一种基于微带天线的应变测量技术

结构在长期使用中常常会产生裂纹，裂纹萌生时的尺寸一般很小，不容易被发现；当裂纹被发现时，往往已经扩展，甚至接近临界尺寸，危及结构安全．由于裂纹主要产生在结构的应变集中处，所以对“关键区域”的应变进行监测可以作为裂纹萌生的表征．传统的应变测量技术很难满足长时间、低成本、快速检测等要求．为克服传统应变传感器的缺点，本文对基于微带天线的应变测量技术进行了可行性探究．微带天线的中心频率与自身尺寸有关：当其变形时，中心频率也会发生相应的偏移．因此，可利用微带天线中心频率的变化来表征应变．本文设计和制作了四种不同尺寸的微带天线，以探兖基于微带天线的应变测量技术，同时研究其影响因素．将天线黏附在悬臂梁上，并在悬臂梁自由端处施加载荷，进行应变测量实验．通过矢量网络分析仪得到回波损耗S-一曲线，并获得应变与微带天线频率偏移的关系．分析结果显示，应变与中心频率偏移之间存在近似线性关系，可利用微带天线测量应变．     

基于Markov随机场和FRAME模型的无监督图像分割

提出了一种多纹理图像的无监督分割方法. 此方法应用两层的随机场模型对需要分割的图像进行建模. 第一层用Markov随机场(MRF)模型表示一个不可观测的区域图像, 第二层用“滤波器, 随机场和最大熵(FRAME)”模型表示覆盖每一个区域的纹理图像, 与传统的分层Markov随机场(HMRF)模型相比较, FRAME模型可以取较大的邻域系, 从而对更加复杂的图案式样进行建模. 根据Bayes定理, 分割问题被转化成一个最大后验(MAP)估计问题. 迭代条件模型(ICM)算法用来求解最大后验估计. 提出一个基于局部熵率的算法来简化MRF参数的估计, FRAME模型的参数用最大期望(EM)算法估计. 最后, 使用一些合成的和真实的图像分别来做实验, 实验结果表明该方法能有效地分割含有复杂纹理的图像, 并且对噪声有一定的鲁棒性.     

基于修正最大切向应力准则的含中心直裂纹混凝土圆盘断裂行为研究

采用一种含中心直裂纹的混凝土圆盘试件,对其进行准静态径向压缩测试,通过改变中心裂纹倾角和混凝土的配比,得到了不同情况下混凝土试件的裂纹初始扩展角和断裂阻力.基于Ayatollahi等人修正的最大切向应力准则(MMTS),通过联立理论公式求解得到不同配比、不同裂纹形式(II型和I-II混合型)混凝土试件的裂纹初始扩展角和断裂阻力的预测值,并将其与实验值进行了比较分析.其中MMTS准则是同时考虑了裂纹尖端应力场中奇异项和非奇异项(即Williams级数展开项中的T应力、A3和B3阶项,并忽略了更高阶项)的最大切向应力准则,使用超确定有限元法(FEOD)对Williams级数展开项的无量纲参数进行计算,并采用考虑了A3阶项的Schmidt模型计算断裂过程区的大小.研究结果表明,与传统MTS准则、GMTS准则相比,MMTS准则能够更好地预测混凝土试件裂纹初始扩展角和断裂阻力,特别是针对II型载荷占主导地位时的情况.     

国家游泳中心子结构模型损伤识别试验研究

为对复杂空间结构进行损伤识别, 在损伤定位向量法的基础上, 提出了基于测点区域的损伤识别方法, 并引入归一化损伤定位指标判定损伤区域. 对国家游泳中心“水立方”子结构模型的两种损伤状态进行了识别试验. 采用力锤激励, 实测了子结构模型损伤前后的加速度响应, 利用特征系统实现算法对加速度响应进行模态参数识别, 采用基于测点区域的识别方法对子结构模型损伤区域进行判定. 结果表明, 所用方法能够有效定位损伤区域.     

无间隙原子钢高压扭转过程中塑性变形的滞后性研究

采用DEFORM-3D有限元分析软件,对无间隙原子钢(IF钢)在高压扭转(HPT)中的扭转阶段大塑性变形(SPD)过程进行模拟仿真,通过分析试样的等效应变分布,得到了IF钢在不同剖面的变形滞后性特征.结果表明,在扭转的前期阶段(不大于2周),IF钢试样表现出大塑性变形的滞后性:试样边缘的等效应变值明显高于心部,且沿径向由边缘到心部数值逐渐变小;与试样的上表面相比,下表面的等效应变明显较高,边缘大塑性变形区域较大,并且随着旋转角度、距心部距离的增加,上表面大塑性变形的滞后性越来越明显.这说明在扭转的前期阶段,试样的中心部及上表面的塑性变形相对滞后,并对其原因进行了初步分析,这与其下模旋转及表面摩擦密切相关,理论分析、显微组织及硬度检测结果均验证了该模拟结果的可靠性.     

