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关键词： 机械结构设计   强度优化   刚度优化   有限元分析   材料力学  

摘要： 本文旨在探讨机械结构设计中强度与刚度要求的优化方法。首先，介绍了机械结构设计中强度与刚度的基本概念及其重要性。其次，分析了现有机械结构设计的局限性，并提出了一种基于数值仿真和试验验证的优化策略。采用有限元分析（FEA）方法，结合材料力学原理，对机械结构进行强度与刚度的优化设计。研究发现，通过合理的设计参数调整和材料选择，可以有效提高结构的强度与刚度，同时保持或降低成本。最后，本文通过几个应用实例验证了优化策略的有效性，为机械结构设计提供了新的思路和方法。

关键词： 石灰石粉   膏体充填材料   工作性能   抗压强度   酸性矿井水  

摘要： 充填开采技术是煤矿绿色开采体系中的重要组成部分,是解决地表沉陷问题、煤矸石处置问题、实现“三下”开采的重要手段,具有资源开采最大化、保护生态环境的优势。充填材料作为充填采矿技术的关键部分,其力学性能、工作性能对充填效率起到了关键作用。石灰石粉作为部分工业生产中产出的废料,具有化学结构稳定的优点,是优良的矿物掺合料,配合水泥、煤矸石等材料制成膏体具有良好的工作及力学性能。为得到石灰石粉膏体材料优势配合比范围,通过室内实验、理论分析等方法探究影响其性能的关键因素及抗酸性侵蚀性能。研究结论如下: 对石灰石粉膏体原材料矿物成分、物理特征进行分析的基础上,得到了水泥、石灰石粉、粉煤灰对膏体强度的作用机理。水泥水化过程生成Ca（OH）2、硅酸钙（C-A-H）、铝酸钙（C-A-H）及铁铝酸钙（C-A-F）等凝胶物质,是影响膏体材料强度的关键产物;石灰石粉与水泥协同作用,反应生成强度更高的碳铝酸盐取代Afm（单硫型硫铝酸钙）从而减少孔隙率提高膏体密实度及膏体的早期强度;在一定条件下粉煤灰与Ca（OH）2反应生成水化硅酸钙、水化铝酸钙,从而提高材料早期强度与凝结速度。 通过单因素试验研究了石灰石粉替代量、石灰石粉细度、水泥掺量、质量浓度对膏体工作性能及抗压强度的影响规律。细度大于325目、替代量小于50%的石灰石粉能够有效改善膏体坍落度、泌水率、凝结时间、抗压强度等参数,但随石粉细度的下降及石粉替代量的升高,膏体坍落度、抗压强度逐渐降低。 通过L18（5～1×3～3）混合正交试验,研究了四个因素交互影响下膏体工作性能及抗压强度的变化特征,得到了各指标的影响敏感性强弱。综合考虑膏体性能及经济因素确定了最优配合比范围即石灰石粉替代量25%～50%、石灰石粉细度400～500目、水泥掺量170kg/m3、质量浓度80%～82%,该配比相较未添加石灰石粉试验组在工作性能、力学性能及经济性能方面均存在优势。 选用UDEC数值模拟软件,建立实验矿井工作面数值模型,通过对未充填、不同充填材料全充填覆岩应力场、位移场分布特征的分析,得到了不同充填材料下采场位移演化规律。对比得到,充填后两种充填体均起到了良好的承载作用,极大的减小了覆岩变化,Y2组材料相较Y0组材料充填后覆岩下沉量较小,具有更好的充填效果。 依据得到的石灰石粉膏体最优配合比范围制作试块,配置不同酸度（p H值为2、4、6）的硫酸溶液模拟酸性矿井水。观察膏体试块受侵蚀过程中颜色变化、表面浆体状态、试块表面孔洞的变化情况。通过试块质量、抗压强度等方面分析了膏体试块受酸性溶液侵蚀的劣化规律,得到石灰石粉替代量25%、石灰石粉细度500目时膏体具有较好的抗酸性侵蚀性能。

