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关键词： 材料力学   弹性常数   弹性模量   剪切模量   泊松比  

摘要： 弹性模量、剪切模量和泊松比等弹性常数是材料力学和弹性力学中重要的知识点,也是后续力学课程学习的基础。各向同性线弹性材料只有两个独立的弹性常数,因此其弹性模量、剪切模量和泊松比之间具有直接关联关系。在力学基础教学中充分利用这一关系的不同推导方法,可将相关力学知识串联融合,加深学生的理解,同时也可拓展教师授课的深度和广度。鉴于此,本文分别梳理了在单向拉伸应力状态、纯剪切应力状态和一般应力状态下各向同性材料弹性常数之间关系的多种推导方法,并揭示了该关系式实质上是各向同性线弹性体弹性完全对称性的反映,以丰富教学素材,培养学生举一反三的创新实践能力。

关键词： 水泥基次轻高强复合材料   微观结构   抗压强度   应力应变曲线   受弯构件  

摘要： 针对某高抗力防护设施需要,研发了水泥基次轻高强复合材料,并采用XRD、SEM分析了复合材料的成分、养护与微观结构关系。结果表明,随着胶凝材料中粉煤灰掺量的增加,复合材料的力学性能提高;对于有活性掺合料的复合材料,蒸汽养护能明显提高材料的强度;钢纤维的掺入起到了很好的阻裂效应,改善了高强复合材料的抗压性能和材料脆性,改变了破坏时的形态。采用该复合材料的受弯构件充分发挥了钢和高强水泥基材料的受力性能优势,达到了良好的组合效果,在减轻自重的同时,承载力还高出设计荷载约19%。

关键词： SiC_(p)/Al复合材料   热处理   弯曲强度   冲击性能   显微组织  

摘要： 采用热等静压工艺分别制备了SiC_(p)体积分数为35%、45%和55%的SiC_(p)/2024Al复合材料,研究了固溶时效处理对3种复合材料硬度、弯曲强度和冲击性能的影响。结果表明,3种SiC_(p)体积分数的复合材料均由Al、SiC和Al2Cu相组成,致密度均较高,基体与SiC_(p)增强体之间结合紧密。固溶时效处理(T6)可以显著提升复合材料的硬度。SiC_(p)体积分数为35%、45%和55%的复合材料的时效硬化曲线变化规律基本一致,均在时效2 h时达到峰时效状态,硬度分别比制备态复合材料提升了51.56%,41.51%和18.78%。SiC_(p)体积分数为35%的时效态复合材料弯曲强度提升幅度最显著,由622.48 MPa提升至838.11 MPa。随着SiC_(p)体积分数的增加,制备态复合材料的冲击吸收能量由3.43 J逐渐降低至1.00 J,T6处理会进一步降低复合材料的冲击性能。

关键词： 超材料   倒刺   吸能结构   弹性大变形  

摘要： 理想的吸能材料应同时具备轻质、高能量密度和可重复使用等特性。然而,传统吸能材料难以同时满足这些要求。机械超材料是一种新型工程材料,其性能不仅取决于组成材料,亦取决于其结构的几何形状和尺寸。因此,可以通过设计微观结构来控制其力学性能。 受到植物茎部和猫科动物舌头上的倒刺结构在不同方向上力学性能差异性的启发,本文设计了一种可重复使用且易恢复的倒刺-凸台接触吸能装置,并对倒刺与凸台接触时所发生的弹性大变形的力学问题进行了理论、实验和有限元分析,进而讨论了其几何参数对接触力和能耗的影响。 主要研究内容和结论如下: 1.首先,以倒刺结构为灵感设计了倒刺-凸台接触超材料吸能装置,其中的超材料通过弹性大变形吸能,基于欧拉-伯努利梁理论对其进行理论求解,得出大变形的椭圆函数形式的理论解,并推导出相应的应变能公式。 2.通过所设边界条件,设计并搭建实验平台,当倒刺选择截面尺寸为1mm×1mm、倾角φ=60°、长L=20mm的TPU95A材料时,在其与凸台刚好接触时,进行多次实验,该结构在吸能和恢复两个过程中力学性能具有明显的差异性:吸能过程的最大接触力是其恢复过程的15.4倍之多,而应变能则达到了其恢复过程的166.3倍,呈现出明显的方向依赖性。 3.基于对倒刺-凸台结构的实验分析,应用有限元方法对该结构进行数值分析。数值分析结果显示,接触力-位移曲线及应变能与实验结果一致,说明了数值分析的可靠性。 4.最后,讨论了倒刺-凸台接触超材料几何参数(倒刺倾角φ、长度L及其过盈量X)对其吸能和恢复过程中的接触力和能耗影响。数值分析结果表明:减小倒刺倾角对增强结构吸能能力和恢复有促进作用,而增加倒刺长度会减弱吸能能力,但结构也更易恢复;增加过盈量,会增强结构吸能能力,同时降低结构恢复能力。

