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关键词： 应用型   实践性   研讨课   实践教学模式  

摘要： 实践性教学环节的落实是全面实施教学计划的难点和关键。基于研讨课的形式,从教学内容的优化布置、教学方法的改革、考核方法的改革等方面谈论了"材料力学"的实践教学模式改革。

关键词： 混杂纤维织物   碳纤维   玄武岩纤维   有限元   力学性能   结构设计  

摘要： 随着纤维增强复合材料研究的不断深入，其研究方法、深度以及应用范围略有不同，但大部分都局限于单一纤维增强复合材料中，由于单一纤维增强复合材料力学性能存在着一定局限性，为了克服这些局限性，提高复合材料的可设计性以及产品附加值，混杂纤维增强复合材料应运而生，并被广泛应用于航空航天、船舶、铁路、汽车等工业领域，被誉为21世纪复合材料的主导方向。 本文采用玄武岩纤维和碳纤维混杂平纹织物复合材料作为研究对象，分析了混杂织物的基本力学性能。根据编织工艺要求以及玄武岩纤维和碳纤维的性能特点，设计并制备了3种不同碳纤维/玄武岩纤维混杂织物结构，对不同混杂织物复合材料静态力学性能进行了表征分析，测试了织物复合材料三点弯曲以及层间剪切力学性能，得到了不同混杂方式织物复合材料的弯曲模量、弯曲强度、层间剪切强度以及破坏时最大载荷；通过对不同混杂编织结构力学性能的分析，确定了玄/碳混杂及其复合材料结构。 基于平纹织物复合材料的典型结构，运用CAD软件Solidworks建立了代表性体单元（RVE）几何模型，并应用有限元细观力学方法建立了适合织物复合材料基本力学性能的预测模型，计算了不同混杂方式单层板的等效弹性模量，得到随着碳纤维含量的增加弹性模量呈现出增大的趋势，并为有限元分析提供有效数据；通过有限元软件ABAQUS对织物复合材料宏观弯曲力学性能模拟，得出的模拟的应力-应变曲线与实际测得的应力-应变曲线在线性阶段吻合的较好，与实验结果进行比对，说明所建立的细观模型满足混杂织物结构设计计算需求。 通过有限元软件ABAQUS对混杂织物复合材料低速冲击的动态模拟，得到了冲击力-位移曲线图，与实验结果较为吻合；在冲击过程中，平纹织物（BF/CF=1:1）复合材料在抵抗冲击过程中表现出良好的冲击韧性，可以作为材料制备的首选。

关键词： 力学实验   开放性实验   实验教学   实验项目  

摘要： 本文介绍了材料力学课程中开放性综合实验项目的设计和实践,旨在加强培养学生解决工程实际问题的能力及力学建模能力,提高实验教学效果,加深材料力学实验教学改革。

关键词： 工程材料-材料力学性质-高等学校-教材  

关键词： SiCp/7075Al复合材料   力学性能   微观组织   化学镀镍-磷   钎焊性  

摘要： 为了添补中高体积分数SiCp/7XXXAl复合材料研究上的空白，本文以7075铝合金为基体，采用挤压铸造的方法，制备了平均粒径5μm，体积分数45%的SiCp/7075Al复合材料。对其时效特点、力学性能、显微组织、表面化学镀镍-磷和镀镍-磷后的钎焊性做了深入研究以推广此材料的应用。 在120℃、150℃和180℃三种温度下分别对7075铝合金和SiCp/7075Al复合材料进行了96h时效处理。两种材料都在120℃/24h、150℃/9h、和180℃/0.4h达到峰时效。通过分析时效-硬度曲线发现，复合材料与基体合金有相同的时效特点：随时效温度的提高，峰时效提前硬度值下降。复合材料在120℃/24h有最高的拉伸强度616.6MPa。通过分析7075铝合金和SiCp/7075Al复合材料的微观组织和DSC曲线，发现颗粒引入后提高了基体的位错密度，没有促使析出相提前析出。时效过程中位错运动和沉淀析出长大是影响复合材料强度的两大因素。120℃峰时效基体内保留大量位错且析出相细小弥散使材料强度最高。150℃和180℃在峰时效时位错大量回复，位错密度降低，同时析出相尺寸有所增大密度降低使材料强度下降。 采用1:1HNO3酸蚀和二次浸锌对复合材料进行预处理。采用XPS分析了复合材料的浸锌后的表面，二次浸锌工艺可以有效的去除复合材料表面的氧化膜并获得薄而致密的浸锌层。采用柠檬酸-乳酸双络合剂镀液对复合材料施镀。研究了镀液成份和工艺条件对镀层生长速率和含磷量的影响。采用SEM、XRD、显微划痕仪分别分析了镀层的表面形貌，镀层中的相和镀层与复合材料结合强度。研究表明采用二次浸锌预处理工艺和柠檬酸-乳酸双络合剂镀液可以成功的对复合材料施镀。 研究了270℃下不同的保温时间Sn-Cu钎料对镀层润湿性性的变化。并采用Sn-Cu钎料对镀后的复合材料进行了钎焊研究。采用金相显微镜、SEM、XRD、元素线扫描分别分析了钎缝中IMC的分布状态、接头断口形貌、钎缝中所存在的物相和钎缝中元素的分布状态。分析了接头的剪度强度。研究表明钎缝的界面处首先生成(Cu,Ni)Sn，随保温时间的延长，界面处(Cu,Ni)Sn被(Ni,Cu)Sn覆盖。接头强度随保温时间的延长先增后减，在270℃下保温3min达到最高剪切强度23.7MPa。

