含接缝纤维/金属层合板分层行为的内聚力模拟

基于双线性内聚力模型,对面内载荷作用下,双接缝、单接缝和非对称接缝三种形式的纤维/金属层合板的分层破坏行为进行三维有限元数值模拟.与试验结果对比表明,内聚力界面单元模型能够对含接缝的纤维/金属层合板的界面分层行为做出正确预测.经过模拟发现含接缝层合板的分层破坏以II型剪切分层为主,不同的接缝形式将产生不同的分层破坏特点.还讨论了界面力学性能参数对计算结果的影响.     

几种金属多层薄膜的形变与断裂行为及其机制

本文系统地报道了近年来所开展的有关金属多层薄膜的强度、变形与断裂行为的研究进展.着重介绍了本研究所开展的几种典型金属多层薄膜（Cu/Au、Cu/Cr、Cu/Ta等）的力学行为及其尺寸与界面效应.研究发现,随着多层膜的单层厚度减小,多层膜的强度明显升高,最后达到饱和.理论分析表明,不同种类金属多层膜的强度升高能力与界面结构有关.根据晶格失配与位错理论,所提出的统一模型可以很好地描述具有不同界面结构金属多层薄膜的界面强化能力.压痕诱发的具有不同尺度和界面结构的金属多层膜的塑性变形行为明显不同.当多层膜的单层厚度减小到纳米尺度时,压痕诱发的塑性变形倾向于剪切带变形 同时还在亚微米尺度下观察到了直接穿过界面的局部剪切行为.研究还发现,在单向拉伸载荷的作用下,纳米尺度Cu/Ta多层膜的裂纹尖端发生位移量为几纳米到几十纳米的面外剪切变形,最终导致Cu/Ta多层膜发生剪切型断裂.提出了位错运动所需应力和层/层界面阻力之间的竞争机制,从而证明了当金属多层膜的单层厚度小于某一临界尺度时将发生剪切型断裂这一物理本质.     

复合材料T型接头拉伸断裂行为的数值模拟

针对碳纤维复合材料T型接头在拉伸载荷下的断裂行为及其失效强度进行了数值预测,并将预测结果与试验数据进行了对比分析.在该数值模型中,分别使用增强有限单元法和内聚力模型考虑了T型接头三角区填充材料裂纹和层间界面分层的萌生与传播过程.结果表明,数值计算结果与试验结果对比较好,三角填充区域是T型接头结构中裂纹最先萌生的位置;填充材料的断裂行为并不影响T型接头最终失效载荷;加强筋层合板与蒙皮层合板间的分层行为是T型接头拉伸失效的根本原因.     

冲击载荷下叠层连接材料的建模与计算

叠层连接材料由于其不同层的材料差异使得层间作用力具有不确定性。该文针对叠层连接材料的特点,在复合材料损伤破坏模型基础上,根据小变形弹性理论建立了叠层连接材料的简化单层等效力学模型。为了验证等效力学模型的正确性,将计算结果同Hopkinson压杆实验的结果进行对比,并在此基础上利用实验数据确定等效力学模型计算所需材料参数,采用ANSYS/LS-DYNA有限元计算软件数值模拟计算了筒状壳体在冲击载荷下的动力学响应。研究结果表明:叠层连接材料等效力学模型可以减少计算时间,并保证必要的计算精度,准确地描述叠层连接材料在冲击载荷作用下的力学性能。     

钢筋混凝土梁冲击响应的3D细观力学模拟

钢筋混凝土结构在冲击载荷作用下响应和破坏的研究受到了广泛的关注.本文通过建立3D细观力学模型,并结合新近研发的混凝土动态计算本构模型,模拟计算冲击载荷作用下钢筋混凝土梁的响应和破坏.3D细观力学模型假定混凝土是由砂浆基体、粗骨料和界面过渡层(Interfacial Transition Zone,简称ITZ层)三相组成的复合材料.混凝土动态计算本构模型考虑了压力相关性、剪切损伤、拉伸损伤、Lode角效应和材料应变率效应等主要因素.结果表明:数值模拟得到的冲击载荷、梁跨中点挠度的时程曲线以及裂纹的分布和扩展模式与实验结果吻合得较好;新提出的混凝土3D细观力学模型和新近研发的混凝土动态计算本构模型可以用来预测钢筋混凝土结构在冲击载荷作用下的响应和破坏.     

基于内聚力模型的夹层玻璃梁冲击破坏过程仿真

为了模拟夹层玻璃梁的冲击破坏过程,基于有限元中常用的内聚力模型的基本概念,提出了适用于三维球形离散单元的破坏模型.该模型将离散单元之间的作用分为连接型、内聚型和接触型3类.当两离散单元间满足破坏准则时,它们之间的作用由连接型变为内聚型,内聚力由离散单元之间的分开量求出.将该破坏模型在自主开发的离散元/有限元耦合计算程序CDFP中实现,并仿真了夹层玻璃梁的冲击破坏过程,得到了与试验结果相近的破坏形式,说明了该破坏模型和仿真分析方法的有效性.     