多场耦合下基于传递熵的电路板级焊点疲劳寿命模型

针对实际服役条件下电路板级焊点失效引起的电子设备故障问题,基于单一时间因子传递熵方法,建立了振动与温度耦合条件下的焊点非经验疲劳寿命模型.首先,通过分析焊点裂纹萌生前后的能量变化,构建了能够表征焊点结构损伤的平均能量测度指标.其次,根据该指标在焊点微裂纹出现前呈现出的单调性特点,建立了用以评估焊点疲劳寿命的公式.最后,设计振动与温度耦合条件下的焊点加速寿命试验,基于实时获取的焊点结构动态响应信号,验证该模型的准确性与适用性.试验结果显示,该模型能够有效识别焊点的损伤状态,疲劳寿命预测结果误差在1 5%以内.     

近场动力学与有限元方法耦合求解复合材料损伤问题

本文提出了一种求解纤维增强复合材料破坏问题的近场动力学方法(peridynamics, PD)/有限单元法(finite element method, FEM)耦合方法.根据PD方法求解含裂纹等不连续问题以及FEM高效求解的优势,将模型划分为PD区域、FEM区域和耦合区域.其中包含裂纹的区域采用PD建模,其他区域采用FEM建模,两区域的结合部分为耦合区域.该耦合方法操作简单, PD粒子与FEM节点之间没有重叠区域. PD粒子与其域内所有粒子(包括PD粒子和FEM节点)以非局部方式连接, FEM节点与其周围的所有粒子以有限元方式相互作用.该耦合方案模拟的复合材料损伤状态与纯PD方法模拟结果相符,但该耦合方案可有效地提高计算效率.     

微成形中尺寸效应研究的进展

微纳米尺度下微细工件塑性变形中会出现尺寸效应,即随着工件尺寸的减小材料的应力应变关系、塑性成形性能和摩擦系数等成形工艺参数呈现出与常规尺寸工件的塑性变形不同的特点,对于尺寸效应的研究是微成形工艺研究的基础.本文首先综述了实验观察到的各种尺寸效应现象,如随着晶粒尺寸的减小塑性变形机理发生变化,从而导致Hall-Petch关系的变化.然后,介绍了为描述材料应力应变关系中出现的尺寸效应而提出的各种材料模型,其中考虑表面层晶粒体积分数、工件尺寸与晶粒尺寸的比值、应变梯度等因素的影响对经典塑性塑性力学模型进行的修正可以从现象学的角度描述尺寸效应,而基于位错运动、统计存储和几何必须位错密度的演化、晶界滑动等塑性变形机理的的本构模型,不仅能更准确地描述尺寸效应等塑性变形行为,而且能更深入地揭示尺寸效应的物理本质.另外,对于尺寸因素与极限应变的关系和摩擦中呈现的尺寸效应研究也进行了介绍.     

钢的氢致沿晶断裂理论

氢通过应力诱导扩散富集在晶界降低沿晶裂纹形核表面能;与此同时通过氢促进局部塑性变形使应变局部化,从而降低塑性变形功.由此可导出氢致沿晶断裂规一化门槛值(K_(IH)/K_(IC))~2=1-0.162×10~(-3))β_HCσ(H)G_H/(2r_S-r_b-0.16×10~(-3).∑β_iC_iG_i),其中β_H和β_i是氢和其他元素在晶界的富集系数,Cσ(H)是应力诱导扩散富集的氢浓度,C_i是钢中各元素平均浓度,G_H和G_i是氢和其他元素的沿晶断裂功参数,r_s是Fe的表面能,r_b是Fe的晶界能.对油管钢,实验测出K_(IH)/K_(IC)=0.26.根据实验测出的β_i值,按上式所算出的K_(IH)/K_(IC)=0.23,这与实验值基本一致.     

孔隙性缺陷拟生自修复机制研究

为掌握高温塑性变形过程中材料内部缺陷的修复机制, 采用物理模拟方法研究了孔隙性缺陷自修复规律. 实验发现孔隙性缺陷自修复过程类似人体皮肤和骨折的愈合过程. 借鉴人体组织损伤愈合规律, 采用拟生方法研究了孔隙性缺陷自修复过程, 提出了孔隙性缺陷自修复再结晶机理. 拟生方法研究裂纹修复现象及规律, 为揭示裂纹自修复机理提供了崭新的途径.     

