复合材料的细观力学研究进展

复合材料具有较强的结构特性,是一种多相体材料。其力学性能及损伤破坏规律不仅取决于各组分材料性能,同时也取决于细观结构特征。采用细观力学分析研究复合材料宏观力学性能与细观结构参数之间的内在联系具有重要的科学意义和工程价值。论述了细观力学实验技术的理论基础和常用实验技术及进展,介绍了复合材料的细观力学模型的发展,综述了复合材料力学行为有限元分析的研究现状,并对这一学科的研究发展进行了简要评述与展望。     

三维正交纤维复合材料弹性性能细观力学分析

对三维正交编织纤维增强复合材料的弹性性能进行了细观力学分析．提出了这种材料的一种细观力学分析模型，推导了其主拉伸弹性模量和主泊松比的计算公式，并用实验数据对弹性模量计算公式进行了验证     

基于改进随机骨料模型的混凝土细观断裂模拟

为了更好地研究混凝土的力学性能和破坏机理,该文在已有细观力学模型的基础上,发展了高效的骨料投放方法及单元筛分准则.基于连续介质力学的方法,采用弹性损伤本构关系描述混凝土细观各相材料力学行为,建立了随机骨料数值模型及相应的细观单元参数选取方法.以多组不同骨料分布的Petersson三点弯曲梁为例,分析和探讨了混凝土的破坏机理.结果表明,该数值模型能较好地模拟混凝土I型断裂拉伸破坏全过程,与试验结果表现出良好的一致性.     

拉伸损伤细观机理的弹性力学分析

损伤力学有2个主要分支：连续损伤力学和细观损伤力学.在连续损伤力学理论中,许多学者采用引入损伤变量到材料的本构方程中的办法,来反映材料的不可逆变化过程,这种方法在工程应用中具有简单实用的优点,但损伤变量的物理意义不是特别清晰,而且难以找到拉伸损伤变量和剪切损伤变量之间的联系,往往是只能建立两者各自独立的损伤演化方程.在弹性力学理论中利用复变函数方法能求出材料在给定的受力状态下的位移场,在此基础上,可分析平面应力条件下含一条微裂纹的单元体边界处和裂纹面上的位移场,通过平均化的方法,得到单元体的平均线应变,进一步分析这种线应变与单元体中裂纹的几何尺寸之间的关系,再利用弹性拉伸本构关系,就可得到脆性和准脆性材料弹性拉伸损伤的细观描述.这种方法已经分析了弹性剪切损伤的细观机理,对进一步建立含有随机裂纹材料的宏细观相结合的损伤理论是很有意义的.     

基于大型土工实验的土体细观特性分析

基于大型土工实验的细观观测,研究了土体的细观力学性状.应用MiVnt图像分析软件分析了在剪切过程中颗粒孔隙率、转动角度及颗粒变化的细观力学性状.     

正交叠层板最终拉伸破坏的细观力学研究

基于剪滞理论,研究了在０°方向承受拉伸的复合材料正交叠层板由９０°层的破坏及０°层中部分纤维断裂相互作用所导致的细观应力重新分布．在此基础上,采用随机临界核统计理论,对正交叠层板的最终拉伸破坏进行了细观统计分析．对［０／９０ｎ／０／９０ｎ／０］碳／环氧的计算结果表明,算得的最终拉伸强度能较好地吻合现有的实验结果．     

混凝土单轴荷载下细观损伤破坏的数值模拟

假设混凝土是由砂浆基质、骨料及它们之间的界面组成的三相复合材料,混凝土的细观力学性质服从Weibull分布,应用细观力学损伤模型研究了混凝土的宏观力学性质,并且通过编制有限元程序对混凝土试件在单向拉伸和压缩情况下的破坏过程进行了数值试验．模拟结果表明,该模型可以用来研究单轴荷载作用下混凝土结构的破坏机理和多种尺寸试样尺寸效应律．     

