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关键词： 铝材料   分子动力学   力学性能   晶体缺陷  

摘要： 金属构件在焊接、冲压、铸造和其它许多加工中,均有可能形成残余应力。在许多情况下,残余应力的存在会对构件的机械性能产生极为不利的影响,振动时效工艺是近四五十年来国内外兴起的一种高效环保的消除残余应力的新技术。然而,到目前为止,此项技术并没有得广泛应用。究其原因是振动时效消除残余应力时金属内部(晶体)的微观力学特性和行为不是很清楚,要了解其规律仅依靠宏观的金属连续体模型是无法实现的。因此,只有建立起反映真实微观结构的晶体力学模型,反映金属晶体内部微观力学特性,才能从根本上来研究残余应力的消除问题。本文将以铝材料作为研究对象,根据铝晶体的空间点阵结构建立了由多个晶胞构成的单晶力学模型,采用了分子动力学方法模拟了铝材料在拉伸、压缩与循环振动下的力学行为,为微观上研究振动时效消除机理提供一种思路。主要研究内容和主要结论如下:(1)根据晶体学理论和铝晶体的空间点阵结构,建立了无缺陷和含有空洞点缺陷的晶体力学模型,利用分子动力学方法研究微观晶体结构的力学性质,架起了宏观和微观研究之间的桥梁,为研究振动时效的微观机理打下基础。(2)根据分子动力学和金属物理理论,利用无缺陷晶体力学模型和分子动力学软件LAMMPS,研究了铝材料在拉伸和压缩下的力学性能,研究表明铝材料位错滑移是发生变形的主要原因,变形分为弹性变形阶段和塑性变形两个阶段,在拉伸和压缩负载下,单晶铝材料表现出屈服强度的非对称性,拉伸负载下的屈服强度明显大于相应压缩负载的值。(3)运用分子动力学软件LAMMPS,研究了应变率和温度对铝材料拉伸与压缩力学性能的影响。研究表明,应变率增大,铝材料的拉伸屈服强度随着增大。温度升高,拉伸压缩下屈服强度和弹性模量随之降低。(4)根据分子动力学和材料力学理论,利用无缺陷晶体力学模型和分子动力学软件LAMMPS,研究了动应力对铝材料的应力影响。结果表明,晶体会产生棘轮效应,激振力和激振频率越大,铝材料棘轮效应越明显,且屈服强度逐渐降低,铝材料内的塑性变形更易产生。(5)利用含有空洞点缺陷的晶体力学模型和分子动力学软件LAMMPS,分析了空洞的半径大小、间距和数量对铝材料拉伸与压缩的屈服强度和弹性模量的影响。结果表明,弹性模量、屈服强度随着空洞的半径的增大而减小,随着空洞间距的增到而增大,在空洞总体积不变的情况下,随空洞数量的增多而减小。(6)利用含有空洞点缺陷的晶体力学模型和分子动力学软件LAMMPS进行拉伸模拟分析可知,铝材料在空洞处易产生应力集中,而在动应力加载过程中,空洞处应力逐渐减小,并通过实验进行了验证,结果表明了分子动力学软件LAMMPS建立的模拟模型是正确的。

关键词： 空心玻璃微珠   玻璃纤维   复合材料   有限元模型   数值模拟   力学性能  

摘要： 玻璃纤维/玻璃微珠/环氧树脂复合材料是一种新型的填充型复合泡沫材料,具有轻质、高比强、多功能性等优点。本文分别从实验研究和数值模拟两个方面对复合泡沫材料的力学性能进行了研究,讨论了复合材料的各项力学性能以及影响要素。制备了空心玻璃微珠质量比为5%,玻璃纤维不同质量比的五组配比的玻璃纤维/玻璃微珠/环氧树脂复合泡沫材料。通过拉伸、压缩和三点弯曲实验,得到了复合材料的应力-应变曲线及弯曲的载荷-位移曲线,得出了复合材料的弹性模量、强度、比强度等力学性能,分析了玻璃纤维的填充量对复合材料力学性能的影响。运用Webull分布函数,通过编译程序在ANSYS软件中指定的区域内自动生成随机分布的玻璃纤维及空心玻璃微珠,以玻璃微珠壁厚、体积分数、玻璃纤维的体积分数为参变量,建立了144个复合材料的有限元模型。根据实际材料,设置了有限元模型的边界条件、玻璃纤维和空心玻璃微珠及环氧树脂基体的材料属性,通过数值模拟得到了各模型的弹性模量、屈服极限、应力-应变曲线以及应力应变场分布情况,讨论了影响复合材料力学性能的主要要素。通过对应力、应变场分析,得出了玻璃纤维增强空心玻璃微珠/环氧树脂复合泡沫材料的弹塑性性能的原因。