关键词： 风机叶片   碳纳米管增强复合材料   等效性能   均匀化   有限元  

摘要： 为满足风机叶片逐渐向大型化、高强化、轻量化的发展，碳纳米管以具有高弹性模量、高长径比、低密度、高抗拉强度、优良的耐高温性能、抗疲劳性能、耐腐蚀性能等一系列优异的性能作为增强相可提高风机叶片的力学性能。本文在实验分析的基础上，运用渐近均匀化理论，结合有限元分析技术，建立了碳纳米管增强风机叶片复合材料的多尺度模型并预测了其等效力学性能，以满足现阶段风机叶片的发展趋势。 风机叶片复合材料主要是纤维（玻璃纤维、碳纤维、玻璃纤维/碳纤维混杂）增强树脂基复合材料。本文基于ANSYS和MATLAB软件编写了预测纤维增强风机叶片复合材料等效性能的均匀化有限元程序。建立了纤维增强风机叶片复合材料的二维模型，分别分析了纤维、基体、界面的材料参数（体积分数、弹性模量、泊松比等）对纤维增强风机叶片复合材料力学性能的影响。 通过RTM方法制备的碳纳米管增强风机叶片复合材料具有优异的力学性能。本文基于实验分析，建立了碳纳米管增强风机叶片复合材料的多尺度模型，将碳纳米管增强风机叶片复合材料分别用宏观、细观和纳观结构描述，通过二次均匀化预测了碳纳米管增强风机叶片复合材料的力学性能。分析了碳纳米管的材料参数（长径比、体积分数、弹性模量等）、纤维的种类、纤维的排列方式和界面等对碳纳米管增强风机叶片复合材料力学性能的影响规律。并与纤维增强风机叶片复合材料力学性能进行了比较。结果表明，在纤维增强风机叶片复合材料中加入少量的碳纳米管可提高风机叶片的力学性能。碳纳米管增强碳纤维复合材料比碳纳米管增强玻璃纤维复合材料弹性性能更优越。碳纳米管通过界面处理后增强风机叶片复合材料性能更好。 本文通过分析得出的材料参数对风机叶片复合材料等效力学性能的影响规律，在一定程度上为实现叶片材料的轻量化设计奠定了基础，对风机叶片材料的制备提供了一定的指导作用。

关键词： 超高温陶瓷   纳米复合材料   仪器化压入   仪器化划入   力学性能  

摘要： ZrB2-SiC基超高温陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高导电率、高热导率、优良的高温强度和高温抗氧化性等优点，在航空航天领域、军事领域以及工业领域具有广阔的应用前景。然而，ZrB2-SiC较差的损伤容限以及低的抗热冲击性能（均源于其低的断裂韧性）严重地限制了其广泛应用。因此，如何实现ZrB2-SiC的强韧化成为国内外研究的热点课题之一。 本文采用强韧耦合的设计思路来改善ZrB2-SiC的断裂韧性。以ZrB2-SiC为基体材料，以氮化硼纳米管（BNNT）和纳米氮化硼纳米片（BNNP）的混合粉末（BNNT-BNNP）为增韧相，采用放电等离子烧结技术制备了ZrB2-SiC、0.5wt.%（BNNT-BNNP）/（ZrB2-SiC）和1.0wt.%（BNNT-BNNP）/（ZrB2-SiC）复合材料。采用X-射线衍射和拉曼光谱对复合材料进行物相分析；通过显微硬度测试、仪器化微/纳米压入、仪器化微米划入等测试方法，研究分析（BNNT-BNNP）/（ZrB2-SiC）复合材料的显微硬度、弹性模量、断裂韧性、应变强化和摩擦磨损性能等力学性能，并揭示了（BNNT-BNNP）/（ZrB2-SiC）复合材料的增韧机制和摩擦磨损机制。 研究结果表明，BNNTs和BNNPs在硬度、弹性模量、强度等力学性能具有巨大的差异性，在基本不损害复合材料可加工性能的前提下，（BNNT-BNNP）/（ZrB2-SiC）复合材料的断裂韧性得到了较大地改善；与（ZrB2-SiC）相比，1.0wt.%（BNNT-BNNP）/（ZrB2-SiC）的断裂韧性提高了24.4%，这主要源于BNNT和BNNP的拔出、裂纹偏转、BNNP桥接、裂纹分叉和BNNP折弯等增韧机制。纳米压入曲线pop-in处的载荷和滞后位移因（BNNT-BNNP）的添加有增大的趋势；采用微米划入/压入测试方法验证了（BNNT-BNNP）/（ZrB2-SiC）的应变强化，通过Field模型计算应变强化指数为0.50-0.52；采用Tabor模型拟合压入曲线计算的弹性模量与采用仪器化微米压入获得的弹性模量值相一致。在1500mN和2000mN恒定载荷划入参数下，1.0wt.%（BNNT-BNNP）/（ZrB2-SiC）复合材料的抗摩擦磨损性能高于（ZrB2-SiC）。

