教学课程资源库 更多>>

关键词： 金属厚板   鼓胀试验   力学性能   有限元分析  

摘要： 材料的力学性能是指材料在外力作用下表现出的变形和破坏等方面的特性，通过力学性能参数来评价材料的力学性能，而材料力学性能参数是通过拉伸试验测定的。在工程应用中，传统的单轴拉伸试验方法仍具有重要的地位，但是应用广泛的单轴拉伸试验不能获得材料变形的全过程的应力应变关系，而且在实际问题中，材料多处于双向应力状态，因此，人们把目光转向了更精确更大应变范围的双向拉伸试验。鼓胀试验作为一种双向拉伸试验方法，能够获得材料在双向应力状态下大应变范围内的力学性能数据，日益得到人们的青睐。　　鼓胀试验是一种评定板材力学性能和成形性能的试验方法，主要用于金属薄板材料的力学性能和成形性能试验。金属厚板难以直接进行鼓胀试验，本文提出了一种在金属厚板厚度方向去除部分材料得到试件进行鼓胀试验的方法，将鼓胀试验引入测定金属厚板的力学性能。主要工作如下：　　（1）分别对三种名义厚度（10mm、20mm、30mm）、两种材料（Q235B、Q345B）的金属板材进行单轴拉伸试验，得到两种材料的真应力应变关系。　　（2）确定试件的几何尺寸，搭建试验装置平台，主要包括加压系统、夹持装置及测量装置。进行鼓胀试验，测量得到了试件中央胀形极顶的载荷位移（p*-h*）曲线。　　（3）基于有限元分析软件，着重分析了边界圆角对试验结果的影响，确定合理的边界圆角。　　（4）建立了鼓胀试验的有限元模型，将单轴拉伸试验应力应变关系数据作为有限元分析的材料初始本构关系，模拟鼓胀变形过程，得到p-h关系，然后将相同的压力下的试验极顶高度h*与模拟极顶高度h比较，修正应力应变关系模型，使模拟的载荷位移曲线（p-h）与试验的载荷位移曲线（p*-h*）逐渐逼近，最终得到大应变条件下更精确的应力应变关系。

关键词： 纳孔方钴矿CoSb3   分子动力学   力学行为  

摘要： 热电材料是利用Seebeck效应实现热能与电能之间相互转换的新型功能材料,利用热电材料制作的器件无污染、安全可靠,具有广阔的应用前景。方钴矿CoSb3热电材料是我国以及国际上高度重视研究的热电材料,在方钴矿CoSb3热电材料中引入纳米孔洞可以显著降低材料的热导率从而提高其热电性能,纳孔方钴矿材料被认为是很有应用前景的热电材料,但是纳米孔洞的引入会降低材料的力学性能,从而限制方钴矿材料的工业化应用。鉴于此,本文以纳孔方钴矿热电材料为研究对象,利用课题组前期建立的方钴矿原子间相互作用势函数,发展纳孔方钴矿热电材料单轴拉伸和压缩力学行为的分子动力学方法,分别研究单轴拉伸和压缩应力场下纳孔形状和孔隙率对方钴矿材料本征力学行为的影响规律,从原子尺度上研究并揭示纳孔方钴矿材料单轴拉伸和压缩应力场下的结构破坏机理,探索具备高力学性能纳孔方钴矿材料的孔隙率、纳孔形状的匹配关系,为发展高力学性能的纳孔方钴矿热电材料提供理论指导。纳米柱孔方钴矿CoSb3的力学性能研究结果表明,外部加载条件如温度和应变率对力学性能影响很小,但是孔隙率对拉伸/压缩力学性能影响很大。相对于环境温度和孔隙率,纳米柱孔主宰着单晶CoSb3的缺陷形式,拉伸/压缩力学性能随着孔隙率的增加逐渐降低,弹性模量与孔隙率满足反比例函数关系式。极限应力随着孔隙率的增加线性降低。纳米球孔方钴矿CoSb3力学性能研究结果表明,球孔力学性能优于柱孔CoSb3的力学性能,这主要是由于柱孔CoSb3更多的应力集中区域导致的。随着孔隙率的增加,所有的力学量依次降低。球形纳孔方钴矿CoSb3表现出相同的温度软化效应。这种软化效应随着拉伸应变的增加逐渐加剧。应变率基本对纳米球孔方钴矿CoSb3的拉伸/压缩弹性模量和拉伸/压缩极限应力无影响。

