基于ABAQUS的P110整形套管残余应力研究

套管整形完卸载后,其内部会有残余应力,严重降低了套管的抗挤压强度和承载能力。利用弹塑性力学理论,推导出整形套管残余应力的计算模型,然后用有限元分析软件ABAQUS建立P110套管整形复合系统的三维有限元模型,研究整形后不同滑块锥角下套管径向和环向残余应力的分布规律,尤其是最长残余应力带的应力分布。研究结果表明:锥角70°的径向残余应力带以条状的形式分布,环向残余应力带以片状形式分布;径向残余应力具有内压外拉规律,环向残余应力与整形部位有关;最长环向残余拉应力的仿真值与理论值吻合较好。本文建立的有限元模型是可靠的,且综合套管抗挤压强度和整形效率来看,建议整形工具的滑块锥角在70°~80°范围内选取。     

铝锂合金高速铣削表面完整性实验研究

铝锂合金密度低、比强度高、比刚度高等优良特性使得其成为新一代航空航天飞行器的主要结构材料.飞机蒙皮作为维持飞机外形的主要结构件,在飞机起飞降落过程中承受舱内外压差变化所引起的交变载荷作用,因此对于蒙皮结构零件的疲劳强度要求十分苛刻.零件的疲劳裂纹萌生往往是从表面的微观缺陷开始,并且表层以及亚表层的力学状态将影响裂纹萌生以及扩展速度.表面完整性包括表面的几何轮廓、显微硬度、金相组织、残余应力等,这些因素综合影响着零件的疲劳性能.与此同时,表面完整性表征参数与被加工材料属性、热处理状态以及加工工艺等具有密切的联系.研究了铝锂合金的机械铣削加工工艺对于其表面完整性的影响.传统蒙皮结构加工往往采用化学铣削的方法进行,占用厂房面积大,污染严重,废液处理费用高等,不符合现代可持续绿色制造的理念.目前对于铝锂合金的超塑成形工艺研究较多却鲜见有相关铝锂合金切削表面完整方面的相关研究.研究在干切情况与液氮冷却情况下切削三要素以及上一道滚压工艺对于表面完整性的影响,通过正交试验的方法全面考察了工艺参数对于表面形貌各个指标、表层亚表层金相组织以及残余应力的影响权重,并且验证了其显著性.比较了干切与液氮低温切削情况下表面形貌以及残余应力状态的异同点,验证了液氮冷却切削对于铝锂合金表面完整性提升的有效性,为提高铝锂合金疲劳性能提供了实验依据.     

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.     

基于切削力预测模型的复杂曲面铣削进给速度优化

针对复杂曲面恒定进给速度带来加工效率低下及表面质量差的情况,提出了基于切削力预测模型的铣削进给速度优化方法.首先,通过对刀位轨迹、曲面与刀具几何、刀/工切削接触区及动态切削厚度的分析计算,建立了多轴加工复杂曲面的切削力预测模型,从而得到了进给速度与切削力之间的映射关系.然后将给定的参考切削力与每个刀位点处的最大切削力之差的绝对值作为优化目标函数,通过Newton-Raphson迭代算法来调整原刀位点文件中的进给速度,以确保切削力的恒定以及机床系统的运行平稳.最后,以模型桨桨叶为对象,开展了相应的加工实验.实验结果表明:提出的优化方法使桨叶精加工的时间缩短了25%以上,表面残余应力和显微硬度得到增加,这对提高桨叶曲面的加工效率与改善加工表面质量具有明显的效果,从而验证了所提出的进给速度优化方法的有效性.     