关键词： 晶粒形状函数   弹性本构   数字图像   晶粒形状参数   散斑图像相关  

摘要： 细观尺度下金属板材是由大量微小晶粒构成的多晶体,晶粒形状是晶粒特征之一,通常表现为不规则性。在金属材料弹性性质研究中人们关心晶粒的形状和取向对材料力学性质的影响,金属材料宏细观塑形性质的研究大多基于Taylor假设,本文从晶粒形状的描述出发,研究包含晶粒形状效应的弹性本构关系,基于晶粒尺度,采用数字图像分析方法来探讨金属材料宏、细观力学性质之间的关系。 本文用形状函数(CSF)来表示晶粒形状,将晶粒形状函数(CSF)在WignerD-函数基下展开成级数形式,其展开系数称为形状系数；研究了晶粒的平均形状对正交多晶体材料弹性本构关系的影响,得到包含晶粒形状效应的多晶体材料弹性本构关系Cijkleff一个新的表达式,用摄动方法估测了新的本构表达式中待定的材料常数,并采用有限元法和自洽法检验所得到的Cijkleff表达式。 针对晶粒形状的不规则性,本文采用数字图像分析技术,开展了不规则晶粒形状的参数化研究,在实现晶粒边界准确提取的前提下,用最小外接矩形、椭圆以及分割晶粒的多弦法对目标晶粒的形状作出参数化描述,发现当晶粒形状特别不规则时,椭圆拟合、最小外接矩形拟合得到的结果是晶粒形状参数的上、下限,这时七弦法的拟合结果较为合理；开展了晶粒形状函数及形状系数的实验研究,对不规则晶粒进行了基于晶粒形状函数的拟合。以晶粒参数化为基础进行了金属材料中目标晶粒形状演化的实验研究,结果表明：晶粒形状参数—长细比的数值在弹性阶段、塑性阶段均与材料宏观力学性质的理论结果一致。 本文在获取了包含边界清晰、完整的晶粒数字图像之后,利用数字散斑图像相关方法和传统的电测法,开展了金属板材中包含晶粒的局部全场应变与宏观应变的实验测量和计算研究。利用晶粒的显微数字图像,借助数字散斑图像相关方法,实现了晶粒尺度微细观应变的实验测量；实验结果表明晶粒平均应变与材料的宏观应变保持了很好的吻合度,验证了Taylor假设。 最后,本文发展了一种试验装备简单、使用方便的数字散斑图像相关实验方法,编制了CCP程序,用于大应变材料力学性质测量。

