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关键词： 节能门窗   框架材料   集成材料   力学性能   耐盐雾性  

摘要： 针对纯木、塑钢、断桥铝合金等典型节能门窗,分别对集成松木、集成柞木、集成竹材、铝合金型材、塑钢型材等主要节能门窗框架材料进行力学性能和耐盐雾性研究。结果表明,当集成松木与集成柞木的纹理方向与受力方向一致时,抗弯强度达到最大;集成竹材的抗弯强度高于集成松木,且不受纹理方向影响;形变为5 mm时,塑钢框扇型材的载荷分别为2.28 kN和5.14 kN,断桥铝合金框扇型材载荷为9.37 kN和8.83 kN;集成松木、集成柞木与集成竹木在盐雾环境下均易发生严重霉变和膨胀。其中,150 h盐雾试验后,集成柞木膨胀最大,集成竹木霉变最为严重,各种集成木材在经过表面涂漆处理后,可基本消除霉变,并减小膨胀。

关键词： 复合材料   玻璃纤维   干湿交替   材料力学  

摘要： 玻璃纤维增强复合材料（GFRP）以其优越的性能被人们广泛的应用，与钢结构和混凝土结构相比，GFRP质量轻，强度高，耐腐蚀，基本不需要维修。然而，沿海与内河的腐蚀环境恶劣，特别是其潮汐作用引起的水位变动区和浪溅区对复合材料结构的劣化尤为厉害。另外，环境与长期荷载的耦合作用会加快GFRP的劣化，因此对GFRP在干湿循环与荷载耦合作用下的长期性能研究有重要的意义。\n 本文基于干湿交替与荷载耦合作用下GFRP力学性能研究，开展以下几项工作：⑴开展干湿交替与荷载耦合作用下GFRP长期蠕变试验研究，分析环境与荷载水平对GFRP蠕变性能的影响，然后以粘弹性理论模型为基础，考虑荷载水平，建立GFRP在干湿交替与荷载耦合作用下蠕变预测公式。⑵对完成试验周期后的GFRP试件进行拉伸强度和弹性模量测试，通过拉伸强度和拉伸弹性模量，得出GFRP在不同环境和荷载水平下的力学性能劣化规律，分析GFRP劣化机理。通过测量断裂伸长率，得出GFRP在不同环境和荷载水平下的变脆趋势。⑶通过电子显微镜扫描试验前后GFRP表面、断面、层截面，观察干湿交替环境和荷载水平对GFRP的劣化影响程度，分析其不利影响因素。⑷根据粘弹性理论模型，考虑荷载水平，建立GFRP拉伸强度和弹性模量预测公式。结果表明，粘弹性理论模型不适用于环境与荷载耦合作用下GFRP拉伸强度和弹性模量预测。考虑GFRP后固化影响，修正Arrhenius理论公式，建立GFRP在干湿交替与荷载耦合作用下拉伸强度和弹性模量预测模型，修正后的Arrhenius公式更能真实反映出GFRP在环境与荷载耦合作用下的力学性能变化。

关键词： 拉伸试验   力学性能   胀形极限  

摘要： 通过单向拉伸试验获得AISI304不锈钢和20钢的力学性能参数,根据材料力学性能参数,通过数值模拟软件,对两种材料薄壁管材胀形成形进行数值模拟,取得材料胀形极限。

关键词： 竹颗粒   聚乳酸   马来酸酐   碱处理   增容作用  

摘要： 为改善竹颗粒(BP)与聚乳酸(PLA)的表界面性能,分别用氢氧化钠溶液和马来酸酐(MAH)对BP表面处理后,与PLA熔融共混制得完全生物可降解复合材料。通过扫描电子显微镜和力学性能测试,研究了碱处理及不同MAH浓度对竹颗粒及其复合材料力学性能的影响。结果表明:碱处理和MAH增容后,BP与PLA的表面相容性得到改善;当MAH添加量为1.0%时,复合材料有较佳的拉伸强度(47.6 MPa)和断裂伸长率(6.22%),而当MAH添加量为0.5%时,复合材料有较好的弯曲强度(72.61 MPa)和弯曲模量(4.65 GPa)。

