泥基复合材料弯曲韧性影响的规律。(5)以28天为试验龄期,通过尺寸为100mm×100mm×400mm预切口小梁试件的三点弯曲试验,研究了纳米粒子PVA纤维水泥基复合材料的断裂性能,并以有效裂缝长度、起裂韧度、失稳韧度、断裂能等为评价指标,得出了PVA纤维、纳米粒子掺量及种类、石英砂粒径等对纳米粒子PVA纤维水泥基复合材料断裂性能影响的规律。

关键词： 有限元   数值模拟技术   材料力学   教学策略  

摘要： 材料力学是工科专业的一门重要专业基础课程，其中涵盖着大量的概念性知识和方法性知识。为了进一步提高学生的学习兴趣和积极性，可以将有限元数值模拟技术进行有效的应用，逐步完善材料力学教学新策略，以提高材料力学教学质量。本文就此进行简要分析，仅供相关人员参考。

关键词： 材料力学   卓越工程师计划   理论改革   模拟仿真   实验创新  

摘要： 以培养卓越工程师为目标,从材料力学课程的特点出发,分别就课堂理论分析、计算机模拟仿真和材料力学实验研究等三方面进行了有效的探索与思考。结果表明,将三方面有机结合并贯穿于材料力学课程学习中,培养并锻炼了学生的学习及创新能力,对提升教学质量以及培养卓越工程师具有较为重要的参考价值。

关键词： 天然橡胶   芳纶短纤维   表面改性   界面粘结   长径比   力学性能  

摘要： 芳纶纤维由于具有极好的耐腐蚀、耐热和耐疲劳性能和尺寸稳定性,还具有高强度、高模量等优良性能,使其广泛应用于不同的领域中,是全球发展最快、产量最高和用途最广的高科技纤维。同时由于芳纶纤维具有轻质的优点,用其与胎面胶复合是轮胎高性能化发展的重要技术路线之一,其作为工程轮胎理想的骨架材料受到了越来越多的关注和研究。本论文以天然橡胶作为基体,以芳纶短纤维增强轮胎用天然橡胶复合材料为研究对象,采用母练胶法制备短芳纶纤维增强天然橡胶复合材料。为了改善芳纶纤维的表面活性、提高其在天然橡胶基体中的分散度及其与天然橡胶基体的界面粘合,以达到提高芳纶纤维增强天然橡胶复合材料性能的目的,本文采用硅烷偶联剂作为改性剂对芳纶短纤维进行表面改性并研究了其对复合材料的性能影响。同时对芳纶短纤维的长径比和实验条件作了进一步的研究。（1）利用质量浓度均为2.0%的不同偶联剂溶液（KH550、KH560和KH570）在65℃的温度下对芳纶纤维进行表面改性,然后将改性芳纶纤维与天然橡胶基体复合制备纤维增强天然橡胶复合材料并对复合材料的力学性能进行测试。结果显示:通过偶联剂改性后,芳纶纤维表面活性提高,改善了其与天然橡胶间的界面粘结;通过复合材料力学性能的比较结果得出,偶联剂KH570在三种偶联剂中对芳纶纤维的改性效果最好,并确定以其作为本论文选定的改性剂。（2）在确定了偶联剂KH570作为芳纶纤维表面改性剂后,分别以纤维用量、偶联剂用量和改性时间作为变量研究了这些因素对复合材料力学性能的影响。通过实验分析确定了芳纶短纤维为2 phr、偶联剂质量浓度为1.0%、改性时间为10h时复合材料的力学综合性能最好,并确定以此作为进一步研究的基础。（3）在前面实验的基础上,以芳纶短纤维初始加工长度作为变量,研究了不同短纤维长径比对复合材料力学性能的影响。通过实验结果分析得出,增强短纤维在复合材料中长径比因纤维初始复合长度的增大而增大,并趋于平缓,其总体保持在一个变化幅度不大的范围内,说明复合材料中的短纤维长径比主要取决于材料的加工工艺。另外,短纤维不同的长径比会导致复合材料不同的裂纹扩展路径与材料的失稳破坏模式,较低和较高的长径比均不利于复合材料的综合性能,只有达到纤维长径比的临界值时其对材料的补强效果才会最佳。结果显示,当增强用短纤维在长径比约为220时复合材料的综合性能最佳。

关键词： 混凝土风电塔筒   自密实混凝土   尺寸效应   劈裂抗拉强度  

摘要： 随着风电产业日益的成熟与扩大,各国开始研究如何最高效地利用风能并尽可能地降低成本,塔架形式的改善是其中很重要的一环。研究证明,钢筋混凝土塔筒是提高塔架性能、降低成本的良好选择。另外,目前对大型混凝土结构的设计均以实验室测得的小型试件的强度值为标准,忽略了混凝土强度存在的尺寸效应。大量的试验与理论研究表明,普通混凝土的材料强度存在尺寸效应,相对而言,对自密实混凝土的强度尺寸效应研究还很匮乏。本文工作是某风电混凝土塔筒试验与理论分析研究项目的一部分,采用自密实混凝土制作了风电塔筒的模型试件,探讨了采用自密实混凝土改善双层配筋薄壁中空圆形截面混凝土构件的浇筑质量的可行性,并对自密实混凝土的工作性能和材料力学性能进行了试验,此外还开展了自密实混凝土劈裂抗拉强度尺寸效应的试验研究。试验结果表明,采用自密实混凝土能较好地完成风电塔筒的浇筑,得到令人满意的浇筑质量,但自密实混凝土存在的流动性随时间增长快速降低的问题仍有待解决。劈裂抗拉试验结果表明,自密实混凝土的劈裂抗拉强度与普通混凝土—样,存在尺寸效应。经分析发现,自密实混凝土劈裂抗拉强度的尺寸效应规律基本上和普通混凝土一致,以Weibull尺寸效应统计理论为依据的幂函数拟合结果很好地反映了其中规律：随着劈裂面面积的增加,自密实混凝土的劈裂抗拉强度会逐渐降低直至最终趋于稳定值。