关键词： 医用材料   纸质支架   弹性模量   材料力学  

摘要： 目的：对塑形纸质支架夹板进行生物力学性能测试，并与传统的柳木夹板进行对比分析探讨该夹板的生物力学性能。对两种不同复合比例制作的塑形纸质支架夹板的在弯曲和压缩的作用下，分析其弯曲强度极限、挠度、弯曲强度、弯曲弹性模量、压缩强度极限、最大变形及压缩强度等力学数据，评价出较好力学性能的一种作为规范化生产的依据。\n 方法：以天津医院假肢厂生产的传统柳木夹板作为对照组，所有测试在电子万能材料试验机下进行，将夹板水平置于加载台上，构成三点加载，然后对两种夹板施以纵向压力，测量塑形纸质支架夹板和柳木夹板对应的挠度位移D1，及其在撤去对应外力后塑形纸质支架夹板和柳木夹板弹回后的残余位移D2。应用电子万能材料试验机，对纸质铁丝大夹板（10#铁丝和3层马粪纸黏合而成）、纸质铁丝小夹板（8#铁丝和2层马粪纸黏合而成）进行抗弯性能测试和抗压性能测试，电脑程序化处理，测量弯曲强度极限、挠度、弯曲强度、弯曲弹性模量、压缩强度极限、最大变形及压缩强度等力学数据;\n 结果：⑴在刚度方面，塑形纸质支架夹板明显优于柳木夹板(p＜0.05)，在弹性方面，两者在无显著差异(p＞0.05)。⑵抗弯测试：弯曲强度极限，纸质铁丝大夹板显著优于纸质铁丝小夹板(p＜0.01）；挠度，纸质铁丝大夹板显著小于纸质铁丝小夹板(p＜0.01)；弯曲强度，纸质铁丝大夹板显著大于纸质铁丝小夹板(p＜0.01)；弯曲弹性模量，纸质铁丝大夹板显著大于纸质铁丝小夹板(p＜0.01)。⑶抗压测试：纸质铁丝大夹板的压缩最大变形明显小于纸质铁丝小夹板(p＜0.01)，同时压缩强度极限与压缩强度两者无明显差异(p＞0.05）。\n 结论：塑形纸质支架夹板的刚度性能优于传统柳木夹板，弹性与传统柳木夹板相当。不同复合比例制作的两种夹板中，塑形纸质铁丝大夹板在抗弯测试和抗压测试要优于塑形纸质铁丝小夹板。力学测试数据证明塑形纸质支架夹板拥有稳定固定骨折及保证骨折断端的活动的性能，符合传统中国接骨学“动静结合”的理念，良好的力学环境可以加速骨折愈合，是一种稳定可靠的夹板材料，其中塑形纸质铁丝大夹板因其具有更好的力学稳定性，所以更适合作为规范化标准推广。

关键词： BMC材料   多尺度力学   Mori-Tanaka模型   超声波检测失效准则   Ansys仿真  

摘要： BMC (Bulk molding compounds)材料又叫做团状模塑料，化学名称为不饱和聚酯团状模塑料。BMC材料主要由不饱和树脂、短切玻璃纤维、填料以及添加剂经混合而成。上世纪60年代英国和前西德开始应用BMC材料。之后的70-80年代日本和美国都在针对BMC材料的研究上取得了较大的进展。 施耐德电气的一些电气元件由BMC材料制成。他们需要研究BMC材料的失效预测。本文采用了多尺度力学建模与仿真，对BMC材料的力学行为进行建模并且用Ansys进行仿真。 首先介绍了BMC材料基材的微观结构识别和BMC材料的微观结构识别。通过拉伸实验，得到基材的力学性能曲线。获得不同的成分对基材力学性能的影响。最终得到结论，基材在线性阶段时有较好的各向同性。到了非线性阶段，不同基材的差别开始明显出现。之后介绍了超声波法检测BMC材料。超声波法作为一种无损检测法，能够检测出短切纤维的整体分布方向。另外检测了同一个零件不同部位的试样。通过这个不同部位的比较，证明了在预测一个BMC材料的零件的失效分析时，不同部位需要细化区别对待。 在比较了复合材料等效模量的发展历程后，本文采用了二次Mori-Tanaka模型来描述含有孔洞和增强纤维的BMC材料。在模型里，考虑了纤维的断裂、脱落和孔洞的增大所引起材料性能的改变。顾及了如何简化考虑纤维的分布，采用离散化的手段将纤维分类。同时又将所有纤维统一到全局坐标系中。运用了两种失效判别法，即根据纤维脱落的百分比和孔洞增大产生的能量变化来判断材料是否失效。纤维脱落百分比准则基于统计理论，当复合材料中的受损纤维达到一个阈值时就认为材料失效。孔洞能量准则基于固体力学中的相互势能理论，当孔洞增大所引起的相互势能达到一个阈值时就认为材料失效。通过模型建立BMC材料宏观与微观力学特性的关系，得到BMC材料的力学性能演化过程。 接下来根据上述的二次Mori-Tanaka模型，用Matlab语言实现模型的描述。其中比较核心的程序涉及到如何将纤维分类，如何统一纤维的坐标系，如何描述等效模量等等。 最后运用Ansys软件来仿真简单材料及零件的力学行为。将二次Mori-Tanaka模型所得的力学性能演化过程运用到Ansys仿真模型里。同时在Ansys仿真中加入Tsai-Hill准则和Tsai-Wu准则作为失效判据。本文涉及到的仿真包括虚拟拉伸实验、虚拟弯压实验。比较了20F型BMC与15B型BMC的力学性能差异。在虚拟弯压实验中还应用了同时由20F型BMC与15B型BMC组成的试样。实现了快速预测不同位置组成材料不同的零件的失效。最后对比实验结果与仿真结果。仿真结果与实验结果比较符合，但仍需继续改进。