不同压电材料反平面应变状态的电渗透型界面裂纹

将压电材料中的电渗透型裂纹处理成静电学的连接界面 ,按上、下两表面的切向电场强度连续和法向电位移连续建立裂纹处的电学边界条件 ,精确分析了不同压电材料反平面应变状态的共线界面裂纹问题 ,给出了单个界面裂纹和双界面裂纹的复型封闭解 .结果表明 :在裂尖处应力、应变、电场强度和电位移均有(1/2 )阶的奇异性 ,裂纹扩展能量释放率仅与应力、应变强度因子有关 .其退化结果与文献结果一致     

由Lagrange实验得到酚醛玻璃钢的动态本构方程

介绍由Ｌａｇｒａｎｇｅ实验、分析及拟合,得到未知材料的动态本构方程的方法。实验在轻气炮上进行,测量多点应力历和,经Ｌａｇｒａｎｇｅ分析得到数值本构关系,再拟合得到可供设计计算使用的动态本构方程。给出酚醛下班钢受冲击载荷时,一维应变状态下的一个本构方程。方程计算值与实测结果一致。     

20~#钢的慢速率高温流变实验和模拟

碳钢种类繁多且广泛应用于建筑、汽车制造等领域.选择其中的20#低碳钢,利用Paterson高温高压流变仪在恒温条件下,完成了单阶恒应变速率和多阶突变应变速率两类轴向压缩实验.实验条件如下:温度700～900℃,围压100々300MPa,应变速率105～103s1测定了不同条件下变形过程中的应力-应变曲线,并进行了流变本构方程计算.结果显示流变本构方程中的参数对应变的函数依赖关系与快速变形时类似.由本构方程模拟计算所得的流变应力可以很好地拟合单阶恒应变速率实验;由于多阶突变应变速率实验受变形历史影响大,因此拟合精度较差但仍可接受.另外,研究表明,在慢速率变形时无论是低温的铁素体相还是高温的奥氏体相,20#钢的流变行为均可用相同的流变本构方程进行描述,但是相变区的流变行为则不同,需要对lnA的表达式稍作修正.     

声发射监测裂纹闭合行为

疲劳过程的声发射(AE)研究目前已做了许多工作,但与其裂纹闭合效应联系起来,还未见这方面的详细报道。声发射是材料内部局部区域应变能释放而产生的弹性应力波。材料形变时,位错运动、裂纹成核和扩展等均能产生AE。业已知道,带裂纹试样的声发射主要来自于裂尖的塑性变形和裂纹扩展,因此,声发射也受裂尖应力强度因子控制。基于这一原理,本文认为裂纹闭合效应也一定与声发射有对应关系。裂纹由接触到张开,柔度突然增大,塑性变形突增,以及有效裂纹长度迅速增加,反之亦然,声发射必定会给出这一突变以响应。实验极好地论证了这一预测,为监测裂纹闭合效应提供了一种新的测试手段。     

基于电磁Hopkinson杆的无机玻璃动态力学性能测试技术

无机玻璃作为典型的脆性材料,其失效应变极小,因而对其进行动态力学性能测试一直是冲击动力学和实验力学领域的难点问题.本文提出一种全新的实验技术——电磁分离式Hopkinson压杆(electromagnetic split Hopkinson pressure bar, ESHPB)来解决这一难题,并利用钠钙硅酸盐玻璃进行了验证.实验结果表明,与单向冲击加载相比,采用双向对称ESHPB能够使玻璃试样更快地实现应力平衡和恒应变率变形,从而获得更为精确有效的动态力学性能数据.通过与准静态实验结果的对比发现,该种玻璃材料在冲击载荷下压缩强度显著增大,呈现出很强的应变率效应.此外,本文还利用超高速相机原位实时观测了玻璃试样的变形和破坏过程.变形图像表明,当裂纹不断成核、扩展并汇聚至充满整个试样时,试样完全失去载荷承受能力.     

土木工程材料自愈合行为的若干力学问题与研究进展

为适应未来基础设施和工业化建造需求,如何改变传统土木工程结构和材料组成,打造全新的具有智能能力的基础设施,已经成为新的研究热点.工程结构的抗损坏能力直接影响国家的社会成本和经济效益.为了减少维修养护费用、提升结构的服役寿命,一种可行的方案是建造能够进行损伤自我愈合的拟生命系统.近几年来,微胶囊、电沉积、感应加热、微生物自愈合等技术被应用于土木工程与道路工程中,有望提升工程结构的耐久性及稳定性,延长服役寿命.但是,为提升自愈合工程材料的使用性能、精准预估裂纹扩展轨迹、精确预测材料的使用寿命,需要进一步从机理上解释自愈合行为.本文首先总结了自愈合材料在土木工程中应用的发展历程及研究进展,随后从损伤力学和断裂力学角度出发,分析了在解释和预测自愈合行为时所面临的若干力学问题,并对现有考虑自愈合效应的本构模型及数值算法进行了梳理.为了进一步明确各内外因素对裂纹扩展-愈合的正负耦合效应,从力学角度提出了亟待解决的问题与挑战.     