关键词： 喷射3D打印   参数设计模型   协同连续布筋   韧性  

摘要： 喷射3D打印喷口与受喷面的间距空间可解决3D打印与钢筋协同建造的问题。目前3D打印钢筋混凝土技术较依赖人工、灵活程度低,导致在工程应用方面存在局限性。喷射3D打印能弥补其他3D打印技术的不足之处,同时其层间较高粘结性能的特点能提高结构的承载力和安全可靠度。本研究探索了喷射3D打印混凝土技术中设备与操作过程、材料流变性和打印形状之间的关系,建立了有关喷射3D打印系统的参数优化设计模型,开发了一种适用于喷射3D打印的同步输送多筋的装置,建立了多微筋喷射3D打印复合材料。解决3D打印多角度灵活布筋的问题,实现喷射3D打印混凝土结构的增强增韧。本文针对参数调控打印性能、打印参数优化力学结果、连续微筋增韧混凝土的弯曲增韧机理等方面展开研究,主要研究工作如下:(1)混凝土可喷射3D打印设计模型 喷射3D打印通过调控参数组合设计,结合打印结果的质量分析,提出综合评价机制。单层打印最小厚度应满足5 mm;打印截面的平整度(残差平方和RSS)需小于10;同时溅射质量比控制在5.00%以内,打印的参数优化区间需满足以上三个条件。建立由移动速率、喷嘴直径、打印间距主导的参数设计模型β=f(V,A,D),并依据数值系数可划分打印等级。其数值在[1,1.5]范围内为高精度区域(最优的打印效果),(0,1)范围内为中精度区域,(1.5,10]为打印的低精度区域。(2)喷射3D打印力学性能优化研究 喷射3D打印混凝土采用参数设计模型,结合力学测试结果、含水率变化、SEM及CT微观分析其凝结硬化机理,同时探究打印时间间隔对层间性能的影响规律。研究发现喷射3D打印混凝土试样高于浇筑试样的力学强度原因在于:打印过程中碳纤维对准喷嘴移动方向,在破坏过程起到抑制变形的关键作用;CT成像显示分布结果表明相比浇筑样式总孔隙率降低了226.5%。喷射3D打印虽然弱化了结构的层间缺陷,然而随着打印间隔时间的延长,这种层间缺陷会明显增加,抗折强度在Y方向比X方向分别提高8.35%～23.98%(0～30 min)。(3)协同连续布筋增韧喷射3D打印混凝土力学性能研究 喷射3D打印混凝土结合同步置筋技术,建立多微筋喷射3D打印复合材料。微筋改变了喷射3D打印混凝土的抗弯破坏形貌,同时显著提升喷射3D打印混凝土结构的抗弯强度和延性。其抗弯强度提高43.60%～800%,峰值位移提高了107.69%～2076.47%。喷射3D打印工艺提高混凝土与微筋的粘结性能,有利于充分发挥微筋与混凝土的协同作用。相比普通喷射3D打印混凝土梁,微筋混凝土梁的开裂强度提高为1.80～8.81 MPa,混凝土与微筋桥接作用是提升结构韧性的关键。该方法对3D打印钢筋混凝土结构制备及其在大尺寸结构中的应用提供了一定参考。