基于FIB和TEM的纳米材料中界面分层破坏的实验方法研究与应用

本文针对三维尺寸均处于纳米量级的材料与结构中常见的界面分层破坏问题,利用聚焦离子束技术(FIB)和透射电子显微镜(TEM)开发设计了一套研究纳米材料中界面端部裂纹启裂行为的实验方法.采用FIB成功从宏观多层薄膜材料(硅/铜/氮化硅,Si/Cu/SiN)中切割制备出了由硅基体(Si)和200 nm厚铜薄膜(Cu)及1000 nm厚氮化硅层(SiN)构成的纳米悬臂梁试样.利用高精度微小材料加载装置,在TEM中对该试样进行加载实验,并原位观测了不同试样中Cu/Si界面端部裂纹启裂的行为.通过对启裂瞬时Cu/Si界面上临界应力分布的有限元分析发现,不同尺寸试样中的界面上法向应力与剪切应力均集中在距界面端部100 nm的范围内,且临界法向应力远大于剪切应力.对应力分布的进一步分析则发现,距界面端部5 nm区域内的法向应力场控制着Cu/Si界面的分层破坏过程,可用于表征界面分层破坏的局部控制准则.     

压电智能驱动器力学模型的建立及数值模拟

基于PZT逆压电效应和结构动力学波动原理,建立粘贴式PZT驱动器与主体结构耦合简化力学模型及数学模型;考虑粘结层阻尼效应,建立PZT驱动方程并求解输出力表达式,确定驱动器力学与电学特性的对应关系;通过胶层材料特性、传递的切应力及其厚度变化对PZT驱动性能的影响进行算例分析,拟合出胶层传递剪切力与胶层厚度关系曲线,证明了运用所建立的驱动模型能有效地模拟检测PZT的逆压电规律,可为利用压电智能驱动器控制工程结构检测提供理论依据.     

力电冲击荷载下PZT/复合材料梁界面断裂分析

基于非线性有限元方法,对力电冲击荷载作用下PZT/复合材料梁界面断裂进行了研究.通过虚裂纹闭合技术计算了界面裂纹前缘的能量释放率随时间变化的响应曲线,并且采用接触单元防止PZT片和界面裂纹分层前缘的复合材料发生穿透,然后通过比较证明了该求解方法的有效性,最后通过典型算例讨论了压电效应、界面接触、电压、铺层角度和压电材料阻尼对界面动态能量释放率的影响.研究方法和结论对动态工况下PZT/复合材料界面止裂设计具有一定的参考价值.     

环氧沥青混合料细观尺度水损坏特性

基于细观尺度技术研究环氧沥青混合料(EA)早期水损破坏的力学特性,建立集料-黏结界面-沥青砂浆平面细观力学有限元模型.引入内聚力模型(CZM)对集料与沥青砂浆界面进行离散,模拟EA在水分渗透过程中集料与沥青砂浆界面裂缝的萌生、扩展直至失效的过程,分析载荷与水分耦合作用下EA出现集料剥离与裂缝的力学特性.研究表明:EA的力学响应受材料含水率的影响很大,剥落主要发生在体积较大且形状不规则的集料周围;材料含水率增加会加剧沥青混合料水损破坏的程度,集料剥离呈快速增大趋势;集料四周薄弱界面区域内的沥青砂浆在受力上最为不利,极易出现水损病害.集料体积特征对EA水损破坏存在较大的影响,应控制过粗集料在混合料中所占比例.     

4ENF黏聚解析模型分析

建立了Ⅱ型加载末端切口四点弯断裂试件黏聚模型,给出了界面破坏经历的弹性阶段、弹性-软化阶段、弹性-软化-脱黏阶段相应界面应力分布的解析表达式.为了验证该模型的正确性,对FRP-混凝土4ENF试件进行了有限元分析,在FRP-混凝土界面上设置黏聚单元,界面混凝土和胶层的非线性损伤都由黏聚单元的软化来反映.有限元分析与理论分析结果对照表明,该解析黏聚模型能精确预测4ENF的界面破坏.     