关键词： PRMMC   数值仿真   3D RVE   力学行为   失效分析  

摘要： 相较于传统金属材料,颗粒增强金属基复合材料的优势在于可通过调控增强体种类、形貌、大小、分布和含量来获得理想的复合材料性能。但是,研究发现这些增强体参数协同影响着复合材料的力学性能,且对复合材料力学性能的具体影响规律仍未明确。目前主要的研究方式为制备材料并开展拉伸实验,但这种研究方式存在干扰因素较多,耗时长且成本高的难点。因此,为解决上述问题,本文从仿真模拟的角度入手,首先基于三种金属基复合材料(TiB2/6061Al、ZrB2/6061Al、SiC/CNT/AZ91D)的微观TEM照片,在仿真平台ABAQUS中建立了这三种复合材料的代表体积单元(Representative volume element,RVE)模型。随后结合Vumat子程序和Cohesive单元,在RVE模型中引入基体延性断裂准则、线性损伤演化算法、界面牵引分离准则,成功中模拟了 RVE在单向拉伸载荷作用下包括弹性变形、塑性变形和断裂损伤的全过程力学行为。随后与实验数据比对,验证了模型的精确性。最后对纤维(含量、投放角度)、颗粒(含量、圆整度,团簇率)进行了参数化分析,并总结出增强体对RVE的力学行为以及断裂行为的作用机制。研究结果表明: (1)对于TiB2/6061Al复合材料,增加颗粒质量分数wt提高了 RVE的承载能力,但降低了它的伸长率。颗粒的团簇率β对RVE的力学行为也有很大影响,随着团簇率β增加,颗粒间距的减小导致颗粒上的应力增加,伸长率降低了约8%,并导致损伤提前发生、应力的下降梯度增加,然而,屈服强度、拉伸强度及弹性模量均未得到提高。此外,还研究了裂纹产生和扩展的机理:首先在颗粒周围产生细裂纹,随后细裂纹与附近的其他细裂纹融合,形成主裂纹,主裂纹的进一步扩展导致了复合材料的宏观断裂。 (2)对于ZrB2/6061Al复合材料,实验发现该材料在制备过程中会产生局部高密度位错,这种位错效应使得复合材料的屈服强度得到提高,仅靠原有的塑性硬化模型无法模拟出真实的屈服强度。因此,本文基于热错配(CTE)机制,推导出了一个适用于该材料的新型塑性硬化模型,并成功开展了仿真模拟实验。考虑到颗粒圆角尺寸对应力的分布有着较大的影响,且目前对该因素的研究还较少,因此本文还对颗粒圆角尺寸进行了研究。结果表明:增加颗粒的体积分数fv显著提高了复合材料的承载能力,但降低了其伸长率。同时,为探究RVE在受载过程中的深层致因,我们结合正交标准化Lode角及应力三轴度对失效单元进行了深入分析,分析结果表明:当圆角尺寸pc较小时,偏应力引起的剪应力、压应力和拉应力是基体失效的主要致因,而当圆角较尺寸pc大时,静水应力产生的剪应力和拉应力基体失效的主要致因,且应力集中得到了有效缓解,并在很大程度上提高了伸长率,但承载能力没有明显变化。 (3)对于SiC/CNT/AZ91D复合材料,实验发现该材料的强化机制较为复杂,涉及多种强化机制,因此本文在此基础上,结合原有的塑性硬化模型和各项强化机制,推导出了一个适用于该材料的新型塑性硬化模型。实验结果表明:与仅含一种增强体的复合材料不同,对于含双相增强体的混杂复合材料而言,仅增大增强体的体积分数fv对其承载能力无明显强化作用,因此还需进一步探究具体的影响因素。随后进一步的失效分析表明:双相增强体混杂情况下的RVE材料损伤致因较为复杂,增强体团簇,投放角度等因素都会对RVE的力学行为具有较大的影响。考虑到CNT纤维在形貌及材料性能上的特殊性,本文对CNT纤维的投放角度φ进行了分析。分析结果表明:随着CNT纤维的投放角度φ由0°上升到90°,屈服强度上升了 30MPa,抗拉强度下降了 15MPa,伸长率下降了5%。