关键词： 电子封装   非均质材料   力学特性   多尺度方法   渐进均匀化  

摘要： 随着电子封装技术的迅速发展,新的封装材料不断涌现,以复合材料、多孔介质和叠层材料为代表的非均质材料凭借其优良的综合性能在电子封装领域获得了广泛的运用。非均质材料在宏观层次可以等效为均匀连续的物质,而在微观尺度又展现出非均质的特征。非均质材料研究的重要课题就是建立材料宏微观尺度之间的联系、探索材料微观结构与宏观等效特性的关联、分析宏微观特性之间的转换关系。对非均质材料的多尺度问题进行深入研究可以让研究者了解材料宏观特性的微观本质,可以根据材料微观结构特征预测宏观等效特性,更为重要的是,研究者能够对材料的微观结构进行设计和优化以获取理想的材料特性。这对于提高封装结构可靠性、改进生产工艺、促进产品性能的提升具有重要的指导意义。 本文基于渐进均匀化的思想,采用多尺度的研究方法对电子封装中典型非均质材料的力学特性进行了研究。建立了典型非均质材料的几何模型,分析了非均质材料宏观等效特性和局部应力场的主要表达形式,探讨了材料微观结构特征与宏观等效力学特性之间的关联。结合电子封装中非均质材料的特点,构建了非均质材料多尺度问题的分析框架,并运用多尺度渐进均匀化方法研究了三类典型非均质材料的力学特性。 首先,将多尺度渐进均匀化方法应用于颗粒复合材料中,采用随机次序填充算法建立了颗粒复合材料的代表性体积元模型,利用多尺度渐进均匀化方法研究了大功率LED封装中硅胶荧光粉颗粒复合材料微观结构特征与宏观等效力学特性的关联。采用实验测试、理论预测和计算仿真的方法综合分析了荧光粉颗粒含量、颗粒尺寸大小和颗粒空间分布等特征对硅胶荧光粉复合材料宏观等效特性的影响。结合界面内聚力模型,探索了颗粒复合材料损伤失效的机理。分析结果表明,荧光粉颗粒含量的增加会导致复合材料等效弹性模量的上升,荧光粉颗粒密集处会产生局部的应力集中,颗粒复合材料的损伤失效将在高应力区域萌生和扩展。 其次,将多尺度渐进均匀化方法应用于多孔介质中,采用数字图像处理的方法建立了多孔介质的代表性体积元模型,利用多尺度渐进均匀化方法研究了功率电子封装中多孔银介质微观形貌与宏观等效力学特性的关联。采用实验测试、理论预测和计算仿真的方法综合分析了多孔介质相对密度、微观形貌与载荷路径对材料宏观等效特性的影响。结合银材料的弹塑性本构关系,初步分析了多孔银介质在大变形条件下的响应特征。分析结果表明,多孔介质相对密度的增加会导致材料等效弹性模量的提高,同时会使得材料整体的剪切强度上升。 最后,将多尺度渐进均匀化方法应用于叠层材料中,根据材料微观结构尺寸和空间排布特点建立了柔性太阳能电池封装中叠层材料的代表性体积元模型,利用多尺度渐进均匀化方法研究了叠层材料的微观结构特征与宏观等效力学特性之间的关联。采用实验测试、理论预测和计算仿真的方法综合分析了叠层材料微观结构尺寸和组分材料特性对等效力学特性的影响。结合不同温度下的材料特性数据,研究了常温、75℃和125℃的环境温度下叠层材料的等效力学特性和失效机理。分析结果表明,电极材料和层间的界面是柔性太阳能电池封装中的薄弱环节,在高温条件下叠层材料承受机械载荷的能力大大降低。