高应变率下RPC动态力学性能的试验研究

利用5种钢纤维掺量活性粉末混凝土(RPC)圆柱形试件的SHPB冲击压缩实验研究了10×100~1.1×102s?1应变率范围内RPC的动态力学性能,分析了不同应变率和钢纤维掺量下RPC的应力波动特征、破坏模式、强度及耗能能力的变化规律以及应变率和钢纤维掺量的影响.提出了不同应变率和钢纤维掺量条件下RPC动态应力-应变响应的基本模式与本构模型.研究表明:应力波作用下素RPC的应力响应高于应变响应,脆性特征显著.掺入适量钢纤维后,RPC碎裂时的应变率和变形能力较素RPC有明显提高.相同钢纤维掺量下,应变率增加时,RPC的峰值抗压强度、峰值应变和残余应变均有不同程度的提高,其中残余应变提高的幅度最大.相同应变率条件下,提高钢纤维掺量对于改善RPC碎裂后的残余变形能力作用不大.钢纤维对RPC峰值抗压强度和峰值变形能力的影响不同,相同应变率下,钢纤维率不超过1.75%时,峰值抗压强度随纤维率增加而增加;纤维率超过1.75%后,峰值抗压强度开始逐步下降;峰值应变随钢纤维掺量增加而持续增大.相同应变率下,从冲击开始至残余变形阶段RPC的总耗能Edisp随钢纤维掺量增加而逐步提高,但纤维率超过2%后总耗能Edisp则开始逐步下降.不同变形阶段钢纤维对RPC耗能所起的作用不同.钢纤维率不超过2%时,钢纤维对提高峰值变形前耗能的作用大于对提高峰值变形后耗能的作用.应变率对总耗能和各阶段耗能均有显著影响,应变率越高,各阶段的耗能越大,动态冲击时的韧性越好.给出了RPC峰值抗压强度、峰值变形、残余变形,以及各阶段耗能随应变率和钢纤维率变化的经验模型.采用标准化的应力和应变作为广义应力与广义应变,以应变率和钢纤维率为界,将RPC的动态应力-应变响应模式简化为4类基本模型,并给出了每类模型的数学表达式.     

基于云纹干涉技术的环芯和切槽残余应力测量方法的实验研究

本文将环芯法和切槽法分别与云纹干涉技术相结合,对过盈配合试样中的残余应力进行了测量.对于环芯云纹干涉法,通过使用不同焦距的场镜与CCD相结合,获得了变视场区域不同放大倍数的干涉条纹,实现了云纹干涉条纹的载波校正与零场调节;对于切槽云纹干涉法,提出了基于位移差的应力修正方法,克服了由位移释放区域过大造成的零级干涉条纹确定上的困难.本文研究中,针对过盈配合试件,将所提出方法的测量结果分别与钻孔云纹干涉法和钻孔应变电测法的测量结果进行了比较,结果表明:两方法的结果具有较好的一致性;相对于切槽法而言,云纹干涉环芯法的测量精度更高、更易于操作,而且可以获得面内残余应力的所有分量,具有更为广泛的适用性.     

考虑温度影响的UH模型

首先分析了温度对饱和粘土力学特性的影响规律,基于真强度概念并结合潜在强度的确定方法推导出不同温度下饱和粘土临界状态应力比的理论计算公式;随之将温度作为变量引入到姚仰平等人提出的UH模型（采用统一硬化（Unified Hardening）参数建立的三维超固结土弹塑性本构模型）中,建立了能够考虑温度影响的UH模型;并根据姚仰平等人提出的变换应力方法,将模型简单地三维化.该模型继承并发展了UH模型,不仅能够描述某一恒温下超固结土的硬化、软化、剪胀等应力应变特性,而且能够反映由于升温引起的体积变化特性.与修正剑桥模型相比,所提出的模型仅增加了一个参数来反映粘土的前期固结压力随温度升高而降低的特性.在常温时此模型就退化成原始的UH模型,而在常温且无超固结时就退化为修正剑桥模型.模型的温度适用范围为介于孔隙水熔点与沸点之间的温度（例如本文所采用试验所涉及的介于适用范围内的温度20℃~95℃）.通过与已有的试验结果对比分析表明,模型能够较为合理地描述超固结土的基本力学特性.     