关键词： 丁腈橡胶   玻璃纤维   玄武岩纤维   聚乙烯纤维   补强  

摘要： 石油资源是推动世界历史发展的关键因素。高性能、低碳化的潜油螺杆泵技术是确保石油资源高效开采的关键设备。作为其核心部件的定子橡胶在井下恶劣工况长期服役会发生一系列失效问题,从而制约了螺杆泵的使用寿命。因此,为突破其使役寿命瓶颈,面向石油工业发展需求,本文聚焦螺杆泵定子橡胶材料,并对国内外补强材料发展状况进行了充分调研。调研过程中发现以玻璃纤维(以下简称为GF)、玄武岩纤维(以下简称为BF)、超高分子量聚乙烯纤维(以下简称为聚乙烯纤维或PE)为代表的纤维材料,得益于其良好的物理化学性能和相对低廉的成本在密封技术、军事装备、航空航天等众多研究领域作为补强材料均展现出显著优势,在补强定子橡胶性能方面亦显示出巨大潜力。然而,目前大多数该领域的研究工作仍依托于宏观试验,从微观的角度对填料的补强机理进行解释时仍显乏力。故而本文配合分子动力学(MD)技术,分别从宏观尺度和微观尺度的角度分析了多种纤维材料对高分子基体的影响机制。 本文主要工作包含以下几点: (1)为从分子维度分析GF、BF和PE在NBR基体中的补强机理,构建了三种纤维的分子模型,探究了不同种类纤维与基体的界面作用,随后对三种复合材料模型分别进行了横向拉伸测试及界面剥离失效行为模拟,分别探讨了材料横向拉伸性能及剥离失效过程中分子链的动态演变,对后续研究工作提供了理论基础。研究发现,GF与NBR基体间形成了最多的氢键,较之于BF/NBR中氢键数量多出16%,这促进了更好的界面结合。对复合材料进行双向拉伸测试发现,BF自身的高强度可为复合材料沿纤维方向上提供良好的力学性能,GF与NBR间良好的界面结合可为复合材料提供垂直纤维方向上抵抗失效的能力。 (2)为提高实验效率并降低试验温度对PE的不利影响,首先针对PE的热敏性设计了促进剂配方,筛选出了适宜的制备工艺参数。使用开炼机成功制备了5Phr和10Phr纤维添加量的GF/NBR、BF/NBR及PE/NBR,20Phr纤维添加量的GF/NBR及BF/NBR复合材料。使用无转子硫化仪对以上复合材料的硫化特性进行了测试,通过邵氏硬度仪、拉伸试验机等设备分别测试了复合材料的力学性能参数,分析了不同纤维对NBR基体的补强差异;使用摩擦磨损试验机对试样的摩擦系数进行了对比测试,并使用超景深显微镜对表面形貌进行表征,探讨了各种纤维/NBR复合材料的磨损机理。综合研判各复合材料的性能,遴选出一组性能均衡的样本以进行下一步的试验评估。研究发现,在低应变状态下,PE10/NBR复合材料具有较高的硬度及良好的弹性模量。在高应变状态下,GF10/NBR复合材料由于其良好的界面结合力,复合材料表现出较高的拉伸强度、断裂伸长率。并且随着纤维含量的增大,纤维团聚效应的影响,力学性能总体上均表现为先增大后减少的趋势。在摩擦学研究中发现,PE10/NBR的磨损最为严重(为35.77mg)。GF10/NBR在磨损过程中可在磨损表面形成纤维润滑膜,表面磨损最小(为31.83mg)。而由于BF易发生团聚,使得BF/NBR复合材料磨损表面易产生缺陷。 (3)为模拟螺杆泵定子橡胶的工作环境,在环己烷介质中对橡胶试样进行了静态溶胀处理。通过对比溶胀前后的材料力学性能差异,探究了不同纤维复合材料在环己烷溶剂中的力学性能衰减规律;通过对比不同纤维复合材料溶胀前后的摩擦学性能,分析了溶胀效应与纤维复合材料磨损机理的交互关系。研究发现,三种纤维均能降低复合材料的溶胀度,但效果差别不大。PE10/NBR在溶胀后表现出界面结合的暂时增强,但引入了内部结构缺陷,使得弹性模量及硬度轻微下降,而定伸应力及拉伸强度上则表现为显著衰减。GF10/NBR因良好的界面结合,在溶胀后能保持良好的力学稳定性。在摩擦测试中,所有复合材料均表现为黏着磨损的加剧,但PE10/NBR的磨损最为严重。 通过上述创新性工作,构建了高效能、低成本潜油螺杆泵定子橡胶体系,为跨尺度纤维补强高分子材料研究奠定了基础,该成果已应用于辽河油田,产生了良好的经济效益。

