42CrMo钢的动态力学行为及高应变率效应的本构模型

为研究42CrMo钢的冲击动态力学性能及本构模型,进行了冲击动态压缩实验和金相观察.材料表现出强烈的应变率依赖性,同时还得到不同应变率下力学性能差异的主要原因在于冲击动态载荷下的绝热剪切行为.采用热激活理论,分别考虑热应力和非热应力来解释变形机理,得到了应变率效应的描述.基于此,本文提出含高应变率效应的动态本构模型,通...     

多维虚内键模型(VMIB)及其在岩体数值模拟中的应用

多维虚内键模型(VMIB, virtual multi-dimensional internal bonds)是在虚内键(VIB, virtual internal bond)理论基础上发展起来的一个多尺度力学模型. VIB理论认为固体材料在微观尺度上由随机分布的材料微粒(material particle)组成, 微粒之间由单一法向键连结; 而VMIB模型则在原VIB模型单一法向键基础上又引入了切向键用以约束微粒点对之间的相对转动自由度. 材料的宏观本构方程则由两种虚内键的刚度系数导出, 并在理论上证明了微观两种虚内键的刚度系数与宏观材料常数之间存在一一对应关系, 表明了在VMIB模型中增加切向键的充分性和必要性. 由于材料的断裂准则直接嵌入到本构方程中, 这使得VIB和VMIB模型在模拟材料断裂破坏方面有着较大的优越性. 岩体由于受到分布裂纹的切割作用, 宏观上表现为各向异性力学特征. 在岩体损伤模型中, 岩体裂纹的分布特征通常由损伤张量描述. 岩体在某一方向上的相对刚度大小决定于该方向上损伤值的大小. 在VMIB模型中, 微观虚内键的空间分布密度决定着材料宏观各方向上相对刚度的大小, 这与岩体损伤对岩体力学性能的影响是一致的. 文中在损伤张量与虚内键分布密度之间建立了定量关系, 将岩体等效为VMIB固体. 理论与试验结果表明, 这种等效的VMIB固体可以再现分布裂纹对岩体力学性能的影响, 这为进一步应用VMIB模型对岩体破坏行为进行数值模拟奠定了基础, 同时也为其他多裂纹体的数值计算提供一种新思路.     

材料动态性能对高速切削切屑形成的影响规律

高速切削作为一门先进制造技术已经在工业生产中得到日益广泛的应用,对高速切削过程切屑形成机理的研究有助于进一步发挥高速切削技术的优势和促进高速加工装备的发展,同时可指导优化切削参数、控制切屑形态以改善加工表面质量.高速切削切屑形态变化是工件材料在不同切削载荷下表现出的动态力学性能差异所致.弄清楚高应变率下材料动态力学性能有利于揭示高速切削切屑变形与失效机理,同时高速切削实验的合理设计与应用可以成为材料在高应变率下动态力学性能的新型测试手段.本文以高速切削过程工件材料动态性能变化对切屑形成的影响为主线,结合我们在高速切削切屑形成机理方面多年的研究成果,对高速切削过程中工件材料的强度、塑脆性和微观组织变化等方面进行了综述分析.阐明了高速切削条件下碎断切屑形成的力学条件,指出了传统切削理论在应力状态对切屑变形和失效的影响机理、切屑微观组织演化等方面研究存在的不足,最后对未来的超高速切削切屑形成机理研究进行了展望.     

X型超轻点阵结构芯体（Ⅱ）：细观力学建模与结构分析

针对X型超轻点阵结构芯体，首先引入均匀化等效理论，进行均匀化等效处理，然后采用等效芯体的有限元计算模型预测X型结构夹层板的静态力学行为，包括其压缩、剪切弹性模量和峰值强度，从理论和数值模拟上进一步证明了X型结构在静态力学性能上较金字塔结构具有性能优势．结合实验结果和三维实体有限元模型对比分析表明，均匀化等效理论预测与三维有限元计算结果吻合较好，误差不到10％．     