关键词： 机械加工   喷丸强化   残余应力   材料力学  

摘要： 后混合水射流喷丸强化是近十几年来问世的一项湿法喷丸强化新工艺，是高压水射流技术的延拓与发展。本文结合后混合水射流喷丸强化实际工况，研究射流喷丸喷头流场特性，探究射流喷丸强化残余应力场和位移场的分布规律、预测射流喷丸强化疲劳寿命增益效果，对射流喷丸强化技术的发展具有一定的理论和实践意义。\n 本文基于计算流体动力学理论的欧拉模型，采用FLUENT软件对后混合水射流喷丸喷头两相流场的运动规律进行了数值模拟。结果表明，喷丸喷头水流场和弹丸流场的轴向动压强和轴向速度随着喷丸压力的增加逐渐增大，随着喷丸靶距的增加逐渐减小，随着弹丸喷嘴长度的增加，水流场的轴向速度逐渐减小，弹丸流场的轴向速度逐渐增大；当喷丸压力为50MPa、弹丸喷嘴长度为65 mm、靶距为30 mm时，作用在靶体表面上的水流场轴向速度为45.7 m/s，弹丸流场轴向速度为45.2m/s。基于瞬态动力学理论的Cowper-Symonds材料模型，采用ABAQUS软件模拟了弹丸冲击靶体的过程，获得了喷丸残余应力场和位移场的分布规律。结果表明，弹丸冲击卸载后在靶体表层产生径向残余压应力，且产生的径向残余压应力、轴向位移均随弹丸速度和弹丸直径的增加而增大；当弹丸速度和弹丸直径分别相等时，无水膜的靶体产生的径向残余压应力和轴向位移分别为-430MPa和0.0158mm，均分别大于有水膜的靶体产生的径向残余压应力-420MPa和轴向位移0.0138mm，但残余压应力差别不大，在实际生产中一般可以忽略射流喷丸水膜的存在对残余压应力的影响，按无水膜处理，但对表面粗糙度精度要求较高时，则应考虑水膜对射流喷丸的影响。基于应力疲劳分析理论的名义应力分析法，采用***软件对未喷丸和喷丸的旋转弯曲疲劳试样的疲劳寿命进行了预测。结果表明，喷丸后疲劳试样的疲劳寿命明显增加，比未喷丸疲劳试样的疲劳寿命提高了14.99倍，喷丸可以显著提高疲劳试样的疲劳寿命。

关键词： 复合材料   层间应力   材料力学   锯齿理论  

摘要： 已有预先满足层间应力层间连续的锯齿理论是分析复合材料层合结构力学问题有效方法之一。然而，此理论位移场包含横向位移的一阶导数，基于此理论构造单元需使用C1插值形函数，难于构造多节点高阶单元。为了避免使用C1插值形函数并提高已有锯齿理论的精度，本文给出了预先满足层间应力层间连续的C0型锯齿理论的提法：①发展理论过程中消去横向位移一阶导数，构造有限元仅使用C0插值函数，方便构造高阶协调单元如六节点三角形单元，八节点或九节点四边形单元；②预先满足层间应力连续条件，能准确计算多层板层间应力、软核夹层板固有频率和临界载荷，有望面向工程。具体工作可概括为：\n ⑴建立预先满足层间应力连续的C0型锯齿理论，此理论包含的位移变量个数独立于层合板层数，且位移场不含有横向位移一阶导数，便于构造多节点高阶单元。基于虚位移原理推导了平衡方程，并给出了承受横向正弦载荷的四边简支层合板弯曲问题的解析解。\n ⑵建立适于分析任意角度铺设复合材料层合板问题的预先满足层间应力连续条件C0型锯齿理论，基于此理论构造六节点三角形单元。为了验证构造的六节点三角形单元性能，分析了变厚度铺设层合板、夹层板及任意角度铺设层合板弯曲问题。\n ⑶基于建立的C0型锯齿理论，推导复合材料层合板/夹层板动力问题有限元列式。并通过分析软核夹层板和变厚度铺设层合板自由振动问题验证C0型锯齿理论性能。\n ⑷基于建立的C0型锯齿理论，推导复合材料层合/夹层结构稳定问题有限元列式，并分析复合材料软核夹层梁/板稳定问题。基于本文建立的C0型锯齿理论，构造了三节点粱单元和八节点四边形单元分别分析了软核夹层梁和夹层板的静力和稳定问题，并研究了横向剪切应力层间连续条件对软核夹层结构临界载荷精度的影响。\n ⑸建立考虑横法向应变的C0型锯齿理论，并研究横法向应变及面内位移模式对复合材料层合板的应力和位移的影响。为了推广C0型锯齿理论分析复合材料层合厚板弯曲问题，推导了考虑横法向应变的C0型锯齿理论，基于虚功方程推导出平衡方程，进一步给出简支层合板弯曲问题的解析解。