球形颗粒流数值模拟宏细观力学强度参数相关性研究

采用颗粒离散元方法研究岩土体的细观力学性质时,由于细观参数的选取具有一定的人为性和不确定性,如何确定宏、细观参数之间的关系是必须面临的难题。基于平行粘结模型,在大量数值三轴压缩试验基础上,建立了岩土颗粒材料三维细观参数(颗粒摩擦系数、颗粒接触刚度比、颗粒粘结强度、颗粒粘结强度比)与材料宏观力学强度参数(c,φ)的标定关系。结果表明:细观参数颗粒接触刚度比与颗粒摩擦系数对岩土颗粒材料的剪切强度参数(c,φ)影响较大,其他参数影响可忽略;采用多元非线性拟合方法,定量给出了相关细观参数与宏观剪切强度参数(c,φ)的计算公式;并通过一处于蠕滑状态的边坡力学状态对标定的参数准确性进行了验证。所建立的预测公式可为相关力学计算与数值模拟提供参数确定依据。     

基于土工实验的土颗粒孔隙率和运动变化分析

基于大型土与结构物相互作用实验的细观观测,研究了土体的细观力学性状。应用MiVnt图像分析软件分析了在剪切过程中颗粒孔隙率和颗粒变化的细观力学性状。取不同的剪切位移时,研究孔隙率、颗粒个数的变化。     

三维正交纤维复合材料弹性性能细观力学分析

对三维正交编积纤维增复合材料的弹性性能进行了细观力学分析。提出了这种材料的一种细观力学分析模型，推导了其主拉伸弹性模量和主泊松比的计算公式，并用实验数据对弹性模量计算公式进行了验证。     

颅骨弹性模量时效性的实验研究

采用猪颅骨为实验材料，使用应变电测法对颅骨各层弹性模量随风干时间的变化规律进行了实验研究。实验结果表明：密质骨弹性模量约是松质骨弹性模量的2．5倍，松质骨对颅骨弹性模量的影响有限；猪颅骨单层密质骨和整体的弹性模量相差约13．9％；冷冻后经室温下自然解冻的猪颅骨单层密质骨的弹性模量变化量相当于新鲜密质骨的9．2％，单纯板障松质骨片的变化量为17％，去掉一层密质骨后的颅骨片变化量为18．1％，整体猪颅骨片的变化量为15．6％；由于各生物体颅骨结构基本相同。由此可知，如果在人颅骨上也能得到相似的结论，在进行有关人颅骨研究时可大大延长同一块颅骨的使用时间。或者可以用风干颅骨、解冻后风干颅骨来代替新鲜骨，然后根据其时效特性对实验数据进行修正，这样会大大降低实验成本和难度。     

松质骨动电响应分析

通过对松质骨结构特征和力学行为的实验观察 ,引入基于混合物理论的现代两相多孔介质弹性模型和动电效应模型来描述松质骨固体骨质变形、孔间骨髓流动以及骨内流动电位间的耦合效应 .采用 Laplace变换技术得到了松质骨围限压缩下流动电位分布的解析结果 .结果表明 ,由于在外界作用下松质骨骨小梁结构产生变形 ,引起孔间骨髓流动 ,从而使带电粒子在孔隙间运动 ,引起流动电位 .     

Computational Model for the Underlying Mechanisms Regulating Bone Loss by Mechanical Unloading and Estrogen Deficiency

<正>Introduction Bone functions are very complex, with functions fromwithstanding loads and supporting body weight toserving as a site for the development and storage ofblood cells. There are many disorders and diseases thataffect bones. Osteoporosis is a systemic skeletal dis-ease characterized by low bone mass and micro-architectural deterioration, with a consequent increase     

泡沫浸渍法制备小梁金属及性能

采用有机泡沫浸渍法,选用预处理过的聚氨酯泡沫为模板制备具有较高强度和与人体弹性模量相匹配的小梁金属(多孔钽生物材料).通过流体静力学法、SEM、EDS等方法研究表征多孔钽材料的密度、微观结构、孔隙形貌、杂质含量等.研究结果表明:材料密度为6.06～7.02g/cm3,孔隙率为57.7％～63.5％,孔径为313～622um,制备的多孔钽具有与人体骨相似的三维、连通开孔隙形貌,材料基体上无杂质残留.力学性能结果表明:抗压强度为50～73MPa,弹性模量为1.73～2.72GPa,与人体松质骨相似.     