高炉软熔带形态变化的物理模拟

利用三维动态热模型探讨了高炉内软熔带的形态及形成位置。实验结果表明，随中心矿焦比降低，软熔带形状由Ｗ型向倒Ｖ型转变。当采用中心加焦布料方式时能形成充分发展的倒Ｖ型软熔带。总矿焦比增加时，软熔带顶点降低，根部升高，形状度Ｉ增大，无因次高度ｈ顶减少，料柱阻力增加。     

三维网络SiC_n/20Cr钢复合材料的界面固相反应及显微组织

采用真空-气铸法制备了SiCn/20Cr钢复合材料,并对SiC/20Cr钢复合材料的界面进行了研究.结果表明:SiC和20Cr在复合材料的界面产生较强固相反应,SiC分解出的Si与Fe结合生成Fe-Si化合物,SiC分解出的C以石墨态沉积下来.固相反应的区域由碳化硅反应区、金属反应区和碳沉积区组成.碳元素在碳沉积区的沉积形态与沉积点到SiC的距离有关.TEM证实了金属反应区的产物为(Cr,Fe)23C6及Fe3Si,其中Fe3Si的形成为SiC的分解提供了热力学驱动力.     

MFS结构铁电薄膜C-V特性的研究及界面电位降的计算

利用准分子激光原位淀积方法制备了BIT／PZT／BIT,PZT／BIT和BIT层状铁结构电薄膜,借助HP4192A低频率阻抗分析仪对样品的C—V特性进行了测试,用半导体理论讨论了金属—铁电薄膜—半导体（MFS）结构的电容电压（C—V）特性,由C-V曲线理论算出界面电位降Vi,结果表明,界面电位降与测量电容、薄膜电容及耗尽层电容有关．在三种结构中,BIT／PZT／BIT结构的界面电压降为最小,其界面效应优于单层和双层结构的界面效应．     

PZT／SiO_2／Si界面的XPS分析

采用ＳＯＬ－ＧＥＬ工艺在ＳｉＯ２／Ｓｉ衬底上制备了铁电薄膜，对ＰＺＴ／ＳｉＯ２／Ｓｉ结构进行了ＸＰＳ分析，结果表明，在ＰＺＴ铁电薄膜和硅衬底之间加ＳｉＯ２使Ｆ／Ｓ界面得到了改善．     

MFS和MFOS结构的C－V特性研究

采用ＳＯＬ－ＧＥＬ方法分别在Ｓｉ和含有ＳｉＯ２的衬底上制备出ＰＺＴ铁电薄膜，并获得了ＭＦＳ和ＭＦＯＳ结构．利用ＭＯＳ结构常用的Ｃ－Ｖ特性分析方法，对ＭＦＳ和ＭＦＯＳ结构进行了高频Ｃ－Ｖ特性测试分析，研究了Ｆ／（Ｏ）Ｓ的界面特性，结果表明，金属／ＰＺＴ／ＳｉＯ２／Ｓｉ的ＭＦＯＳ结构具有较低的界面态，可实现极化存储，并可望制成铁电场效应晶体管．     

碳纳米管增强复合材料的界面破坏形态及改善措施

以碳纳米管增强树脂基复合材料的二维平面模型为对象,在考虑基体材料非线性的情况下,探讨碳纳米管增强复合材料的界面层特性对复合材料破坏形态的影响.通过对破坏端部的局部处理,提出两种提高复合材料抵抗损伤破坏能力的方法.第一种方法是改变纤维及界面层端部与基体的界面特性即软化界面,用内聚力模型模拟界面,通过内聚力阻扰裂纹的扩展;第二种方法是改变碳纳米管的端部形状即封闭碳纳米管及界面层,通过改变碳纳米管的应力分布状态来提高复合材料的抗破坏能力.     

0Cr6Mn13Ni10MoTi/1Cr5Mo异质接头时效时熔合区增碳层的变化规律

采用光学显微镜，扫描电镜等分析方法研究0Cr6Mn13Ni10MoTi/1Cr5Mo异质接头在时效过程中熔合区和增碳层宽度变化特点，结果表明，时效初期0Cr6Mn13Ni10MoTi/1Cr5Mo异质接头在熔合区靠近奥氏体焊缝一侧有一定宽度的增碳层出现，随时效时间延长增碳层逐渐变宽，并且在达到峰值以后又逐渐变窄并最后消失，这种变化规律与传统A302/1Cr5Mo异质接头在时效过程中的变化规律完全不同。     

Preparation and characterization of PZT thick film enhanced by ZnO nanowhiskers for MEMS piezoelectric generators

A hybrid sol-gel route which was used to fabricate PZT thick film for MEMS piezoelectric generators was investigated. (100)-oriented Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3 thick films enhanced by ZnO nanowhiskers(ZnO_w) were successfully prepared on Pt/Cr/SiO_2/Si substrates via spin-coating ZnO_w suspension and PZT sol.The influences of film thickness on the microstructure and electrical properties of composite thick film were investigated.XRD results show that PZT composite thick films have(100)-oriented perovskite...