关键词： 航天零部件   动态力学行为   本构模型   切削工艺  

摘要： 钛合金、镍基高温合金和超高强度钢等三类材料由于具有高强度、高硬度、低热导率或塑性好等特性，因而在机械加工领域均属于难加工材料行列。也正因为这些特性，这几类材料在航空、航天、汽车、能源、制造、发电等领域获得了广泛的应用。本文以常用于制造航天零部件的钛合金、镍基高温合金和超高强度钢这三类难加工材料作为研究对象，以其切削工艺在航天零件加工中获得实际应用为研究目标，对TC4与TC11钛合金、GH4169镍基高温合金和30CrMnSiNi2A超高强度钢等四种典型材料的动态力学变形行为、材料的本构建模与有限元仿真、锯齿形切屑的变形机制等问题进行了研究，分析了这四种难加工材料在动态力学变形行为和切屑形成过程上的共性和差异性，对其在不同航天典型零件加工工艺中的关键共性技术问题进行了探讨。\n 首先，本文研究了TC4与TC11钛合金、GH4169镍基高温合金和30CrMnSiNi2A超高强度钢的动态力学行为。通过大量的SHPB实验获得了这四种材料在不同应变率和不同温度条件下的动态力学变形行为，对其在高应变率、高温下的应变硬化现象、应变率强化效应和热软化现象进行了对比分析。研究结果表明，虽然TC11和TC4均为α+β双相钛合金，但是它们的动态力学行为不尽相同：TC11钛合金的应变硬化效应和应变率强化效应不明显，而温度效应显著；TC4钛合金在实验温度低于500℃时应变硬化现象明显，高于500℃时则表现出显著的热软化效应。GH4169镍基高温合金的应变硬化效应较强，对应变率和温度不敏感。应变率对GH4169的显微组织的影响要超过温度的影响，因此其塑性变形会随着应变率的增大而增强。30CrMnSiNi2A超高强度钢具有显著的温度敏感性。同时，随着温度的上升，该材料的应变率强化效应和应变硬化效应会有所减弱，高应变率时流动应力随应变的增加趋于不变。\n 其次，在上述研究结果的基础上，采用应用较广的J-C本构模型对所选用的四种典型难加工材料进行建模，获得了本文中四种难加工材料的修正后的J-C本构模型。并利用拟合应力值与实验值相对比对其进行了验证，修正后的J-C本构模型能够较好地描述它们的动态力学行为。\n 在上述动态力学实验的基础上，本文对切削过程中获得的TC4与 TC11钛合金、GH4169镍基高温合金和30CrMnSiNi2A超高强度钢的锯齿形切屑的形成机理进行了研究。通过大量的铣削实验，对这四种难加工材料的切屑形态进行了分析，讨论了切削速度和每齿进给量对其切屑形貌的影响，提出了这四种不同类型的工件材料形成锯齿形切屑的临界速度。针对锯齿形切屑形成机理之争，本文研究了这四种难加工材料不同的切屑形成机理。主要研究结果如下：\n 随着切削速度vc的增加，TC4钛合金的切屑形态有一个从发条形到C形屑再成为长条状的变化过程。每齿进给量 fz对 TC4切屑形态的影响同切削速度 vc具有类似的规律。侧铣TC4钛合金时，在20m/min时即可产生锯齿形切屑（每齿进给量fz为0.05mm/z、刀具切削前角γo为-6°）。TC11与 TC4钛合金的切屑形态变化具有类似的规律，但其表现得更明显。TC11钛合金产生锯齿形切屑的临界切削速度vc0为80m/min。切削速度vc和材料本身的物理力学特性对GH4169镍基高温合金的切屑形态影响较大，在侧铣时其形态会由低速时的短条状逐渐向C形切屑转变。GH4169镍基高温合金产生锯齿形切屑的临界切削速度vc0为100 m/min。当切削速度vc不断增大时，30CrMnSiNi2A超高强度钢的切屑形态均为螺旋状，每齿进给量fz的增大使得切屑形态从螺旋形向发条形转变。30CrMnSiNi2A超高强度钢产生锯齿形切屑的临界切削速度vc0为115 m/min。对于这四种材料，较低的进给速度和较高的切削速度即可使切屑锯齿化。\n TC11、TC4、GH4169和30CrMnSiNi2A四种材料的锯齿形切屑形成机理不尽相同。在切削速度vc增大的过程中，TC4、GH4169和30CrMnSiNi2A均出现了绝热剪切现象，它们的切屑锯齿化主要是由于绝热剪切造成的。对于TC11钛合金，切屑锯齿化在低速段（80m/min）表现为周期性断裂，而在高速时，侧铣 TC11钛合金产生的锯齿形切屑是以绝热剪切的方式形成。\n 对高速加工典型航天零件进行了介绍。针对具有不同加工特点的典型零件的加工工艺，在前面基础实验和理论研究的基础上，通过刀具选型、优化工艺路径、加工余量分配和切削参数优化等一系列的优化措施解决了几类航天复杂结构整体薄壁件加工变形控制和加工表面质量控制等工艺难点。