离散位错动力学算法及其在材料塑性行为模拟中的应用

晶体材料的塑性变形由位错的运动演化而引起.离散位错动力学(discrete dislocation dynamics, DDD)通过直接模拟大量位错的演化而研究材料的塑性变形,因此能够揭示材料微结构-位错微结构-塑性力学行为之间内在的物理关联,并能够自然而然地捕捉塑性变形微米/亚微米特征尺度下本征的尺度效应.它所能模拟的尺度介于微观分子动力学模拟和宏观有限元模拟之间,在多尺度算法中起到承上启下的作用.本文首先系统地发展、完善和丰富了离散位错动力学-有限元(finite element method, FEM)叠加算法、DDD-FEM直接耦合算法(discrete-continuous method, DCM)以及离散位错动力学-扩展有限元(extended finite element method, XFEM)耦合算法等框架体系.在此基础上,利用这些方法对单晶镍基高温合金的塑性变形机理、晶体材料的断裂和损伤变形行为以及塑性行为的微尺度和微结构效应3个方面开展了系统的研究.所得模拟结果指导了基于微结构和位错机制的单晶镍基高温合金晶体塑性本构模型的建立,丰富和加深了人们对材料强化、循环塑性、断裂、损伤、尺度效应和微结构效应的认识.此外,离散位错动力学可进一步应用于诸如高温、高压、高应变率、化学腐蚀环境、高辐照等极端条件下晶体材料塑性行为的研究,是材料力学行为多尺度模拟研究中的重要一环.     

功能梯度材料(FGM)温度应力的实验研究

用云纹干涉法测定了FGM试件和双材料试件在温度载荷作用下的变形位移场 ,给出了温度应力沿界面层上的分布曲线 ,讨论了梯度界面对温度应力特别是对界面层端部区域应力集中的影响 .实验结果表明 :与双材料试件相比 ,FGM试件中的梯度层有效地缓释了界面端部区域的应力集中 ,改善了界面应力的分布 ,减缓了界面区域的变形与应变并还将实验结果与有限元数值计数结果进行了比较     

考虑气相硬化影响的非饱和土本构模型

论述了非饱和土应力状态变量的选择问题, 非饱和土功的表达式表明应当采用广义有效应力、修正吸力和气压三个应力状态变量来描述非饱和土的行为. 随后对非饱和土中三相的变形机制进行了探讨, 通过非饱和土中气相的体变特性的研究, 指出气相的体变与其他两相的变形是相互影响的, 揭示了土中气相的体变和固体-液体一样也可以分为弹塑性两部分, 结合气体的基本定律可以得到气相的压力-体变关系. 考虑气相对土体硬化的影响, 提出了一个各向同性应力作用条件下非饱和土的本构模型, 并对该模型进行了验证, 说明了模型的合理性. 最后给出了一些预测结果并和Wheeler等人给出的预测结果进行了对比分析.     

材料损伤的非线性超声评价研究进展

非线性超声技术由于能够克服传统线性超声的不足,对于微纳尺度缺陷(如位错、微裂纹等)较为敏感,受到研究者的广泛关注.本文介绍了非线性超声技术检测材料损伤的基本原理;对传播过程中非线性超声波与材料微观结构相互作用的理论研究以及非线性超声技术检测、评估材料损伤的实验研究进展进行了综述;最后基于非线性超声损伤检测研究的现状对该技术进一步发展进行了展望.     

粒介质在类固-液相变过程中的时空参数特性

颗粒介质的类固-液相变过程除受材料性质影响外, 还与其运动速率和密集度有密切关系, 而接触时间数和配位数是表征该相变过程中颗粒间相互作用的重要时间和空间参量. 本文采用三维离散元方法对不同切变速率和密集度下颗粒介质的动力学行为进行了数值模拟, 确定了颗粒材料在类固-液相变过程中接触时间数和配位数的参数特性和演化过程, 并结合宏观应力的分布特性, 进一步确定了颗粒介质在液态和固态相互转化中的动力学机理, 讨论了颗粒介质在由快速流动向慢速、准静态转化的相变过程. 通过对颗粒单元相互作用的细观数值模拟, 获取了颗粒介质在宏观上的动力学行为, 为研究其在不同相态下的本构模型提供了依据.     