特种车悬架减振器变厚度阀片应力解析计算方法及应用研究

为了同时满足特种车辆悬架减振器阀片应力强度设计及阻尼特性精确设计的需求,须采用变厚度节流阀片,然而目前尚无精确的变厚度节流阀片应力解析计算公式,常出现阀片的断裂失效问题.根据变厚度节流阀片的力学模型,给出了阀片在均布压力作用下的变形曲面微分方程的通解.根据变厚度节流阀片变形、内力和应力之间的关系,创建了变厚度节流阀片径向、周向和复合应力解析计算式及阀片应力系数.利用ANSYS有限元软件对应力解析计算式正确性进行了仿真验证,结果表明解析计算值与仿真值吻合且相对偏差在0.8%以内.通过实例,利用应力解析计算式设计了变厚度阀片并进行了试验验证.试验结果表明,所设计的变厚度阀片同时满足了阀片应力强度与阻尼特性精确设计的要求,所建立的变厚度节流阀片应力解析计算方法是正确、可靠的,为减振器变厚度节流阀片设计和快速进行强度分析提供了有益参考.     

应力波作用下岩石类孔隙介质变形破坏与能量耗散机制的数值模拟研究

通过CT扫描、X射线衍射和物理实验等方法获取了天然砂岩的孔隙结构参数、矿物组成和物理力学性质,研制了具有与天然砂岩相同的孔隙结构特征和基体性质、但孔隙率不同的岩石类孔隙介质的物理模型．利用孔隙介质物理模型的CT扫描图像和MIMICS构建了具有不同孔隙率的孔隙结构三维有限元模型．通过设定应力波动理论假设的条件模拟了孔隙介质SHPB冲击破坏过程,分析了波动应力作用下岩石类孔隙介质的动力学响应、应力传递模式和变形破坏机制．研究表明：利用孔隙介质三维有限元模型可以直观定量地分析应力波传播过程中岩石类介质内部孔隙和基体的应力、应变状态及变形破坏机制．一定压强和波速的应力波传播过程中,孔隙率低于15％的岩石介质内部的孔隙未发生明显变形,变形主要体现为孔隙周边基体的微塑性（剪切变形）和开裂（横向拉应变）,以及孔隙周边开裂区域的相互连通．剪应力使基体单元产生微塑性,拉应力使基体单元开裂．孔隙周边基体单元的破坏及相互贯通主要是由于基体单元的横向拉应力或拉应变超过材料的极限值．模拟得到的孔隙介质的应力波传播规律、变形与破坏模式以及能量耗散性质与物理模型的实验结果相吻合．本文研究为解析岩石类孔隙介质的复杂多变动力学响应的内在机制、应力传递模式、变形破坏与致灾机理提供了参考．     

考虑偏平面屈服特性的三维耗散应力空间

天然沉积土大多处于复杂三维应力状态．建立岩土材料三维本构模型的方法（三维化方法）应满足热力学定律这一基本物理规律．本文通过引入与塑性剪应变相应的迁移应力,使基于耗散能增量函数建立的岩土材料本构模型能合理地描述偏平面的三维屈服特性．同时,给出了耗散应力空间应力张量与真实应力张量之间的关系表达式,使本构模型能在三维耗散应力空间中采用相关联的流动法则计算不同应力方向的塑性应变．其次,在热力学框架下对比分析了常见三维化方法的热力学本质,如直接引入强度准则的方法、g（θ）方法和变换应力方法等．说明了三维耗散应力空间与变换应力空间的等价性,验证了变换应力方法在热力学框架下的合理性,同时指出直接引入强度准则的方法和g（θ）方法的不合理之处．最后,通过模型预测值与试验值的比较,验证了建立的三维耗散应力空间及其等价的变换应力空间的适用性．     

基于偶应力理论涂层半平面的二维滑动摩擦接触分析

本文基于偶应力理论,研究了平面应变状态下刚性压头与均匀涂层半平面之间的二维滑动摩擦接触问题.该理论通过引入材料特征长度来描述微结构材料的尺寸效应.采用傅里叶积分变换方法将此尺寸依赖的接触问题转化为第二类Cauchy奇异积分方程.然后,通过数值求解该类方程来确定涂层表面法向应力和面内应力的分布.详细讨论了尺度参数、剪切模量比和摩擦系数对表面法向接触应力和面内应力的影响.结果表明基于偶应力理论得到的接触应力明显偏离基于经典弹性理论预测的结果,而且表现出对材料特征长度的强烈依赖性.     