泡沫铝／环氧树脂复合材料压缩力学行为的仿真分析

根据所制备的开孔泡沫铝／环氧树脂复舍材料的结构特点,对其材料结构进行了合理的简化。在此基础上采用ANSYS／KS—DYNA软件对该材料的压缩力学行为进行有限元仿真分析;得出了该材料在压缩过程中的变形和失效过程以及应力-应变关系随其结构参数（泡沫铝孔径、泡沫铝相等密度）及应变率的变化规律。如上规律与已有文献的物理实验研究结果相一致,从而证明了该仿真方法的合理可行性,为泡沫铝孔洞填充复合材料的性能研究提供了一种新方法。     

混凝土材料非线性多轴动态强度准则

将广义非线性强度理论的4个材料参数转化为混凝土材料的基本强度参数,通过混凝土材料的基本强度特性,分析了4个材料参数的变化规律与取值范围.基于S准则建立了混凝土材料4个基本强度参数的率效应表达式,建立了混凝土材料的非线性多轴动态强度准则,分析了动态强度参数的率效应规律,结果表明,混凝土材料的强度特性随着应变率的提高,逐渐向金属材料的强度特性过渡,在应变率从-3~3,应变率对混凝土动态强度的影响较大,并且动强度不是随着应变率的提高无限增大的,而是存在动强度峰值.通过与3组双轴压-压和2组双轴拉-压动态加载时混凝土材料试验结果的比较,表明非线性多轴动态强度准则可较好地描述混凝土材料双轴动强度规律.在同一应变率下,可较好地描述强度的非线性特性;不同应变率下,动强度面互不相交,即应变率效应与多轴应力状态对强度规律不存在耦合影响.     

爆破震动等效载荷模型

通过对实验数据、点源矩理论和等效孔穴理论的分析对比认为: 在爆破区的邻近范围以外的震动信号主要来源于由于爆破作用引起的爆破后的爆破区邻近范围内地质结构的自振. 震动信号是由结构进行滤波后传出的, 而不是像很多人认为的那样: 这种滤波作用主要是由介质的非弹性性质(如介质阻尼等)决定的. 由此给出了一种适用于松动爆破的爆破震源的等效模型, 说明并验证了在一定条件下载荷的时间函数的冲量的决定作用. 同时实现了利用有限元方法对爆破震动过程进行数值模拟, 与实验结果的对比说明模型简单有效.     

冲击载荷下弹体材料断裂破坏的数值模拟研究

高强钢作为弹体结构设计中最常用的一种材料,针对其在冲击载荷下断裂破坏特性的数值模拟研究一直以来都受到研究人员重视.此类问题通常涉及材料在高温、高压、高应变率环境下的动态响应与破坏.因而本文提出了一种Euler网格与Lagrange标志点相耦合的局部标志点映射算法.该算法在Euler网格中添加带正六面体影响域的标志点,根据标志点与网格的拓扑关系,通过影响域加权将网格物理量映射到标志点上.基于MPI标准编写了三维并行程序代码,在程序中引入Johnson-Cook本构关系与等效应变断裂判据,对钢板在爆炸载荷作用下的破坏行为进行了数值模拟.与实验结果的对比表明,本文提出的算法结合了Euler方法和Lagrange方法的优点,能很好地处理材料的大变形及破坏过程,同时保证了计算精度和效率,可以更好地应用于各类冲击问题的数值模拟研究.     

脆性短纤维增强复合材料亚宏观模型及损伤本构关系

基于随机分布短纤维与基体损伤的物理机制与统计描述，针对长径比、刚度模量与强度都比较大的脆性短纤维增强复合材料，提出了一种亚宏观材料模型，考虑了纤维与基体的损伤统计规律、损伤诱发的各向异性与损伤率等对材料宏观力学行为的影响，导出了亚宏观损伤本构方程，还以短纤维纤维强聚丙烯聚复合材料为例，对损伤诱致各向异笥与损伤率效应及初始取向分布对材料宏观力学性能的影响进行了定量分析，理论预测与文献中的实验结果良好     

基于梁-颗粒模型的钢筋混凝土结构爆炸破坏数值研究

钢筋混凝土在爆炸载荷下的力学行为研究是防灾减灾与防护工程领域的重要研究课题.在离散元框架内,开发了模拟钢筋混凝土结构;在爆炸载荷下破坏过程的三维梁-颗粒模型,在弹性范围内,用矩阵位移法描述梁的变形与受力的关系,提出了用应力表达梁的强度准则.基于Cowper-Symonds理论,开发了描述钢筋在高加载率荷载下变形的梁-颗粒模型.采用C＋＋语言开发了模拟程序.进行了钢筋混凝土板在爆炸载荷下破坏规律的实验研究,同时用开发的模型进行了数值模拟,模拟结果与实验结果的对比表明：模拟结果与实验结果基本一致,所开发的模型可以反应爆炸载荷下钢筋混凝土材料的破坏特征,能够真实地体现爆坑的形成、裂纹的扩展、层裂等现象.     