关键词： 复合材料   氧化铝陶瓷   晶相结构   抗弯强度  

摘要： Al2O3陶瓷机械强度高、电阻率高、硬度高、抗腐蚀、化学稳定性、质轻并且价格低廉，被广泛应用于化工、冶金以及机械等领域。然而，由于具有较高的位错势垒、脆性大、弹性模量高以及抗冷热冲击能力差等缺陷限制了其在高温工程领域的应用。本课题通过在Al2O3中添加第二相以改善它的力学性能与抗热震性能，采用抗热震性指数的大小以评价抗热震性能的优劣。分别通过热膨胀仪及扫描电子显微镜对氧化铝复相陶瓷的热膨胀性及断口形貌进行表征。本文以Al2O3为基体材料，首先研究了碳化物的添加对氧化铝复相陶瓷力学性能与抗热震性的影响。考查了SiC/Al2O3材料在空气气氛烧成过程中SiC的氧化情况，研究了SiC的粒径、SiC的含量及烧结气氛对SiC/Al2O3复相陶瓷力学性能与抗热震性能的影响。\n 本研究主要内容包括：⑴N2气氛烧结试样强度(最高达479.86 MPa)明显高于空气气氛;在空气气氛中烧结时，SiC的加入显著改善了复相陶瓷的抗热震性能。⑵微米SiC低温(650～1300℃)的抗氧化效果优于纳米SiC，而在1600℃空气气氛中微米级SiC已基本被氧化。⑶SiC粒径的变化对复相陶瓷的力学性能没有明显的规律。Al2O3的颗粒级配对其性能有明显的影响，粒径越小Al2O3陶瓷机械强度越高，抗热震性越差。⑷SiC的添加有效的抑制了Al2O3晶粒的生长，并且SiC粒径越小对Al2O3晶粒生长的抑制越明显。\n 本研究表明：①ZrO2添加量低于20wt％时，复相陶瓷的抗热震性没有得到明显的改善，而当添加量为25wt％和30wt％时，复相材料的抗热震指数分别比纯Al2O3提高了约26.5％和49.6％。②添加不同量(5-30 wt％)3YSZ时，复相陶瓷的抗热震性没有得到明显的改善。③电熔莫来石的添加量会对Al2O3陶瓷的抗弯强度和抗热震性产生不同的影响:当添加量为15 wt％时，复相陶瓷的抗弯强度高达379.2MPa，比纯Al2O3提高了约13.1％;当添加量为5wt％时，复相陶瓷的抗热震性指数高达32.3，比纯Al2O3提高了约20.2％。④莫来石的添加能改善Al2O3陶瓷的高温蠕变性，添加量为5-25wt％时，蠕变变形最大值仅有1.46mm。

