教学课程资源库 更多>>

关键词： PBO纤维   表面改性   环氧树脂复合材料   力学性能   断裂模式  

摘要： PBO纤维是一种有机高分子纤维,但具有超高强度、超高模量、超高耐热性和阻燃性,可成为复合材料的理想增强体。但是PBO纤维表面活性低,与复合材料树脂基体间的粘合性差,导致复合材料力学性能较差,制约了其在复合材料中的实际应用。因此,有必要对PBO纤维表面进行改性,改善PBO纤维与树脂基体界面结合状况,从而有效提升PBO纤维增强树脂基复合材料的综合力学性能。本文在文献调研的基础上,开展了酸刻蚀处理、伽马射线辐照处理、等离子体处理和偶联剂处理以及组合处理等方法对PBO纤维进行了表面改性研究,重点考察了上述处理方法对PBO纤维表面形貌、本体结构、单丝强度、与聚合物基体相容性等的影响,并对PBO纤维表面改性方法进行了优化,最终确定了优化组合处理方法,即伽马射线辐照处理—PPA刻蚀处理—涂覆偶联剂YDH560处理工艺。本文进一步开展了PBO纤维增强环氧树脂复合材料制备工艺研究。利用树脂溶液浸渍PBO纤维湿法缠绕工艺制备了单向预浸料带,采用模压工艺制备了连续PBO纤维增强的环氧树脂复合材料。考察了组合表面处理工艺对PBO纤维增强环氧树脂复合材料制备工艺性的影响,确定了复合材料制备工艺参数。为考察组合表面处理方法对PBO纤维增强环氧树脂复合材料力学性能的影响规律,本文测试了表面改性前后单向PBO纤维增强环氧树脂复合材料的拉伸性能、层间剪切性能和压缩性能。实验结果表明,PBO纤维增强环氧树脂复合材料的单向拉伸失效模式为纤维/树脂基体界面剪切破坏;表面改性后,复合材料的拉伸强度下降了8%;复合材料短梁剪切试样的断口表明,PBO纤维增强环氧树脂复合材料呈现多层剪切破坏,表面改性后,复合材料层间剪切强度高达43MPa,提高了26%;PBO纤维增强环氧树脂复合材料单向板压缩失效主要呈45°剪切失效,表面改性后,复合材料的压缩强度达到168MPa,提高了17%。上述研究表明,采用组合表面处理方法,PBO纤维增强环氧树脂复合材料界面性能得到较大改善,复合材料的综合力学性能得到明显提升。

关键词： 颗粒复合材料   多孔材料   空心颗粒   代表体积单元   初始缺陷   组合球单元   细观力学  

摘要： 空心颗粒复合材料是一种具有轻质、高强、高吸能、多功能特性的复合材料，在工程实际中被广泛应用。对于空心颗粒复合材料，根据空心颗粒体积填充比的大小以及颗粒的分布状态，可将空心颗粒复合材料分为填充型和胶结型两种类型。针对这两种类型的空心颗粒复合材料，分别建立了各自的力学模型，并基于细观力学的分析方法分析了空心颗粒复合材料的宏细观力学性能。 针对填充型空心颗粒复合材料，利用RSA（Random Sequential Adsortion）方法建立了不同特质参数下（主要指空心颗粒体积填充比和壁厚）的空心颗粒复合材料的周期性代表体积单元模型，通过合理设置空心颗粒及基体的材料属性以及边界条件，计算得出了不同特质参数下复合材料的本构关系。将材料的本构曲线拟合为双线性特征，得出了材料的有效弹性模量、泊松比、屈服极限以及热膨胀系数等弹性常数，并分析了各特质参数与材料的弹性常数之间的相互关系。将各特质参数与材料的弹性常数之间的相互关系拟合为指数函数，然后分析了各特质参数对材料力学性能影响的灵敏度，以此来评价材料的稳定性。 通过实验结果与数值模拟结果的对比发现，材料内部的初始缺陷对计算结果影响很大。将初始缺陷以球形孔洞的形式加入到材料的代表体积单元模型中去，利用有限元分析了初始缺陷程度对材料各弹性常数的影响规律。通过与实验结果的对比分析估计出了实验中材料的缺陷程度。还将Differential scheme方法做了改进，将缺陷因素考虑到其中去，作为有限元计算结果的比照。将材料的缺陷程度与材料各弹性常数之间的相互关系拟合为指数函数，分析了缺陷程度对材料弹性模量及屈服极限影响的灵敏度。 针对胶结型颗粒复合材料，提出了计算材料宏细观力学性能的组合球单元方法：将胶结型颗粒复合材料中的一对颗粒及其胶结基体视为一个组合球单元，分别得出了组合球单元在轴向、切向及其弯曲三个方向的刚度，利用直接法构建了组合球单元的单元刚度矩阵，并将材料细观结构等效为刚性梁-弹簧网络模型。以平面六边形排列方式组合的颗粒复合材料为例，计算得出了基体中的应力分布函数、三个方向的刚度，以及弹性常数和细观应力集中系数。 最后，将组合球单元方法推广到胶结型空心颗粒复合材料中去。其中的关键步骤是当球壳顶部受法向集中载荷时，将球壳的受力变形区域简化成了扁壳；当球壳顶部受切向集中载荷时，将球壳的受力变形区域简化成了平面问题。通过计算空心颗粒组合球单元的各向刚度，将胶结型空心颗粒复合材料等效为刚性梁-弹簧网络模型，然后计算出材料的有效弹性性能，并制定组合球单元的失效准则，模拟材料损伤演化的过程。