关键词： 橡胶老化   断裂伸长率   冲击本构   性能预测   随机森林  

摘要： 橡胶材料具有高弹性,高耐磨性等优点,在各种工程结构中都有着广泛应用。橡胶材料在使用过程中由于受到环境的温度、湿度、载荷等综合因素影响,会出现拉伸、冲击力学性能下降等老化现象。然而,由于橡胶材料的应用环境复杂,环境耦合因素较多,预测橡胶材料在多因素耦合环境下的老化性能变化规律难度较大。随着近年来机器学习技术的迅速发展,为材料力学性能预测问题提供了新的解决思路。本文采用随机森林算法,开展了硅橡胶材料在多因素耦合环境下的老化性能、冲击性能研究,并建立了对应的随机森林预测模型,开发了预测软件。 本文对硅橡胶材料进行湿热老化与准静态拉伸试验,试验表明硅橡胶的断裂伸长率随老化时间和老化温度的增加而下降;基于Arrhenius方程构建了用于预测拉伸性能的老化数据集,并对基于原始试验数据直接使用最小二乘法建立数据集的直接法与先使用随机森林回归算法预测空缺的断裂伸长率值,再使用最小二乘法建立数据集的间接法能够使预测准确度更高进行了研究,预测结果表明间接法的建模效果要优于直接法。 本文对硅橡胶材料进行霍普金森压杆试验,研究了老化条件对硅橡胶材料冲击特性的影响,基于ZWT模型与Neo-Hookean模型提出了一种改进的硅橡胶本构模型,模型具有拟合参数少等优势,能够良好地描述硅橡胶材料的应力—应变关系,研究表明硅橡胶冲击本构模型中的初始弹性模量、瞬时弹性响应模量、应力松弛时间等参数均随老化时间和老化温度下降,基于此模型建立了冲击数据集。 本文使用python语言编写了基于随机森林模型的硅橡胶材料力学性能预测软件,软件能够实现数据集的读取、建模、导入、预测等功能。其中机器学习算法采用了随机森林算法,使用网格搜索调参、归一化、对数转化等方法对硅橡胶材料的老化数据进行处理。由机器学习模型预测得到的硅橡胶材料拉伸和冲击性能与试验结果符合较好,相关系数R2值均在0.85以上;进一步利用特征重要性图分析了老化因素对材料拉伸、冲击性能的影响规律,表明老化时间对于硅橡胶材料拉伸与冲击性能的影响均占主要地位。

关键词： 纳米纤维素纤维   剑麻纤维   钢纤维   多尺度   力学性能  

摘要： 在水泥基复合材料中掺入纤维是提高其力学性能的有效措施,不同尺度的纤维混杂可以充分发挥各纤维的性能优势实现多尺度增强和增韧的作用。目前对不同尺度纤维增强水泥基复和材料力学性能已有大量研究,但大部分研究主要是关于不同种类的宏观纤维混杂以实现对水泥基材料的增强,而纳米纤维素纤维（Nanofibrillated Cellulose,NFC,也叫纳米纤化纤维素,或纳米纤维素晶体）作为一种可再生、低成本的绿色材料,具备优异的物理化学性能,是理想的纳米级增强材料。利用纳米纤维素和宏观纤维混杂组合,可以进一步增强水泥基复合材料的力学性能。本文以钢纤维、剑麻纤维以及纳米纤维素纤维作为水泥基复合材料的增强材料,构建多尺度增强体系,对其基本力学性能、轴心受压本构关系、断裂性能进行试验研究和分析。具体内容和结论如下: （1）研究了钢纤维、剑麻纤维以及纳米纤维素纤维单掺、钢纤维和剑麻纤维双掺、钢纤维、剑麻纤维以及纳米纤维素三者共同作用对水泥砂浆的工作性能和立方体抗压强度的影响。研究结果表明钢纤维、剑麻纤维以及纳米纤维素纤维的加入均使得水泥砂浆的流动性降低。纳米纤维素的加入会提升水泥砂浆的抗压强度,并且掺有0.2wt.%NFC的配比具有最高的抗压强度值,并且可以进一步提高钢-剑麻纤维混杂纤维增强水泥基材料的抗压强度,表现出优异的协同效应;随着钢纤维掺量逐渐增加,水泥砂浆的抗压强度呈现不断增大趋势;剑麻纤维的掺入对抗压强度的改善作用不明显。 （2）测试和分析了纤维增强水泥基复合材料棱柱体的轴心受压性能。研究结果表明,钢纤维和剑麻纤维的加入对水泥砂浆的弹性模量影响不大,而纳米纤维素纤维的加入可以一定程度上提高弹性模量。基于典型普通混凝土受压应力-应变本构模型,选用分段函数描述纤维增强水泥基复合材料的应力-应变关系,确定上升段参数a1和下降段参数b1的取值范围（1≤1≤1.67,1.5≤b1≤25）,试验曲线与理论曲线吻合良好。 （3）研究了钢纤维、剑麻纤维以及纳米纤维素纤维单掺、钢纤维和剑麻纤维双掺、钢纤维、剑麻纤维以及纳米纤维素纤维三者共同作用对水泥砂浆断裂性能的影响,通过计算起裂断裂韧度、失稳断裂韧度以及断裂能,用以评价其断裂性能。研究结果表明:使用适量剑麻纤维取代钢纤维可以有效提高断裂性能,其中在1.5%纤维掺量下SF1.3FF0.2的断裂性能最佳。并且纳米纤维素纤维的加入,可以与钢纤维、剑麻纤维形成纳观-宏观的多尺度阻裂体系,进一步提高水泥砂浆的断裂性能。基于混杂纤维综合增强指数RIV,建立了断裂参数与RIV的关系模型,确定了具有最佳断裂参数的RIV值。