考虑孔隙压密的岩石非线性变形行为计算分析

含孔隙裂隙岩石的非线性变形对分析岩体工程中的力学响应和安全评价具有重要意义.需要考虑岩石的孔隙性建立能够反映岩石变形非线性特性的本构模型.本文首先分析了岩石非线性变形的力学机理,将岩石的全应力应变曲线分成两段.然后对两段分别建立本构关系:在压密闭合阶段,提出压密因子的概念,以表征孔隙率变化对岩石变形特性的影响;除压密闭合阶段外的另一阶段,基于损伤理论,采用岩石细观单元本构模型来描述,以最大拉应变准则和摩尔-库仑准则作为损伤判断准则.借助有限元分析软件COMSOL Multiphysics,通过MATLAB编程实现对该模型的数值求解.为验证模型的正确性,将数值模拟得到的结果与试验数据进行对比.最后,对6种孔隙率不同但岩石基质相同的岩石进行了单轴压缩破坏过程数值模拟.研究结果表明:运用提出的压密因子所建立的本构模型可以很好地模拟岩石的压密闭合阶段的非线性,对同种岩石孔隙率越大单轴抗压强度越小,随孔隙被压密弹性模量越来越大.     

广义非线性强度理论及其变换应力空间

基于摩擦材料的试验规律和在前人研究成果的基础, 提出了广义非线性强度理论, 它用一个表达式统一描述π 平面及子午面上各种材料的非线性强度特性, 包含或逼近了现有的非线性单一强度理论. 在主应力空间中, 广义非线性强度理论在π 平面上的破坏函数为介于SMP准则和Mises准则之间的光滑曲线;在子午面上的破坏函数为幂函数曲线. 在基于广义非线性强度理论的变换应力空间内, 广义非线性强度理论可以合理地与各种以p和q为应力参量的本构模型相结合, 使模型简单地实现三维化.     

孔隙介质中应力波传播机制的实验研究

采用活性粉末混凝土和聚苯乙烯材料研制了具有与天然砂岩相似孔隙分布特征和物理力学性质的孔隙体模型,通过不同孔隙率模型的SHPB冲击实验和CT扫描实验观察和分析了孔隙体中应力波的传播特性以及传播过程中内部孔隙和固体介质的变化．研究表明：1）孔隙率显著影响应力波的传播特征．相同应变率时,孔隙率越大,反射波幅越大、波峰越多、透射波幅越小;孔隙率降至5％时反射波接近于单峰;应变率越高上述现象越明显;2）孔隙体的能量耗散率WJ／W1随孔隙率增加而线性增加,WJ／W1对应变率较敏感;3）应力波传播性质和能量耗散行为的差异与孔隙的演化机制有关．孔隙率低于10％时内部机制表现为固体介质破裂或形成新孔隙,应力波能量主要被消耗形成新开裂面或新孔隙,原有孔隙变形不大．此过程中应变率对改变孔隙形状的作用不明显;孔隙率高于15％时孔隙演化机制与应变率有关,低应变率时仍以固体介质开裂或形成新孔隙为主,但新增开裂面或新孔隙的数量相对较少;高应变率时内部结构变化同时存在固体介质开裂和孔隙变形两种机制,其中孔隙变形占较大比例,应力波能量大部分被消耗于孔隙变形,表明只有在高孔隙率和高应变率条件下内部孔隙才会发生明显的变形．孔隙离心率e可以较好地刻画应力波作用下孔隙的变形．     

玻壳压制成型中残余应力的数学建模与模拟方法

玻壳成型过程中产生的残余应力对制品质量的影响很大．在分析玻壳成型特点的基础上，建立了玻璃压制成型过程中残余应力计算的数学模型，其中材料假定为热流变简单黏弹性材料，忽略了成型中的流动应力，讨论了模型问题的平衡推论及相容性方程，并详细分析了成型中不同阶段的边界条件．模型的数值求解采用了薄层理论，并通过空间上的分层离散和时间上的有限差分来进行．所提出的模型及求解方法可以很容易地扩展到通常的玻璃压制成型过程，也可用于分析许多与玻璃压制成型相关的问题，具有较广泛的参考价值．     