松质骨孔隙率的二维光电检测

采用二维光电检测方法研究松质骨孔隙率沿不同方向的分布规律。新鲜猪胫骨后肢松质骨制备成36张切片并均分成两组：一组为沿胫骨轴向的横切切片，另一组为垂真于胫骨轴向的纵切切片。经光镜观察和图像分析，计算出每张松质骨切片表面的总面积、骨基质的面积、孔隙的面积及该松质骨切片的孔隙率。测试结果表明：松质骨孔隙率在轴向沿靠近密质骨的方向逐渐减小，在垂直于胫骨轴向方向基本不变；松质骨可看作是横观各向同性材料；如果切片数据足够多，采用二维光电检测方法，能较为准确地测试出松质骨孔隙率沿不同方向的分布规律。     

伴有股骨头坏死的松质骨生物力学特性

通过医学方法,得到股骨头坏死区域和非坏死区域松质骨的脱钙、未脱钙的干湿样品。运用力学实验机,测量这8种类型松质骨在压缩时的力学特性,并提出了各种类型松质骨应力应变的数学模型。通过比较这8种类型松质骨的力学特性,根据复合材料力学的理论,得出坏死区域无机盐减少、胶原纤维增加的推论,并用原子力显微镜(AFM)进行了验证。各种模型的应力应变曲线是不同的,但这些曲线可以归结为3种类型的实验曲线和本构关系式。     

伴有股骨头坏死的松质骨生物力学特性

通过医学方法,得到股骨头坏死区域和非坏死区域松质骨的脱钙、未脱钙的干湿样品。运用力学实验机,测量这8种类型松质骨在压缩时的力学特性,并提出了各种类型松质骨应力应变的数学模型。通过比较这8种类型松质骨的力学特性,根据复合材料力学的理论,得出坏死区域无机盐减少、胶原纤维增加的推论,并用原子力显微镜(AFM)进行了验证。各种模型的应力应变曲线是不同的,但这些曲线可以归结为3种类型的实验曲线和本构关系式。     

62岁和69岁椎体松质骨表观弹性模量与骨量的关系

为研究松质骨的力学性能与骨量的关系,从62岁和69岁男性第4腰椎椎体取出共90个松质骨样本,用Micro-CT系统扫描后,转换成显微有限元模型,经计算得到主轴方向和非主轴方向的表观弹性模量。结果显示,62岁组椎体松质骨3个正交方向的表观弹性模量都显著大于69岁组。不同年龄、不同方向表观弹性模量与骨量遵循不同的关系式。本研究表明,62岁椎体主轴方向的表观弹性模量的变化主要是由骨量的变化决定的。而随着年龄的增长,无论是主轴方向还是非主轴方向,力学性能的降低更多地受显微结构形态退化的影响。     

62岁和69岁椎体松质骨表观弹性模量与骨量的关系

为研究松质骨的力学性能与骨量的关系,从62岁和69岁男性第4腰椎椎体取出共90个松质骨样本,用M icro-CT系统扫描后,转换成显微有限元模型,经计算得到主轴方向和非主轴方向的表观弹性模量。结果显示,62岁组椎体松质骨3个正交方向的表观弹性模量都显著大于69岁组。不同年龄、不同方向表观弹性模量与骨量遵循不同的关系式。本研究表明:62岁椎体主轴方向的表观弹性模量的变化主要是由骨量的变化决定的;而随着年龄的增长,无论是主轴方向还是非主轴方向,力学性能的降低更多地受显微结构形态退化的影响。     

利塞膦酸盐对磷硅酸钙理化及生物性能的影响

将利塞膦酸盐(0.5%和1.0%)与含有磷硅酸钙的骨水泥粉末混合后进行水化反应,测定骨水泥固化时间及抗压强度,并分析其载药前后的微观结构变化.通过细胞毒性与基因表达水平检测分析了骨水泥的生物性能.结果表明:在0.5%药物水平下,骨水泥促进成骨细胞增殖与分化效果最佳.药物可延缓骨水泥固化,但骨水泥的气孔率会随之降低且晶体结构会更加紧密.载有利塞膦酸的磷硅酸钙骨水泥具有与松质骨相似的力学强度及良好的生物相容性,作为骨组织修复材料具有很好的应用价值.