关键词： 铜基复合材料   碳化钛   硅化钛   混杂增强   单轴拉伸   力学性能   有限元模型  

摘要： 混杂增强铜基复合材料因其增强相具有多组元、多尺度、多形貌等特点，可以有效解决单一相增强铜基复合材料中强度与导电性、强度与塑性及耐磨性等难以同时增强的问题，因此具有非常广泛的应用前景。在铜基复合材料中原位生成的增强相可以具有不同形貌、大小以及体积分数，这些特点会直接影响复合材料的力学性能，但是实验方法却难以揭示这些影响因素对复合材料力学性能的影响机制。因此，本文基于实验结果，以TiC和Ti5Si3为增强相，根据复合材料微观结构，分别建立了Ti5Si3/Cu、TiC/Cu、TiC-Ti5Si3/Cu复合材料的有限元模型，并对其进行单轴拉伸模拟，分析了不同增强类型铜基复合材料的应力应变关系、屈服强度、应力应变分布以及载荷传递效率，研究了增强相特征对铜基复合材料力学性能的影响规律。　　首先，通过对不同直径和不同长度Ti5Si3晶须增强铜基复合材料进行分析发现，Ti5Si3晶须的长度和直径都对复合材料内部应力分布有显著影响，Ti5Si3晶须长度越长或直径越小，基体与Ti5Si3上的应力集中现象越严重，尤其是平行于拉伸方向的Ti5Si3晶须中间部位;随着Ti5Si3晶须长径比的增大，复合材料的屈服强度有所提高，同时应力分配系数随之减小，Ti5Si3晶须与基体之间的载荷传递效率提高。　　其次，分析了TiC颗粒体积分数及尺寸的变化对复合材料的影响，发现随着TiC颗粒体积分数的增加，复合材料的屈服强度以及TiC颗粒的平均应力随之增加;TiC直径在1.5μm~3μm的区间时，直径的变化对复合材料的屈服强度和TiC颗粒的平均应力影响较小;TiC颗粒的引入使基体中存在应力集中现象，且TiC颗粒体积分数的增加和直径的增大都会导致基体和增强体的应力集中现象更加严重，更易萌生裂纹。结果表明在相同体积分数下，TiC颗粒直径越小，复合材料的综合性能越好。　　最后，研究了TiC-Ti5Si3混杂增强铜基复合材料的力学性能特征，并与单一TiC和Ti5Si3增强复合材料进行了对比，发现TiC-Ti5Si3混杂增强时，复合材料的屈服强度介于单一相增强复合材料之间;TiC具有比Ti5Si3更高的应力分配系数，表明相比于TiC颗粒，Ti5Si3晶须具有更高的载荷传递效率，在抵抗变形中起到了主要的承载作用。通过对比各增强模型的应力标准差发现，TiC与Ti5Si3混杂增强能够改善了复合材料内部的应力分布，基体、TiC颗粒和Ti5Si3晶须上的应力分布相较于单一增强而言更加均匀，可降低复合材料微裂纹萌生的可能性，提高复合材料的综合性能。