脆性岩石局部细观裂纹成核损伤突变机理研究

脆性岩石内部局部细观裂纹成核导致了岩石局部损伤,弱化了岩石局部强度,进而影响了岩石的应力-变形本构曲线形状.然而,目前关于在脆性岩石局部细观裂纹成核损伤影响下,应力-变形本构曲线的宏细观力学机理研究非常少.本文提出了一种能够解释在脆性岩石局部裂纹成核损伤突变作用下,轴向应力-应变关系、剪切应力-位移关系非光滑曲线的宏细...     

B2结构Fe3Al单晶室温拉伸变形切应力切应变曲线的取向依赖性

研究了18个取向B2结构Fe3Al单晶室温真空条件下的拉伸塑性变形,发现随晶体取向不同,切应力切应变曲线出现不同数目的线性硬化及抛物线软化阶段.曲线上不同硬化率各阶段的形成与塑性变形中滑移系的数量、次滑移作用的强弱及二分超位错的运动和分解状态有关.第Ⅰ阶段为单系滑移的易滑移段;第Ⅱ阶段对应共轭滑移的出现,硬化率较高;第Ⅲ阶段表现为比较弱的次滑移作用,硬化率较低;第Ⅳ阶段除了多系滑移之外还伴随二分超位错的扩展及拖着反相畴(APB)的不全超位错运动,硬化率最高;第Ⅴ阶段与分解了的单个超分位错的交滑移相关,表现为软化.随拉伸轴取向所处区域不同,切应力切应变曲线硬化段的数目及同一阶段硬化率的大小也不同.     

B2结构Fe3Al单晶室温拉伸变形切应力切应变曲线的取向依赖性

研究了18个取向B2结构Fe₃Al单晶室温真空条件下的拉伸塑性变形, 发现随晶体取向不同, 切应力切应变曲线出现不同数目的线性硬化及抛物线软化阶段. 曲线上不同硬化率各阶段的形成与塑性变形中滑移系的数量、次滑移作用的强弱及二分超位错的运动和分解状态有关. 第Ⅰ阶段为单系滑移的易滑移段; 第Ⅱ阶段对应共轭滑移的出现, 硬化率较高; 第Ⅲ阶段表现为比较弱的次滑移作用, 硬化率较低; 第Ⅳ阶段除了多系滑移之外还伴随二分超位错的扩展及拖着反相畴(APB)的不全超位错运动, 硬化率最高; 第V阶段与分解了的单个超分位错的交滑移相关, 表现为软化. 随拉伸轴取向所处区域不同, 切应力切应变曲线硬化段的数目及同一阶段硬化率的大小也不同.     

二氧化碳埋存对地层岩石影响的室内研究

利用XRD,SEM,三轴岩石实验系统及岩心驱替实验装置研究了二氧化碳溶蚀对储层岩石矿物组分、孔隙结构及力学性能的影响.结果表明,在一定条件下,二氧化碳对岩石的溶蚀主要受岩石的结构和构造、流体组成及外部动力条件的影响,即具有层理构造的岩心,其层理面是优先溶蚀区域,应力变化时这些部位微裂纹的产生及扩展的几率最大,主应力也有一定的控制作用;在稳定水体环境控制的块状构造的岩心中,CO2的溶蚀导致岩心孔隙变大,并产生次生孔隙;裂缝的形成受溶蚀、流动方向及应力的共同控制.在二氧化碳水溶液注入过程中,出口端气体流速有一个突然大幅度增加的过程,表明流动过程中发生的溶蚀作用产生了2种变化:(1)岩石微裂缝的产生及闭合;(2)岩石颗粒的运移.静态溶蚀实验表明,随着溶蚀时间的增加,岩石的抗拉强度及抗压强度均下降,证实了胶结强度的明显下降.渗透率的增加及微裂纹(或裂缝)的产生造成封存的效果变差,从而影响了封存的效果.     

基于软材料的SHPB波形整形技术

脉冲整形常被用来修正霍普金森压杆的入射波形,以保证加载过程中试件的应力均匀性和恒应变率.本文提出了一种具有较好的波形整形效果和较宽适用范围的分离式霍普金森压杆(SHPB)入射波整形方法.采用真空封泥这种可忽略强度的材料作为入射波的波形整形器,结合撞击速度调整封泥的用量,可以得到正弦函数及缓升平台的类梯形波等不同的整形效果.数值模拟分析表明,真空封泥的波形整形效应主要由材料变形过程中的径向惯性效应控制.应用实例显示,经波形整形的SHPB实验试件两端的应力平衡得到较大的改善.     

形态描述矩阵及其在彩色图像检索与识别中的应用

提出用以表达图像中特定区域内点的分布信息的形态描述矩阵. 该矩阵同时考虑了区域内各点的径向与角向分布信息, 能够全面、准确地表达图像的形态特征, 不受区域边界模糊的影响. 基于该形态描述矩阵, 提出了用以整体描述图像色彩区域的位置与形态特征以及判定彩色图像匹配程度的广义彩色直方图方法. 实验结果表明, 运用该方法, 能有效地进行彩色图像的检索和识别.     