高孔率金属材料表观电阻率的计算公式

根据高孔率金属材料的结构特征建立几何模型 ,运用几何方法和有关电学概念 ,简便地推导了具有均匀结构的高孔率材料电阻率与孔率的数学关系 ,由此得出通过孔率这个易知量来计算高孔率材料电阻率的公式 .以泡沫镍为例的应用证明 ,该理论式与实测结果基本一致     

固废制备的填充剂中NaCl对橡胶品质的影响

将碱厂白泥、造纸白泥、含油污泥等固体废弃物加工为橡胶填充剂是一种较好的资源化利用技术,但这些填充剂中往往残留有一定量的NaCl,可能对橡胶制品的性能造成一定影响.本文通过向天然橡胶中添加含有NaCl的填充剂研究了NaCl对橡胶制品性能的影响.实验表明,NaCl在橡胶加工过程中作为晶核起异相结晶作用,可提高橡胶的交联性和热稳定性;在实验的含量范围内,NaCl对填充剂粉体的分散性、硫化时间稍有影响,但橡胶交联性明显提高;硬度、拉伸强度、拉断伸长率等主要力学性能变化不大;老化后的橡胶力学性能基本不变,且部分力学性能高于对照样品.研究揭示,只要NaCl的含量控制在4%以内,基本不会对橡胶工程和橡胶制品性能产生影响;该研究成果有利于含NaCl固体废弃物资源化利用新技术的开发与应用.     

非均质材料凝固过程分析——理论和实验

分析了两相非均质材料（如闭孔泡沫金属）的凝固过程,给出了可以精确预测非均质材料凝固界面位置以及凝固所需时间的解析解。用蒸馏水作为连续介质,采用试验及数值模拟分别对泡沫金属的凝固过程以及单个孔周围的材料凝固行为进行了研究,结果与理论预测吻合良好。在此基础上,定量分析了孔隙率、孔的形状（如三角形、五边形、圆形孔）等对凝固过程的影响,确定了多孔介质等效热传导系数理论中的孔形状因子。     

高孔率材料抗拉强度与孔率的关系

根据高孔率材料的结构特点提出模型,推导出该材料抗拉强度与孔率的数学关系式,通过高孔率泡沫镍例为的实验,证明了该理论式较好地反映了高孔率金属抗拉强度随孔率的变化规律。     

基于光学原位观测柔软摩擦副的接触率研究

＂柔软接触＂在自然界和工业应用的摩擦副中具有重要学术和应用价值,但线接触副中接触率的原位测量目前尚无系统方法.本文建立了含光学显微、数字图像采集的软摩擦试验台.通过对接触率不同影响因素的深入分析,对比讨论了试验结果和理论模型.法向载荷对接触率影响规律可表述为幂函数,且受到弹性模量的影响.本文结合Ghatak的柔软橡胶薄层力学模型,分析了柔软材料的弹性模量对接触率的具体影响规律.本文以上述分析为基础,针对实际应用中柔软材料几何尺寸差异的问题,制备了9种不同厚度的圆柱形弹性样品,试验和理论分析都发现临界厚度值将影响接触率,并对结果进行了讨论.最后对全文进行了总结和展望.     

尾矿砂放射性物质豁免标准制定中的理论研究

从理论上建立了稀土尾矿砂天然放射性物质(NORM)的活度浓度与等效组织吸收剂量率间的关系式,由此计算出单位活度浓度样品到等效组织中的吸收剂量率转换系数.研究了样品所发射γ光子注量率的空间角分布,结合MCNP对样品有效厚度等理论计算结果,给出了尾矿砂放射性现场测量模型的几何参数.参考国际原子能机构(IAEA)报告,NORM样品对公众造成的γ外照射剂量上限为人均0.3 m Sv y?1,以此值作为控制目标,计算了在此标准下几种不同活度浓度样品造成的空气吸收剂量率,提出了尾矿砂排放的豁免水平:扣除现场本底后,测量得到的空气吸收剂量率低于55 n Gy h?1.依据理论推导给出的相关参数,进行了现场验证实验,同时对所测样品取样进行实验室分析,最终结果表明两者所测得数据基本符合,相对误差为15.8%.     