关键词： 功能梯度材料   准晶材料   超晶格   (准)周期问题   裂纹  

摘要： 在现代工程技术领域中,新型材料的作用越来越重要,国际上新型材料力学的相关研究得到了蓬勃的发展.近年来,由于这些材料的特殊性能和本质脆性,人们对功能梯度材料和准晶材料的弹性和断裂问题展开了系统的研究.众多研究方法,如有限元法、边界元法、复变函数方法以及积分方程方法等被用于研究这些新型材料的力学问题.实践证明积分方程方程方法具有数值运算量小且精度高的优点,是研究新型材料断裂力学的行之有效的方法.本文研究了功能梯度材料和准晶材料的周期断裂问题,并研究了具有周期和准周期结构多势垒的隧穿特性. 本文共分七章.第一章简要介绍了功能梯度材料、准晶材料以及人工周期准周期结构.第二章考虑功能梯度复合材料的单周期界面裂纹,第三章借鉴单周期界面裂纹模型提出并求解循环对称界面裂纹模型.第四章和第五章应用和发展经典弹性力学中双周期裂纹问题的解析函数边值理论,研究一维六方准晶的周期和非周期平面的双周期裂纹全平面应变问题.第六章将周期和准周期结构引入超晶格的理论分析模型中,研究一维周期和准周期势垒的隧穿特性.第七章总结了本文的工作,并对将来的工作进行了展望.

关键词： 材料力学   教学改革   执业资格考试   专业特色  

摘要： 为适应就业市场需要,提高学生分析、解决实际工程问题的能力,在"材料力学"教学改革的实践中,将教学内容和执业资格考试、专业特色有机结合起来,综合运用各种教学手段,加强学生的感性认识,激发学生的学习兴趣,并取得了较好的效果。

关键词： 电子封装   空隙增长   蒸汽压力   粘弹性   湿气溶度  

摘要： 微电子产业目前已成为当今信息化时代的第一大产业。随着电子元件的尺寸向着精密化发展，在封装过程中需要承受更为严酷的载荷环境。而高密度芯片封装中粘结膜主要是以高聚物这种多孔介质材料为基体，因此高聚物内部含有许多微孔隙。一方面，高聚物材料一般都为亲水性材料，能吸收空气中的湿气，使得湿气以液态和气态的形式贮存在孔隙中，导致空隙变大，可能引发材料失效;另一方面，高聚物材料要经历回流焊接这一产生高温的过程，此时在材料的空隙中将产生很大的蒸汽压，蒸汽压的增长将导致微空隙膨胀，最终导致材料的失效。 本文主要采用连续介质力学的方法研究空隙失效机制。首先，采用有限元方法从整体上分析电子封装过程中电子设备受到温度载荷和应力载荷共同作用下的翘曲，以及湿气在粘结材料中的扩散。同时，通过得到的湿气溶度为有限元分析提供一种计算湿热应力的方法。其次，考虑在常温下湿气和液滴共同作用下空隙的变形问题，采用弹性力学中的复变函数解法求出线弹性小变形下液气两相共同作用下的理论解，同时比较不同材料之间应力位移分布的差异。第三，采用ABAQUS模拟超弹性材料受到蒸汽压作用下的空隙增长，并与线弹性小变形和线弹性大变形本构模型下的结果进行对比。第四，采用非线性连续介质力学方法研究高温下蒸汽压力单独作用所导致的空隙动态增长问题，得出空隙增长的控制方程，并根据不同温度加载的方式，不同材料本构模型，得到空隙的增长随着时间的变化历程。最后，研究了考虑湿热膨胀效应下的空隙失稳问题，并引入材料软化效应，求解了不同空隙率下和不同初始空隙率下的临界空隙应力的差异。本文对于电子封装的湿热研究将深化我们对于这一领域的了解。