关键词： 材料力学   测试技术   理论方法   实验应用  

摘要： 现代材料学主要依赖于对各种材料性能和特征的理解,但在常规实验和实际的应用中经常遇到一些无法解决的问题,给生产工作造成了极大的困难。材料力学的性能测试实验是得到材料性能详细数据的唯一方式,也是在进行材料性能模拟和大型材料性能数据库建立时最重要的工作,是无法用别的数据所代替的[1]。材料力学的测试技术在材料学中一直占据着重要地位,研究材料力学性能测试技术的特征和趋势,在现代材料学中是十分重要的事情。

关键词： 天然纤维   水泥基   力学性能   抗渗性能  

摘要： 纤维增强水泥基材料的问世,在一定程度上解决了高强高性能混凝土中出现的问题(拉压比低、韧性差、收缩大、耐久性低),并且适应于现有施工水平和设备条件。近些年关于钢纤维、合成纤维混凝土的各项研究都相继取得了不错的成绩,多数纤维水泥基材料表现出应变硬化及多缝开裂特性。由于合成纤维和钢纤维成本较高,在绿色环保的今天,价格低、产量高的天然植物纤维的研究与应用得到了各界的广泛关注。本文对四种天然纤维(竹原纤维、苎麻纤维、剑麻纤维、大麻纤维)水泥基材料进行了单轴拉伸、三点弯曲、四点弯曲、抗折、抗压强度试验以及毛细吸水、氯离子侵蚀试验,对材料的抗弯能力、变形能力、抗折强度、抗压强度、韧性、抗渗性能及抗氯离子侵蚀性能进行研究。主要研究结果如下:(1)天然纤维水泥基材料具有明显的应变硬化和多缝开裂特征,显著提高了基体材料的抗弯能力、韧性、抗折强度及变形能力,并在一定程度上提高了其抗压强度。(2)苎麻纤维水泥基材料较其他几种纤维材料而言具有较好的力学性能及耐久性,在一定程度上可以取代合成纤维及钢纤维掺入到水泥基材料中,并且发挥其较好的性能。(3)毛细吸水试验及氯离子侵蚀试验结果表明,与PVA纤维类似,天然纤维的掺入也降低了基体材料的抗渗性能,相应增加了氯离子的含量。通过内掺硅烷乳液来对材料进行防水处理明显改善了其抗渗性能,而且其防水效果随环境、气候的变化不会失效。