热及电场诱导石英玻璃的理论分析

基于实验结果, 归纳了热及电场诱导石英材料的3个基本结论. 在此基础上, 计算了经热及电场诱导块状石英玻璃的二阶非线性光学系数, 并得到了该值与诱导中的外加电压和诱导后产生的非线性层厚度的关系. 理论结果表明：经诱导的块状石英玻璃的二阶极化率χ⁽²⁾ 和二次谐波效率h 分别与外加电压成平方根和平方关系. 经一般热及电场诱导后, 块状石英玻璃的χ⁽²⁾ 为0.2~1.6 pm/V. 当热及电场诱导石英玻璃近似达到稳定状态后, χ⁽²⁾ 随着诱导时间的延长而减小. 理论结果与实验报道相当吻合.     

物理短裂纹Manson-Coffin公式的理论研究及寿命

国际上广泛使用Manson．Coffin公式来预测疲劳寿命，但该公式不能确定疲劳寿命同裂纹尺寸之间的关系．本文提出采用与疲劳极限有关的最大非损伤裂纹尺寸代替晶粒尺寸，当裂纹达到最大非损伤裂纹尺寸时，减速扩展速率降低到零．在此基础上结合短疲劳裂纹扩展速率的变化规律，导出了物理短裂纹的萌生和扩展速率同应力、应变、裂纹尺寸以及常规力学性能之间的定量关系．从而做到直接用材料常规力学性能预测短裂纹的疲劳寿命．本文证明了短裂纹的寿命预测公式同Manson—Coffin公式有相同的形式，从理论上揭示了Manson．Coffin公式的本质是短裂纹的萌生和扩展规律．用本文公式预测的疲劳寿命与著名学者相关的试验结果进行了比较，两者完全吻合．并且本文公式中的系数和指数同试验数据的拟合公式也完全一致．特别是对接近10ILtm物理短裂纹疲劳寿命的预测同实验结果惊人的吻合．用本文的公式对15种材料的短裂纹扩展速率进行了预测，其结果和实验值的吻合程度也令人十分满意，显示了本理论的广泛适用性．     

一种高速铁路无砟轨道混凝土结构疲劳损伤模型

基于连续损伤力学理论和边界面概念,建立了高速铁路无砟轨道混凝土结构在循环荷载作用下的疲劳损伤模型.模型在主坐标系中采用了拉压两个边界面,根据加载面与极限断裂面、边界面之间的位置关系来计算高速铁路无砟轨道混凝土结构在复杂应力状态下的损伤,并由累积损伤与应变能释放率之间的关系确定循环加载中极限断裂面的变化规律.通过将该理论模型嵌入有限元软件ABAQUS的用户材料子程序UMAT,与同类模型进行比较验证了模型的可行性.最后对高速铁路双块式无砟轨道支承层进行了循环动荷载作用下的疲劳累积损伤分析.结果表明该模型不仅能够较好地反映支承层在循环荷载作用下疲劳损伤非线性演变规律,还可以展现其疲劳损伤分布形态的全过程,为研究高速铁路无砟轨道混凝土结构的疲劳损伤与寿命预测,提供了可行的理论分析方法.     

一种新型双层电磁带隙结构及其在微波电路中的应用

提出了一种新型双层电磁带隙结构, 并分别用数值和实验的方法对这种结构的特性进行了分析. 在对这种结构单元的电磁特性分析的基础上, 给出了其集总参数等效电路, 并且讨论了这种结构的几何参数对电磁特性和等效参数的影响. 与已有的EBG结构相比, 该结构具有小型化及背向辐射小的特点. 基于单元结构的特性和等效电路, 设计了一种紧凑型转弯线带阻滤波器, 以及带阻型天线双工器. 理论和测量结果显示, 这种结构在微波和射频系统中具有潜在的应用价值.