关键词： 粘塑性支座   接顶充填   力学特性   正交试验   数值模拟  

摘要： 现今沿空留巷隔离墙两种充填模式中刚性充填方式会造成充填体变形不能匹配围岩变形;柔性充填方式不易控制充填体的变形。针对此问题,本文提出了一种新型粘塑性支座隔离墙。这种隔离墙主体结构为高强度以提供较高的支护阻力,顶部支撑接触面为粘塑性胶凝体能达到密封、变形让压保护支护主体。两种充填材料的组合而成的新型隔离墙解决了沿空留巷的矿压耦合适应性和密封性问题。本文通过对巷道围岩变形规律的分析,支护前期巷旁支护体要具备足够的切顶阻力。同时,巷旁充填体在达到极限的承载能力后,其自身要具备一定的可缩量。提出主体采用高强早硬混凝土结构,顶部采用粘塑性材料的粘塑性支座隔离墙。通过“叠加层板”原理进行了巷旁支护阻力的计算,从而确定出顶部材料的要求。采用理论分析、实验室试验、数值模拟等方法对新型粘塑性支座隔离墙进行了研究。根据隔离墙顶部材料的特性需要,分析了各种配比成分对其物理力学性能的影响程度,采用正交设计法优化配比。新型粘塑性接顶材料是在普通混凝土中加入膨润土、粉煤灰和活性添加剂。顶部充填材料可保持长时间流动性,凝结时间满足工程需要。混凝土28d抗压强度可达20.34MPa,弹性模量可降低至1690 MPa。通过MIDAS/GTS软件对接顶充填隔离墙和整体隔离墙巷道周围围岩位移变形、应力分布及塑性区域进行模拟对比,结果表明顶部充填隔离墙具有较好的性能;所以新型隔离墙技术因其早撑早强的特性能够适应巷道顶板变形规律,支护效果显著,因此具有广泛的应用前景。

关键词： 颗粒增强钛基复合材料   有限元法   模型分析   应力分布  

摘要： 目前，在金属复合材料领域，钛基复合材料在众多工业领域的广泛应用已经给很多行业带来了方便，凭借其自身耐高温、抗腐蚀能力强、二次加工性好等优异的综合性能，目前已被大规模地应用在航海、石油、化工、飞机制造等领域。钛基复合材料按照其增强方式，可分为连续纤维增强型和颗粒增强型两大类。但由于纤维增强型钛基复合材料存在各向异性，制造技术复杂，成本较高等原因。所以，国内外众多科研学者已经开始将研究颗粒增强型钛基复合材料的力学性能作为新阶段主要的科研方向和目标，并且经过众多实验及数据的探索，已经收获了丰硕的科研成果，为颗粒增强型钛基复合材料的发展提供了有利的理论依据。 本文基于颗粒增强型钛基复合材料的有限元模型，利用大型通用结构分析软件ANSYS，在细观模型中分析复合材料的综合力学性能，并对复合材料中基体与增强体之间的相互关系和相互影响展开了探索及讨论，主要包括以下内容： （1）建立有限元模型，考察不同增强体颗粒形状对钛基复合材料界面应力分布的影响。分别建立模型并分析圆球形颗粒、圆柱形颗粒时应力场的不同分布情况，结果表明：圆球形颗粒对颗粒增强钛基复合材料增强效果较好。 （2）建立碳纳米管增强钛基复合材料的三维分析模型，通过分别施加受压载荷及拉伸载荷并观察其应力云图结果。研究发现，两种载荷作用下，基体中碳纳米管的顶部位置，应力变化均比较明显地呈现急剧变化趋势，而在碳纳米管中部位置，变化均趋于平缓，在此区域上应力为一个稳定值。因此，在碳纳米管中部区域所受的载荷传递充分。 ⑶利用ANSYS建立三维碳纳米管增强钛基复合材料分析模型，考察当碳纳米管处于不同相位角分布时，对复合材料界面应力分布的不同影响。通过结果比较，当相位角为＝15o时，颗粒增强钛基复合材料的增强效果较好。

关键词： 杆件   强度   刚度   稳定性  

摘要： 材料力学和其他学科类似的地方是都以某一类实际的物体为研究对象,不相同的地方是材料力学用简单的数学原理来解释物理工程现象,用微元体来推导公式,这对于大部分非力学专业学生来说是简单的地方,相较于理论力学,大部分同学很难从大学物理里面找到材料力学的理论基础,对其感觉完全陌生,这是它比较难理解的主要原因。机械系的学生,基本的研究对象是机器。因而,以构成机器的杆类零件为研究对象的材料力学成为机械类专业的专业必修课。高度的学习兴趣可以增加学习的动力,而从生活工程实际讲解知识的应用和来源能够大大激发学生们的学习动力。