关键词： 模态分析   材料力学   拓扑优化设计   卷绕头  

摘要： 高速卷绕头是化纤纺丝设备中的关键设备，其投资占纺丝设备总投资的50%～60%。我国化纤生产所用高速卷绕头长期以来主要依赖进口，形成了化纤业投资大、生产成本高、产品缺乏国际竞争力的局面，制约了化纤工业的发展和技术进步。拨叉片是高速卷绕头上的关键零件，决定了卷绕头的生产效率。故研究提高拨叉片的机械特性具有很强的理论和现实意义。 本文从模态、材料力学、拓扑结构三个角度出发，以Pro/e和有限元分析软件ANSYS为工具，仔细研究现有的拨叉片机械特性，并验证和体会设计工程师的设计意图。通过研究找出了拨叉片的共振规律以及尺寸结构规律，再以减少拨叉片碰撞为目的，进行拨叉片尺寸的设计。最后，研究新拨叉的机械特性，并和原设计对比，找出各自的优缺点。 通过本文的分析，证明新的拨叉优于原有设计。但由于该拨叉片为比较成熟的商业化产品，尺寸结构的设计空间其实不大。建议以后的研究从振源、材料、安装方式等入手，会有较大收获。

关键词： 石英纤维   织物   SiO2f/SiO2   力学性能   细观力学模型   陶瓷基复合材料  

摘要： 石英纤维增强二氧化硅(SiO2f/SiO2)复合材料因其优良的防热透波性能而广泛应用于雷达天线罩。由于天线罩在高速气动飞行过程中承受着气动载荷和惯性载荷的作用，因此在介电性能保证的条件下要求其必须具有一定的力学性能。在SiO2f/SiO2复合材料力学性能研究方面，目前大部分研究仅关注复合工艺以及基体成分的改变对性能的影响，3D整体石英纤维织物结构对SiO2f/SiO2复合材料力学性能的影响研究报道非常少见。因此本文以SiO2f/SiO2复合材料为研究对象，结合实验与理论预测模型研究石英纤维织物结构及参数对SiO2f/SiO2复合材料力学性能的影响。 本文通过硅溶胶循环浸渍热解法制备了的2.5D浅交弯联和直联(经/纬纱密度相同且纤维体积分数相近)、3D四向和五向(编织工艺参数和纤维体积分数相近)四种SiO2f/SiO2复合材料，用排水法测定了四种复合材料的密度以及孔隙率，并通过X射线衍射仪分析复合材料物相；采用正轴拉伸法、三点弯曲法、Iosipescu剪切试验法和单边切口预裂纹法分别测定复合材料的拉伸性能、弯曲性能、剪切性能和断裂韧性等力学性能；利用扫描电镜观察试样断口形貌特征，结合力学性能测试曲线分析复合材料的失效模式和损伤演化过程；基于四种SiO2f/SiO2复合材料的细观结构单胞模型，采用刚度体积平均法建立了复合材料弹性性能预测模型，得到了四种SiO2f/SiO2复合材料的有效弹性常数。具体研究内容和主要研究成果如下： (1)对比研究了2.5D浅交直联SiO2f/SiO2复合材料沿着经纱和纬纱方向的力学性能，结果表明：由于2.5D复合材料结构中经纱存在倾斜角度，降低了复合材料沿经纱方向的力学性能，2.5DSiO2f/SiO2复合材料沿经/纬纱方向力学性能比与其经/纬纱含量比存在比例失配。SiO2f/SiO2复合材料力学性能测试曲线显示出明显的非线性特性，其机理在于石英纤维与基体具有弱界面结合和复合材料内部的孔隙及微裂纹；研究了经/纬纱密度相同且纤维体积分数相近的2.5D浅交直联和弯联SiO2f/SiO2复合材料沿经纱方向的力学性能的差异性，结果表明：经纱倾斜角的大小是影响两种2.5D SiO2f/SiO2复合材料拉伸性能的关键因素，倾斜角越小，拉伸强度和断裂应变越大，而密度对于2.5D浅交直联和弯联SiO2f/SiO2复合材料的弯曲、剪切和断裂韧性等力学性能影响程度超过经纱倾斜角的影响。 (2)根据2.5D浅交直联和弯联SiO2f/SiO2复合材料纱线截面的基本假设，建立了2.5D浅交直联和弯联SiO2f/SiO2复合材料的小单胞结构模型，采用刚度体积平均法建立了2.5D SiO2f/SiO2复合材料弹性性能的数值预报模型。预测结果与2.5D SiO2f/SiO2复合材料力学性能试验结果比较吻合，表明本文模型预测精度较高，并通过模型分析了不同纤维体积分数和纬纱密度对2.5DSiO2f/SiO2复合材料各个弹性常数的影响规律。 (3)研究了编织工艺参数和纤维体积分数相近的3D四向和五向SiO2f/SiO2复合材料沿编织方向的力学性能和力学行为的差异性，结果表明：3D五向SiO2f/SiO2复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和剪切强度均高于3D四向SiO2f/SiO2复合材料，而弯曲模量和剪切模量低于3D四向SiO2f/SiO2复合材料；3D五向SiO2f/SiO2复合材料受到弯剪耦合效应的影响比3D四向SiO2f/SiO2复合材料要大；由于3D五向SiO2f/SiO2复合材料中沿编织方向轴向不动纱受到弯曲载荷时受力状态相对统一，其弯曲力学行为与3D四向SiO2f/SiO2复合材料明显不同，测试曲线上存在明显的应力陡峭下降点然后迅速恢复到非线性阶段；3D四向和五向SiO2f/SiO2复合材料的Iosipescu剪切失效模型均为包括纤维与基体界面脱粘和层间损伤，V型槽根部纤维束崩裂的混合型失效模型。 (4)根据3D四向和五向结构中纱线截面的基本假设，建立了3D四向和五向SiO2f/SiO2复合材料的内部单胞结构模型，采用刚度体积平均法建立了3D四向和五向SiO2f/SiO2复合材料弹性性能的数值预报模型。发现并从理论上解释了3D四向和五向SiO2f/SiO2复合材料受“切边效应”的影响程度。模型预测结果与3D编织SiO2f/SiO2复合材料净尺寸试样试验结果吻合程度较好，表明本文模型简单且精度较高。通过模型分析了不同纤维体积分数和内部编织角对3D四向和五向SiO2f/SiO2复合材料各个弹性常数的影响规律。