关键词： 涂层平纹织物膜材料   双轴拉伸测试方法   单轴任意角度拉伸本构模型   单轴拉伸力学性能   双轴拉伸力学性能  

摘要： 高性能装配式充气救援艇是充气膜结构的一种,作为突发洪涝灾害等大规模人员物资安全转移的设备,具有快速调节承受载荷和适用场景的特点,能够有效的提高消防救援队伍的应变能力。膜材料的力学性能与救援艇承载能力息息相关,是救援艇设计过程中至关重要的基本设计参数。本文以高性能装配式充气救援艇为背景,针对其采用的TPU涂层平纹织物膜材料展开了深入的研究。通过理论分析与实验验证相结合的方法,系统地探究了膜材料在单轴和双轴载荷作用下的力学性能,为充气式救援艇领域的设计提供重要的理论与实践支持。本文主要研究内容如下: (1)对TPU涂层平纹织物膜材料的基础性能进行了全面的分析,包括其宏观和细观组成结构、宏观密度以及纱线对膜材料力学性能的影响原因。同时梳理了膜材料本构关系的构建思路,为后续的实验设计和理论模型建立奠定了坚实的基础。 (2)针对膜材料的复杂力学性能,设计了专门用于膜材料拉伸实验的实验台,并通过实验台强度的计算和静力学仿真分析,验证了拉伸实验台对于拉伸实验的可行性。最后通过与标准拉伸实验的比较,确保设计的实验台拉伸实验过程的准确性。 (3)以TPU涂层平纹织物膜材料为研究对象,分别设计了其在单轴和双轴载荷作用下拉伸实验。通过对拉伸实验数据的分析与对比,建立了膜材料在单轴和双轴载荷作用下的本构模型。通过理论分析和数值计算,掌握了膜材料在不同载荷条件下的力学响应规律,为后续充气膜结构变形模拟问题提供了理论参考,具有良好的工程应用潜力。 研究膜材料的力学性能具有重要的实际意义与应用前景。通过对膜材料力学性能进行研究,可以了解其承受载荷的能力及变形特性,为高性能装配式充气救援艇等充气式膜结构的设计和优化提供理论参考,从而设计出更加稳定可靠的救援艇,提高救援艇的应对能力和适应性。