关键词： 纳米复合材料   霍普金森杆   动态弹性模量   应力平衡   增强机理   峰值应力   本构方程  

摘要： 纳米复合材料由于其优良的综合性能,特别是其性能的可设计性被广泛应用于航空航天、国防、交通和体育等领域。纳米颗粒具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点,以及其特有的宏观量子隧道效应,使得纳米复合材料在力热光电等领域的研究方兴未艾,比如在力学方面,由于纳米颗粒表面效应带来的增强效应使得纳米颗粒增韧复合材料得到了深入而广泛的研究。但是国内外关于纳米复合材料在动态力学性能方面的研究工作开展较少,对纳米颗粒的增强机理认识还不够全面。因此对不同物理性质的纳米颗粒开展相关研究,以期对颗粒增强机理有更深入的认识,这对颗粒增强复合材料的设计与应用具有重要的意义。本文基于分离式Hopkinson杆实验技术,系统地研究了基体环氧树脂以及分别由纳米SiO2和纳米橡胶颗粒增强的环氧树脂基复合材料压缩力学性能测试。对影响Hopkinson压杆实验精度的各因素进行了系统分析,得到了材料的力学行为与应变率、颗粒性能和颗粒含量的相关性;通过有限元分析软件建立复合材料的unit cell模型,对复合材料中颗粒作用机理进行了分析研究;根据环氧树脂类材料的力学响应,建立了含有8个参数的本构关系。论文所取得的主要结论为:(1)通过对Hopkinson压杆加载试样过程的解析分析表明:对于本文研究的环氧树脂类材料,即使施加于试样中的应力没有完全达到平衡,只要加载时间超过两个特征时间,根据三波法计算出的试样应力应变曲线也是足够精确。若以弹性模量的精确度为标准,计算的误差在5%之内。通过优化设计加载波,提出了一组优化应力波构型的解析解。对于线弹性材料试样在小应变加载下,满足该方程的应力波可以在两个特征时间之后,实现试样内应力平衡和恒定应变率加载,相应的有限元模拟和基于脆性砂石材料的试验也证实了该方程的准确性和可行性。(2)在复合材料动态弹性模量测试精度研究中,发现压痕效应、试样和杆不完全接触是材料动态弹性模量测不准的两大因素。对于金属类高弹性模量材料,通过有限元分析得知常规尺寸的试样和压杆端面间严重的压痕效应导致弹性模量测量误差远大于5%。当采用转接头和长试样时可以将测试误差降低,相应有限元分析证实了该方案的可行性。而对于聚合物类低弹性模量材料,可以通过增大试样直径以避免较大的压痕效应,通过采用本文开发的竖直Hopkinson杆加载技术,改善试样和杆端面的接触状态,实现了聚合物材料动态弹性模量的精确测量。(3)通过对环氧树脂材料进行一系列压缩试验发现:环氧树脂材料力学变形能否完全恢复的临界载荷大于材料的弹性极限,其数值非常接近峰值应力。对环氧树脂材料在峰值应力处变形机理进行研究,推断出可能的变形机理:当施加于材料中的载荷达到峰值应力时,材料内部分子链三维网状结构中交联点开始断裂破坏,随之启动了应变软化的变形过程,由这些分子链链段运动造成的形变是不能自主恢复的。(4)通过对刚性颗粒SiO2增强复合材料的峰值应力和相应的应变率敏感性分析研究发现:该颗粒增强效应不明显。基于unit cell模型数值模拟结果表明:刚性颗粒增强效果依赖于基体材料的本构特征,即受制于基体环氧树脂材料峰值应力后的应变软化率。进一步的模拟研究发现:当软化率低到一定程度时,即使添加刚性颗粒,其增强效果也可以为负,即减弱了复合材料的力学性能。通过对柔性橡胶颗粒增强复合材料的峰值应力和相应的应变率敏感性研究发现:虽然橡胶颗粒减弱了材料的峰值应力,但是颗粒在大变形下的应变硬化阶段的增强效果显著。Unit cell模型模拟发现:在大变形下,由于橡胶颗粒的不可压缩性,颗粒表现为具有刚性颗粒的增强效果。(5)基于环氧树脂材料的力学响应特征,提出了一种本构方程,该方程由Maxwell模型、Weibull模型和指数函数组成。模型采用8个参数,可以较好地反映环氧树脂类材料的峰值应力以及应变软化、平台应力和应变硬化等三大特征,并且容易拓展表征以此为基体的颗粒增强复合材料的力学响应。

关键词： 热障涂层   数字图像相关法   高温环境   测试系统   力学参数  

摘要： 热障涂层以其良好的隔热、耐磨蚀性能,被广泛地应用于军事和国防领域。然而,在实际应用中,由于受到各层材料性能参数不匹配的影响,其表面和界面处容易产生较大的应力,促使裂纹的萌生和扩展,进而导致涂层的破坏失效,严重制约了热障涂层体系的可靠性及广泛应用。因此,在服役温度下实时测试热障涂层材料力学参数,对指导涂层材料设计及工艺改进有着十分重要的意义。本论文自主设计和研制了一套基于数字图像相关技术的材料高温力学性能实验测试系统。在高温环境下测试热障涂层材料的热变形,分析其热膨胀系数、弹性模量、断裂强度以及断裂韧性等性能参数,发展了一种材料高温力学参数的实验表征方法。主要研究内容归纳如下:第一,自主设计和研制了一套基于数字图像相关法的材料高温力学性能实验测试系统。系统包括1600°C高温炉、Aramis变形测量系统、强光照系统以及红外滤光系统等设备。并且完成一种耐高温散斑的制备方法以满足数字图像相关法对散斑的要求。经过调试,高温炉温度误差能有效地控制在±1°C范围内,为高温环境下热障涂层材料的力学性能实验测试,提供了适用的实验方法以及可靠的实验设备。第二,在1600°C范围内测试热障涂层材料的热变形及热膨胀系数分析。结合高温炉与Aramis变形测量系统实时监测并采集样品表面不同温度下的数字图像。依据样品表面的全场热变形信息,分析计算材料的热膨胀系数。结果表明,在25～1600°C范围内,8wt%Y2O3-ZrO2（8YSZ）陶瓷的热膨胀系数为8.837×10-6/℃14.332×10-6/°C;高温合金基底的热膨胀系数为12.37×10-6/°C18.03×10-6/°C。通过实验验证了数字图像相关法的准确性,为高温热失配应力的产生提供可靠的理论和实验依据。第三,在高温环境下测试热障涂层材料的弹性模量及断裂强度。基于数字图像相关法、单轴拉伸法以及三点弯曲法,对基底合金、8YSZ陶瓷样品进行高温断裂测试。实验结果表明,在1000°C和1100°C时,合金基底的杨氏模量分别为143 GP和129GPa,抗拉强度分别为159 MPa和132 MPa。而陶瓷涂层在1100°C和1200°C时的弹性模量分别为26.2 GPa和16.9 GPa,弯曲强度分别为33.55 MPa和29.64 MPa。第四,运用单边切口梁法在高温环境下测试热障涂层材料的断裂韧性。通过单边切口梁法以及数字图像相关法,实时监测预制切口的8YSZ陶瓷样品的受载弯曲过程、裂纹的扩展路径等图像信息。通过时间-应变曲线,确定陶瓷发生突变的时间和载荷。实验和理论研究表明,在1100°C时,陶瓷涂层的断裂韧性为1.98 MPa?m1/2;在1200°C时,断裂韧性为1.04 MPa?m1/2。为陶瓷涂层在高温环境下的裂纹扩展、断裂失效的研究提供一种可靠的实验表征方法。