影响AlSi9Cu2Mg微动疲劳条件的磨损因素及其寿命预测

为了探究影响AlSi9Cu2Mg铝硅合金微动磨损的因素以及对磨损状态下该材料的微动寿命进行预测,本文建立了基于Archard弹性理论的网格自适应算法,并进行了摩擦疲劳有限元模拟,讨论了滑移幅度以及磨损分区因子对微动磨损的影响;使用SWT、F多轴疲劳损伤参数与临界距离理论(theory of critical distance)对磨损状态下的微动疲劳寿命进行预测.有限元仿真结果显示,滑移幅度以及磨损分区因子对微动磨损量均产生影响,接触表面在微动接触后缘总是出现压力的峰值,由于接触后缘的应力梯度较大,证明微动裂纹总是发生在接触后缘,与实验观察到的现象一致.通过两种多轴疲劳参数及临界距离理论得到的寿命预测分布显示,无论哪一个参数,考虑磨损时的预测寿命均优于不考虑磨损时的预测寿命,且多轴疲劳参数F在考虑磨损状态下的寿命预测值与实验更为吻合.最终的结果表明,基于Archard磨损定律的自适应网格算法的有限元分析与临界距离理论的损伤参数法相结合的分析流程,可以更为有效地预测AlSi9Cu2Mg的微动疲劳寿命.     

室温下金属铝的组合成形轧制

轧辊的弹性变形导致金属极薄带难以通过常规方法制备,人们想尽各种办法来获得更薄的轧件,如减小轧辊直径、增加支撑轧数量、增加轧辊和机架刚度等,这些方法使极薄带的制备变得复杂.本文采用组合成形轧制(combination forming rolling, CFR)新方法,将常规轧制的压缩作用、异步轧制的搓轧剪切作用和施加大张力的拉伸作用等三种工艺措施共同作用于轧制变形区,构造出易于满足屈服条件的应力状态,保持压下变形的可持续性.为了验证这种方法的可行性,在室温下对退火态工业纯铝板进行了组合成形轧制.实验结果表明,在没有中间退火的情况下,初始厚度为6.5 mm的1100铝板轧制成厚度为17μm极薄带,产品表面光滑、板形良好、无边缘裂纹,组合成形轧制的延展率达到38235%,真应变为5.95,充分体现出组合成形超强的变形能力.在剧烈塑性变形发生的同时,金属Al内部的显微组织也随之发生演变,由原始粗大的等轴晶演变为扁平的板条晶、亚微晶,直至出现纳米晶.以大应变、超延展、纳米化为特征的组合成形轧制将成为剧烈塑性变形中一个重要的新方法.     

相机阵列测量二维应变场的高精度分析方法

近年来,用于变形测量的数字图像相关技术以其全场、非接触、大量程等优点,在很多领域的非接触大变形测量方面发挥了重要作用.但由于其应变分辨能力受到摄像机分辨率的限制,与电测应变技术相比,数字图像相关的应变测量精度仍然很低.要使数字图像相关测量技术在应变分辨能力上有数量级的突破,依赖硬件技术的进步,将是一个漫长的期待.为此,本文提出采用相机阵列并结合图像拼接技术实现高分辨率图像采集,以提高数字图像相关测量技术的应变分辨能力,从而达到高精度二维应变场的测量.为了实现高精度的图像拼接,本文还提出了一种基于相机标定的图像拼接方法,利用相机阵列的内外参数进行图像拼接不仅可以最大限度利用相机分辨率,还可以实现重叠区域的三维重构,有效地减小离面位移对二维应变场测量的影响.     

拉伸变形应变硬化指数的实验测量及其精细分析

从应变硬化指数n的定义出发,从理论上导出了在不同的典型变形路径(恒应变速率,恒十字头速度v和恒载荷p)下用实验参数p(变形载荷),v(十字头速度)和l(试样标距长度)表达的一组n值测量公式,并根据这组公式建立了在恒,恒v,和恒p条件下均能测量n(恒的应变硬化指数),nv(恒v的应变硬化指数)和np(恒p的应变硬化指数)的统一测量方法,同时从分析传统测量方法必然存在理论误差和随机误差出发,提出了精确测量方法.还根据典型超塑性合金的实验给出在同一组恒,恒v或恒p变形路的曲线上对n,nv和np的测量结果,由此判明超塑性与塑性变形的结构敏感性.此外在不同组恒,恒v或恒p曲线上用相同的测量公式所测得的同一个n,nv或np也不相同,由此加深了对n,nv和np的数学表达与实测结果之间关系的认识,从而实现了对参数n实验精细分析的目的.