关键词： 双轴压缩   单轴压缩   含马蹄形孔洞类岩石   应力应变曲线  

摘要： 在深层地下工程中,马蹄形巷道作为最常见的通道类型而被广泛使用,这些通道在使用过程中长期受到不同方向围压的作用,其稳定性是安全施工的基本保障。针对巷道长期受到不同方向围压作用的影响,采用相似模拟实验对巷道等的进行模型简化,进一步分析含马蹄形孔洞岩体的稳定性,以及破坏时裂纹扩展规律和破坏特征。 本文以含马蹄形孔洞的类岩石材料(水泥、细砂和水按26:25:10质量配比的水泥砂浆制作而成)为例,采用岩石力学和断裂力学等相关理论,进行了预制孔洞类岩石材料的双轴压缩试验和单轴压缩试验过程和结果的分析,并将模型分为三种,分别为不同拱顶弧长的含马蹄形孔洞试件、不同面积占比的含马蹄形孔洞试件、不同孔洞高度的含马蹄形孔洞试件。双轴压缩试验将采取三种围压:2MPa、4MPa、6MPa分别对三种情况下的孔洞类型进行施加围压,探求不同侧向压力对含不同类型孔洞类岩石材料破坏的影响。两种压缩试验方式下均研究了含马蹄形孔洞岩石材料的裂纹萌生与断裂原理;分析了含马蹄形孔洞的试样破坏特点,得到了以下研究成果: (1)在双轴压缩作用下,不同围压时,马蹄形孔洞类型对试件强度均造成减小的趋势,即试样峰值应力随着马蹄形孔洞圆拱弧度的减小呈现减小趋势;随着孔洞面积的增大而减小;随着孔洞高度的增加呈现减小趋势。 (2)在单轴压缩作用下,试件破坏后主要产生三种类型裂纹,分别是张拉型裂纹、滑移型裂纹、撕裂型裂纹;并且当改变孔洞拱顶圆弧弧长时,试件强度并无太大变化量,试件形变却随弧长变化而变化;改变孔洞面积,试件强度和轴向形变均有一定程度的影响;改变孔洞高度,对试件造成的影响则体现在试件强度的变化。 (3)采用颗粒流数值模拟软件对单轴压缩试验和双轴压缩试验结果进对比验证,所得结果与物理试验结果较为一致。分析了不同围压、孔洞尺寸、及孔洞范围等参数变化下模型试样的破坏模式,按照不同围压总结了孔洞的破坏形式、破坏特点、产生条件及破坏机制,验证了物理试验数据的准确性。

关键词： 钢纤维   日产PVA纤维   国产PVA纤维   配合比   力学性能   经济价值分析  

摘要： 混杂纤维水泥基复合材料是将两种或两种以上不同纤维按一定体积比例掺入水泥基体材料中而形成的一种复合材料,此种复合材料具有良好的抗压、抗拉、抗折、抗弯和抗剪等性能,且在拉伸和弯曲破坏时,具有高延性、应变硬化和多缝开裂的特征。与单掺纤维水泥基材料相比,混杂纤维水泥基复合材料采用刚度和弹性模量不同的纤维进行混掺,使不同纤维在不同受力阶段发挥作用,从而提高复合材料的力学性能。目前,纤维的成本占复合材料成本的80%,主要使用的纤维材料为钢纤维和聚乙烯醇(PVA)纤维,而PVA纤维主要以日产PVA纤维为主,其价格昂贵,限制其在工程领域的广泛应用。国产PVA纤维价格低廉,本文利用国产PVA纤维对日产PVA纤维进行替代再与钢纤维进行混合,在复合材料达到优异的力学性能或实际工程的要求,同时降低复合材料生产成本。本文主要将钢纤维、日产PVA纤维和国产PVA纤维通过单掺和混掺的方式对钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料的抗压性能、抗折性能、折压比、拉伸性能以及弯曲性能的影响规律进行研究,分析不同混掺方式和不同体积掺量的纤维对复合材料力学性能的影响规律。本文首先通过单因素试验研究日产PVA纤维和国产PVA纤维在不同体积掺量下对水泥基材料力学性能的不同影响规律,筛选出两种PVA纤维最佳纤维掺量。研究结果表明,两种PVA纤维均能对水泥基材料的强度和韧性有提升,最佳体积掺量均为2%。然后选取钢纤维体积掺量为0.2%和0.4%,P VA纤维总体积掺量为2%不变,进行交叉试验。国产P VA纤维以0%、25%、50%、75%和100%的体积掺量对日产PVA纤维进行替代,通过抗压试验、抗折试验、抗拉试验和抗弯试验探究不同国产PVA纤维掺量的替代率对钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料力学性能的影响规律,并通过分析其经济价值,选取最优的钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料的最佳配合比掺量。本文研究获得国产PVA纤维以100%的替代率与钢纤维进行混杂,其峰值压应变1%、极限拉伸应变4%、极限弯曲挠度10mm,同时其成本仅为日产P VA纤维与钢纤维混合制成的复合材料的20%,大大降低其成本,使得其能够在工程领域广泛应用创造条件。