简单物质的本构方程从无旋形式到一般形式

自发表Dienes的论文以来,十年间在率型本构方程、客观应力率和变形体的转动描述方面力学工作者已作了大量的工作。Dienes实际上曾提出了所谓Dienes问题:若在无旋情形下已给出了材料的下述率型本构方程     

结构疲劳损伤理论的评述

结构疲劳是其在累积损伤、裂纹起始,扩展直至破坏的过程.通过对既有的各种结构累积损伤理论进行分析和对比,文章研究了目前存在的各种累积损伤理论适用性与优缺点,并从损伤力学角度研究了累积损伤的原理.     

考虑温度影响的非饱和土变形特性

随着高放核废物地下处置库建设、地热资源开发利用、节能建筑以及二氧化碳地下封存等一批现代岩土工程的发展, 使得温度对非饱和土基本力学特性影响的研究成为当前国际上研究的热点问题. 利用非饱和土中功的表达式, 并考虑温度对非饱和土基本性质的影响, 选取平均土骨架应力、修正吸力及温度作为热力学中广义力的状态变量, 选取土骨架应变、饱和度及熵作为与广义力变量共轭的广义流状态变量. 基于土体非线性多场耦合模型理论框架, 利用现有的实验研究成果, 提出了一个非等温条件下非饱和土弹塑性本构模型, 对温度影响下的非饱和土变形特性进行了分析. 应用所建立的模型, 在各向同性条件下就吸力和温度对非饱和土变形性质的影响进行了预测和分析, 并与已有的实验结果进行了比较. 比较结果表明了所提模型的合理性.     

动态情形下压电介质中的机电耦合关系

目前压电材料的机电耦合关系是通过下面的压电本构方程来描述的:D=eS ε~sET=c~ES-e’E(la,b)其中E和D分别是电场和电位移矢量,T和S分别是应力和应变张量,e是压电应力/电荷常数张量,ε~s是恒应应变条件下测得的介电常数张量,c~E是在恒电场条件下测得的弹性刚     

基于ANSYS的螺旋齿轮应力分析与比较

针对西部矿业股份有限公司的球磨机的齿轮裂纹,提出了一种基于ANSYS的螺旋齿轮应力分析方法.采用Pro/E参数化建模方法建立了齿轮接触有限元模型,并利用ANSYS的数据交换接口,将Pro/E中建立的模型导入ANSYS有限元分析软件中,分析了产生裂纹情况下齿轮弯曲应力和接触应力;并比较有无齿根裂纹时齿根应力的变化差异.从而为齿轮裂纹检测提供有效的分析方法和检测依据.     

流变学的新进展

流变学近年发展很快,应用范围日渐扩大。这里,只简要地介绍我们开创或发展的流变学的新分支学科——流变断裂学、流变冶金学、泛系流变学方面的主要科研成果。一、流变断裂学无论是线弹性断裂力学中材料的“起裂点”,或是弹塑性断裂理论中裂纹扩展后的“失稳点”,都无法定量地解释变温应力或水持续荷载或它们共同作用下混凝土类含裂纹工程构件中裂纹扩展的时间相关性,更不能给出裂纹扩展全过程的定量描述。为此,我们创建了流变断裂学。     

弹塑性裂纹尖端场研究的最近进展

尖端场的研究是断裂力学中的核心问题之一。本文讨论Ⅰ型平面应变裂纹在理想弹塑性材料中的准静态定常扩展。如果材料是不可压缩的(泊松比v=1/2),Slepyan,Gao与Rice分别得到的四区解(即裂尖场上半平面由四个区组成,以后称为不可压缩材料的解)已为     

基于流体动力学理论的颗粒物质本构关系

利用流体动力学(hydrodynamic)方法, 普通固体的弹性理论能自然地推广到颗粒物质, 从而得到一组可用来具体计算包括应力、变形、能量、能流、热产生等所有物理量在内的完备偏微分方程. 特别地, 它们能确定具有重要工程意义、至今尚未完全建立的颗粒物质本构关系. 本文具体推导了这个本构关系的一般热力学表达式. 结果显示, 即使在自由能模型和耗散系数都比较简单的情况下, 本构关系也是非常复杂的非线性关系, 有繁多的关于应力、速度、密度等变量的空间导数项. 因此, 直接从实验数据建立严格的, 特别是非均匀情况下的本构关系将是一件非常困难的事情.     

考虑非弹性碰撞的低浓度固液两相流动理学模型

用修正的BGK模型模拟粒间非弹性碰撞效应, 用Fokker-Planck扩散算子描述湍流-颗粒作用, 建立了低浓度固液两相流颗粒相的模型动理学方程和宏观水动力学方程组. 运用 Chapman-Enskog迭代法获得动理学方程的二阶近似解, 建立了颗粒相脉动应力和脉动能传导通量的显式本构关系. 建立的动理学模型在颗粒近乎弹性条件下简化为已有的模型, 为固液两相流模拟提供了一个实用模型.