ISBN: (纸本)9787111400059

关键词： 材料力学性能   课程教学   学生实践能力   培养措施  

摘要： "材料力学性能"课程是功能材料专业本科生的专业基础课。针对该课程实践性强的特点,在教学中应强化对学生实践能力的培养,丰富教学内容和手段,加强实验教学内容的设计,采取多种多样的实践教学形式,全面提高教学质量。

关键词： 透水性水泥稳定基层   密级配骨料基层   排水基层   渗透系数   配合比  

摘要： 随着高速公路的快速发展和交通量的逐年递增，越来越多的人认识到设置道路结构内部排水系统的重要性。排水基层作为道路结构内部排水系统的一部分，其作用就显得尤为重要。路面内部自由水所引起的道路早期破坏缩短了道路的使用寿命。因此，为解决道路结构内部自由水的排放以延长道路的使用寿命，研究道路排水基层铺筑材料的性能，具有十分重要的意义。 本文通过道路基层材料所要达到的路用性能入手，选择了一套合适的室内试验方法，分析影响道路基层材料的力学性能和渗透系数的影响因素，提出了合理的透水性水泥稳定基层材料的配合比，并进行了相关的性能试验，主要包括以下几个方面： 首先，通过讨论达西定律的适用条件和分析渗透系数的影响因素，自行设计出一个可以长时间进行常水头试验的渗水仪系统，并根据该渗水仪系统和常水头试验方法，设计出测定渗透系数的试验步骤。 其次，通过试验测定道路基层材料的物理性能，根据影响因素逐一分析，得出了道路基层材料的抗压强度与其影响因素之间的变化规律，综合考虑抗压强度与渗透系数两个此消彼长的指标，选择能使二者达到平衡的配合比。 最后，通过对几种道路基层材料在三种不同类型的溶液中的渗透系数的测定，并比较在不同浓度的溶液中几种道路基层材料的渗透系数的变化，得出材料的渗透系数与其影响因素之间的关系。通过建立合理的计算模型并计算，结果表明悬浮物溶液会导致透水性水泥稳定基层的使用寿命缩短。