关键词： 经纬纱循环   空口结构   共纬结构   喷射口结构   真空辅助成型法  

摘要： 三维纺织复合材料作为一种先进的材料,是由于该材料具有比强度高、比模量大、质量轻、设计灵活等优点,在材料与工程领域得到了广泛运用。角联锁纺织结构复合材料作为三维结构复合材料的一种,该材料结构有两个系统纱线,其中一个纱线系统沿着厚度方向与另一纱线系统屈曲交织,便形成了稳定的结构,且该织物有可以在普通织机上即可制得,因此使得人们对该结构研究不断深入。本文分析了角联锁的空口结构、共纬结构的形成过程,利用假设的方法把纬角联锁结构中的空口视为纬纱,空口角联锁结构转化为实口角联锁结构,进而利用实口角联锁经纬纱关系式,推导出空口角联锁结构关系式,进一步推理,得出实口与空口的通式。同样的方法,把共纬角联锁经纱交叉口中的两根或两根以上纬纱视为一根纬纱,推导出共纬角联锁结构关系式。进一步对角联锁结构进行分析,发现该结构的经纱浮沉存在一定的规律性,即只须给出第一根经纱在每一列纬纱中的纬浮点个数就可以得出其结构图,利用此规律,本文提出了一种简单有效的方法设计不同的角联锁结构,并分析了其需满足的基本条件。在实口角联锁结构设计方法的基础上,得到空口结构与共纬结构的设计方法。进一步对角联锁研究得出一种设计喷射口角联锁结构,该方法需运用两种相同的实口或者空口角联锁结构,通过改变两种相同结构的上下层结构中的经纱交织规律而得到,该组织结构设计的灵活可以为实际的需要提供更多的选择性。为了验证上述理论正确性,本文以四层角联锁为例分别设计了四层实口结构、四层一列空口、四层两列、四层三列空口、四层共纬结构和喷射口结构,并在半自动织机上进行了生产织造,进而验证了上述理论的正确性。将制得的织物加工成复合材料,做进一步分析,将不同结构相同循环喷射口对比其力学性能,并对比相同结构不同循环喷射口的力学性能,以及五种结构角联锁复合材料的力学性能。实验结果表明:对比的三种不同结构相同循环喷射口的横向冲击响应,六层实口三循环的力学性最好,而四层实口三循环的承载能力要优于四层空口三循环,但能量吸收反之。两种相同结构不同循环喷射口的横向冲击响应,四层实口三循环的力学性能优于四层实口两循环,而五种结构角联锁复合材料的力学性能较接近。

ISBN: (纸本)9787561243657

关键词： 《材料力学》   教学改革   教学方法  

摘要： 《材料力学》是高等院校工科专业的核心课程,其教学改革一直是高校教学中备受关注的问题。本文针对《材料力学》的教学方式和教学方法等进行探讨,详细讨论课堂教学中的具体教学方法,充分利用课堂时间,增强教学效果,培养学生的创新和应用能力。

关键词： 《材料力学》   教学方法   教学改革   教学内容  

摘要： 材料力学是土木和机械专业的一门重要的技术基础课,针对材料力学的教学现状,结合培养应用型人才的需求,提出了课堂教学改革的基本方案:更新、优化教学内容,构建富有先进性和实用性的教学内容体系;采用启发式和对比式教学方法,使用多媒体教学手段,构建新型课堂教学模式;引入案例教学法,强化学生的工程意识。实践证明:这些改革有效提高了学生的理论知识和工程素质。