玻壳压制成型中残余应力的数学建模与模拟方法

玻壳成型过程中产生的残余应力对制品质量的影响很大。在分析玻壳成型特点的基础上，建立了玻璃压制成型过程中残余应力计算的数学模型。其中材料假定为热流变简单粘弹性材料，忽略了成型中的流动应力，讨论了模型问题的平衡推论及兼容性方程，并详细分析了成型中不同阶段的边界条件。模型的数值求解采用了薄层理论，并通过空间方向上的有限元和时间上的有限差分来进行。所提出的模型及求解方法可以很容易地扩展到通常的玻璃压制成型过程，也可用于分析许多与玻璃压制成型相关的问题，具有较广泛的参考价值。     

非饱和土的非正交弹塑性本构模型

从应变增量大小和方向的角度出发,以有效饱和度和Bishop有效应力作为基本本构变量,呈现了一个非饱和土的非正交弹塑性本构模型建模框架.建模框架采用非正交的塑性流动法则,直接通过屈服函数确定塑性应变增量的方向,避免了构造塑性势函数的困难.基于所提建模框架,利用屈服函数、硬化参数和土水特征曲线的具体表达式,发展得出一个非饱和土的非正交弹塑性本构模型.所提模型通过材料参数μ可以描述具有不同刚度的非饱和土的力学与水力行为.模型所需材料参数均具有明确的物理意义,且可以通过室内试验确定.利用两种经典应力路径(即恒基质吸力的常规三轴剪切路径和恒净应力的吸湿路径)分析了具有不同刚度的非饱和土的力学与水力行为.模型预测结果与非饱和土试验数据的对比验证了所提模型的优越性.     

面向材料的超精密金刚石切削加工机理

采用超精密单点金刚石切削加工技术制备超光滑表面在国防尖端和航空航天等领域具有重要应用.当前缺乏对超精密加工机理的理解,极大地制约着超精密加工技术的提高.金刚石切削加工是一个刀具与材料高度耦合的过程,工件材料的性能对加工结果具有重要影响.本文研究了具有不同属性和微结构的典型材料超光滑表面的金刚石切削加工机理:(1)研究了多晶金属铜金刚石切削加工中的非均质特性,重点关注了晶界对表面创成的影响机制及其抑制策略;(2)研究了单晶硅和单晶碳化硅金刚石切削加工中的脆塑转变机理,重点关注了超声椭圆振动辅助切削加工技术对硬脆材料延性加工性能的提升;(3)研究了反应烧结碳化硅和铝基碳化硅金刚石切削加工中的各相材料协同加工变形机制,重点关注了振动辅助和切削路径对复合材料表面创成的影响规律.本文的研究成果为不同材料超光滑表面的超精密金刚石切削加工创成提供了理论依据.     

化学-应力耦合流变试验确定PC制品的开裂时间

基于化学探测法检测聚碳酸酯(PC)制品残余应力的原理,为确定退火后PC试件的环境应力开裂时间,开展了一系列化学溶液浸渍-四点弯曲应力松弛耦合状态下的流变试验。采用自主研制的可进行四点弯曲松弛和蠕变试验的流变试验仪,获得了不同松弛初始应力下PC退火试件在空气、正丙醇及正丙醇-甲苯混合溶液等不同环境中的开裂时间,建立了不同溶剂环境下流变松弛初始应力与开裂时间之间的非线性回归方程。研究结果表明:PC试件的开裂时间与流变松弛初始应力、外界化学环境有关;残余应力主导着PC注塑制品内部结构的劣化,而外界化学环境将加剧其劣化。该耦合流变试验法可快速获取退火试样在某一溶液环境中的开裂时间,能满足残余应力高精度测试的要求。     

带方向特征的Contourlet HMT模型

根据Shannon信息理论将纹理的方向特征定义为:图像中信号取值为随机分布的奇异值时方向变量的取值特征.根据这一定义,并结合Tamura方向特征的求取方法,文中对Contourlet变换系数的方向概率分布进行了研究,获得方向特征在Contourlet变换的父子子带间形成传递这一结论,在此基础上结合Contourlet隐Markov树(HMT)模型,建立了以隐状态变量分布为条件的方向隐变量的概率分布模型,即带方向特征的Contourlet HMT模型,给出了该模型的结构和训练方法.此外,通过基于所提出模型的无监督结合上下文信息的图像分割算法对合成图像和遥感图像的目标分割实验验证了所提出模型的有效性.