关键词： 金属材料   氢致脆裂   断裂韧性   材料力学  

摘要： 为了系统地分析氢致金属材料脆性断裂的过程，本文首先大量查阅了国内外相关文献，得出了氢对金属材料的力学性能会产生很大的影响。弹性模量是材料对弹性变形的抗力指标，是衡量材料产生弹性变形难易程度的重要参数。氢进入材料之后是否影响到原子之间的结合能，至今还尚无定论，而且实验结果也并不统一。大量的研究结果表明，氢对材料抗拉强度的影响主要取决于材料对氢的敏感程度。一般来说，如果材料对氢不敏感，氢对材料的抗拉强度就没有什么明显的影响;若材料对氢敏感，则氢对其抗拉强度的影响不可以忽略，而且对断裂应力也有明显的影响。氢对金属屈服强度的影响一直是有争议的问题。屈服强度的变化与材料中氢含量的关系甚大，随着材料中氢含量的增大屈服强度将增大，但材料中氢含量达到饱和之后屈服强度的变化趋向于稳定。\n 氢对材料延伸率的影响主要表现在材料的塑性性能的下降。不管材料对氢的敏感程度如何，材料在氢中往往使延伸性变差，即产生氢致塑性损失。对氢敏感的材料表现为延伸率的严重降低;不太敏感的材料表现为延伸率略有降低;不敏感的材料其延伸率几乎不变。氢对金属延伸率的影响也难以找到规律性，故将氢致延伸率损减作为材料的氢脆判断要特别注意试验条件。大量的试验表明，氢对材料塑性性能的影响最突出地表现在断面收缩的变化。对氢极其敏感的材料，其断面收缩率的损减在30％以上;对氢比较敏感的材料，其断面收缩率的氢损减在10％～30％之间;对氢不敏感材料，其断面收缩率在10％以下。材料断面收缩率的氢损减随材料中氢含量的增加而增加，因此当对比某些材料的氢损减时，应注意试验条件是否一致，特别是其氢含量是否达到饱和。断裂韧性是反应材料抵抗裂纹失稳扩展的量化指标，是防止构件低应力脆断所需要的关键参数。对于裂纹尖端处有弹塑性变形时，使裂纹产生失稳扩展的临界状态用J积分的临界值JIC表示。当含裂纹的试样处在氢气氛中，由于氢的吸附、溶解及应力诱导，使氢向裂纹尖端聚集，在饱和氢及应力的共同作用下会导致裂纹尖端低应力起裂并在起裂后裂纹不断扩展直致断裂。\n 纳米晶材料表现出超高屈服强度、耐磨性、低温易成型性、易应变硬化性与传统的粗晶材料相比。然而，由于氢原子进入材料引起氢脆使材料的机械性能降低，这一现象限制了氢能的大规模使用。到目前为止，即使是某一具体材料，氢脆机理也不是很清楚。晶界对氢在纳米晶体的扩散具有促进作用而面心立方和体心立方结构晶体材料的氢陷阱对材料氢脆现象的影响仍是一个比较争议的问题。晶界为氢在材料中扩散提供短程扩散通道，加速氢进入材料和氢在其中的扩散。然而，氢在镍的短程扩散理论受到了挑战，实验表明:晶界中存在大量的位错和空穴，而位错和空穴一般作为氢陷阱而存在，势必阻碍氢在其的扩散。氢在纳晶镍的扩散似乎受到了基于晶界的两种相对理论的共同影响，即:短程扩散理论和氢陷阱机理。

关键词： 内联自修复网络   复合材料   力学性能   结构优化   有限元分析  

摘要： 复合材料由于其强度高、刚度大、质量轻、可设计性强等一系列优点，广泛应用于航空、航天等领域中。然而，聚合物基复合材料层合板在加工成型和使用过程中，材料内部易发生分层等损伤，从而引起材料整体性能的下降，因此，消除或抑制复合材料内部微裂纹及其扩展对于保持材料的性能至关重要。基于内联三维自修复网络复合材料是一种新型的复合材料自修复体系，由于其结构特性，可以实现层间增韧和损伤的多次自修复，同时通过网络可提供源源不断的修复剂来修补复合材料内损伤，极大的提高修复效率，因此，有必要对其进行力学性能及三维网络结构优化的研究。\n 通过用热塑性树脂纤维EMAA将铺层好的预浸料沿厚度方向进行缝合及平面方向进行编入，建立起内联三维自修复网络，固化成型之后加工成双悬臂梁试件。对试件进行双悬臂梁试验，之后通过热激励使带自修复网络损伤试件进行自修复，再次进行双悬臂梁试验，重复此过程。通过对比计算可得:对于在中间平面EMAA修复剂面积分数为1.8％的内联三维网络复合材料，其断裂韧性值与无内联自修复网络层合板相比提高约116％，对Ⅰ型分层损伤的第一次修复效率为164％，二次修复效率为149％。\n 基于粘聚区的界面单元法，提出了模拟修复剂及树脂基体的双分区粘聚区模型。利用大型商用有限元分析软件ABAQUS对含三维内联自修复网络复合材料进行建模，基于双分区粘聚区模型研究了无修复剂试件、含内联自修复网络试件及自修复后试件的分层裂纹起始及扩展过程。对有限元结果进行分析，对比数值结果与实验结果的载荷-位移曲线，证明了有限元模型的正确性，同时更好地解释了含内联自修复网络试件的层间增韧及自修复机理。\n 基于双分区粘聚区模型，对不同三维自修复网络密度的复合材料进行有限元建模，并进行Ⅰ型分层裂纹扩展有限元仿真，数值分析结果表明:材料Ⅰ型层间断裂韧性及自修复效率随着三维自修复网络密度的增大而增大;对不同三维自修复网络密度复合材料进行拉伸试验，试验结果表明:随着三维自修复网络密度的增加，材料的拉伸性能有所下降。最后，通过有限元分析与实验研究相结合，优化出了三维自修复网络的密度为1针/cm2，从而协调了内联三维自修复网络复合材料的层间和面内力学性能。