关键词： 微发泡复合材料   三相界面   增强增韧   发泡质量  

摘要： 微发泡聚烯烃复合材料是以聚烯烃材料为基体,通过引入微孔发泡技术在聚合物内部引入大量微小的泡孔,旨在保持聚合物材料原有的某些优良性能的同时,改进本身性能的不足,以达到降低成本、提高性能的目的。微发泡聚合物是一种新型的高性能复合材料,与普通发泡聚合物相比,前者具有发泡倍率更低、泡孔尺寸更小、泡孔密度更大、泡孔尺寸分布更均匀以及综合性能更好等优势;其作为结构材料在交通运输、汽车、军工、航天航空等领域有着广泛的应用。但是,聚合物材料发泡后,材料内部由原来单一的增强相-熔体相界面增加到了增强相-熔体相、增强相-气相、气相-熔体相三种界面;并且,聚合物材料发泡后由于有效承载面积的降低,导致综合力学性能有一定的下降,实现微发泡聚合物的增强增韧一直是理论研究中急需突破的技术难题。研究三相共存条件下发泡复合材料的增强增韧,已成为发泡行业研究的热点和难点;目前,提高微发泡聚合物材料综合性能的途径主要有以下两个方面:第一,在微发泡聚合物材料中加入增强相来改善综合力学性能,这种方法能大幅度提高性能且成本较低;第二,通过调整工艺条件来改善发泡质量,从而提高发泡材料力学性能,但是这种方法提高性能的幅度是有限的。本文采用以上两种方法来提高力学性能,通过选用聚丙烯树脂为基体材料,以化学发泡法注塑成型技术制备发泡试样。一方面,以无机粒子填充、纤维增强机理为基础,系统研究了气相存在条件下增强相对熔体相的增强增韧机理;另一方面通过调整工艺条件改善发泡质量,探索发泡质量对微发泡复合材料力学性能的影响规律;为开发综合性能更好的微发泡聚烯烃复合材料提供重要理论依据和方法。论文研究取得了以下主要成果:1、碳纤、芳纶、玻纤添加到发泡聚丙烯材料中,以碳纤维增强效果较理想,PP/CF复合发泡材料的拉伸、压缩、弯曲强度相对于纯PP分别提高了100.9%、80.4%、126.5%;芳纶纤维增韧效果较好,其PP/AF复合发泡材料的冲击强度相对于纯PP提高了151.2%。2、纤维增强主要依靠纤维与树脂的黏结性传递应力,利用纤维的高强度以承受应力。当增强相、气相、熔体相三相存在时,增强相-熔体相界面比例越大,越有利于力学性能的提升。3、在孔隙率相同的情况下,泡孔尺寸越小,力学性能越好。在保证试样有效承载面积相同的情况下,较大的泡孔以缺陷存在于材料内部,较小的泡孔有利于钝化裂纹的拓展。4、以密炼制备试样的力学性能优于挤出,其拉伸、冲击、压缩以及弯曲强度相对于挤出分别提高了18.6%、22.1%、18.3%、18.1%。

关键词： micro-filler   nano-filler   mechanical properties   epoxy   composite  

摘要： In this study, the influence of micro-and nano-filler content on the mechanical properties of epoxy composites was studied. The matrix material is epoxy;the micro-fillers are Al2O3, TiO2 and fly ash added in 10 wt% to 30 wt% by weight ratio;the nano-fillers are Al2O3, TiO2 and clay added in 2.5 wt% to 10 wt% by weight ratio. Test samples were prepared using an open mould type die. Tensile, three-point bending and hardness tests were carried out. The tensile strength, elastic modulus, elongation at break, flexural strength, flexural modulus, and the hardness of the composite materials were obtained and evaluated. The results show that the tensile strength, flexural strength and elongation at the break values of composites decreased while the tensile modulus and flexural modulus increased with the increasing micro-and nano-filler content ratio.

关键词： 金属材料   发展   力学   试验   设备  

摘要： 在我国经济不断持续发展的今天,金属材料已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分。为了更好的让金属材料服务于我们的日常生活,相关的研究人员对金属材料的力学性质进行了相关的试验,并对近年来新出台的一些新标准以及新的试验设备进行了简要的介绍。

关键词： Prestress   Composites   Viscoelastic   Thesis  

摘要： Bodies are prestressed with the intention to enhance their load carrying capacity. The primary objective of this study is to understand the effect of prestressing the constituents in composite bodies on the overall mechanical performance of the composites. This study considers composites having linearized viscoelastic constituents which can exhibit either fluid-like or solid-like behavior. A new class of elastic and viscoelastic constitutive models with limiting strain or stress softening behavior has also been implemented. The effect of stress relaxation in constituents of the prestressed composite on the overall load carrying capacity of the composite is investigated. In both models discussed above, we deal with linearized strains. Both analytical and numerical results are presented. The properties of the composite, whether a brittle inclusion embedded in ductile matrix or a ductile inclusion in brittle matrix are greatly influenced by the ratio of the induced prestress with respect to the external load and thereby influences the load carrying capacity of the composite.