纳米压痕中针尖效应的分析

采用有限元方法模拟了纳米压痕中不同曲率半径针尖的压头压入不同材料的加、卸载过程,并对计算结果与实验进行了对比以验证模拟的可靠性.理论分析给出了一个硬度关于压头曲率半径和压入深度的半经验公式.结果显示,相同材料的硬度计算值随着压头针尖曲率半径的增大而增大;另外对于同一针尖曲率半径而言,材料硬度值随着压痕深度的减小而增大,并且随着曲率半径的增大,尺寸效应越明显.理论分析与有限元计算结果吻合得较好.分析表明,由于尖端曲率半径的增大而导致过低估计压头与材料的接触面积是产生针尖尺寸效应的主要原因.进一步分析显示,理论推导中对于尖端曲率半径较大(R>60 nm)的压头,在压入深度较浅时(h≤60 nm)将其等效为理想压头相对粗糙,其硬度计算结果存在一定的高估.     

百纳米以下压入硬度规律的科学意义和挑战

仪器化压入是广泛应用的微/纳米力学测试方法,可靠的百纳米以下压入硬度尺寸效应的规律及其机理是其中尚未完全认识清楚的问题.本文总结了课题组近期在百纳米以下压入硬度的实验和模拟方面的进展:通过精确控制试样晶向状态和表面粗糙度,表征压头尖端曲率,在大规模分子模拟中引入压头曲率参数,实现了实验和模拟的衔接和相互校核,获得了可靠的百纳米以下的压入硬度规律,并揭示了两种相反的尺寸效应的机理,即常规的随压入深度减小而增大的硬度尺寸效应来源于压头下方材料中位错的形核和传播,而与压入初始阶段的相反尺寸效应来源于压头尖端曲率和材料弹性行为之间的耦合效应;针对压入过程中的位错演化,系统对比了分子动力学和分子静力学的结果可靠性和计算效率与弛豫时间和能量收敛精度参数的关系,提出了选取模拟方法和模拟参数的依据.     

纳米硬度测量中接触面积及压头曲率半径效应的分子动力学模拟

用分子动力学(MD)模拟了单晶铜的纳米压痕. 提出“接触原子”方法来计算接触面积, 并和实验上采用的方法进行比较, 发现此方法无论是对“挤出”还是“沉陷”情况都能更准确地计算接触面积. 同时也模拟了压头曲率半径对纳米压痕的影响, 发现在同一压痕深度下材料纳米硬度的测量值随着压头半径的增大而变大.     

单晶体SOD力学性能的实验及数值模拟

采用纳米压痕硬度计,测量了沸石分子筛方钠石SOD大单晶的力学性能,得到了载荷 位移曲线图和硬度、弹性模量随压痕深度变化的值。并利用ANSYS有限元程序对沸石单晶体SOD的弹性阶段进行了二维数值模拟,考察了摩擦、压头尖端半径对模拟结果的影响,得到了压痕过程中加卸载时的载荷 位移曲线,模拟结果在趋势上与实验结果有较好的吻合,与理论分析的载荷 位移关系基本一致,较好地反应了弹性纳米压痕的实验过程。     

镁碱沸石FER单晶弹塑性双线性本构关系的实验研究与有限元确定

为研究镁碱沸石大单晶FER的力学性能,采用纳米压痕技术,测得随载荷连续变化的位移,得到载荷-位移曲线图。根据W.C.Olive算法,利用接触刚度连续测量(CSM)技术,得到FER沸石分子筛硬度及弹性模量。基于弹塑性双线性本构关系假定,用ANSYS有限元程序模拟纳米压痕试验过程,利用搜索法得到沸石大单晶FER的双线性本构关系。本文还讨论了摩擦、温度及压头尖端曲率半径对纳米压痕计算结果的影响。     

微胶囊自修复材料塑性参数的研究

在研究自修复微胶囊壳体材料的力学性能时,受尺寸效应的影响,一般采用纳米压痕实验来获得.通过纳米压痕实验测得的载荷-位移曲线可计算出材料的弹性模量、硬度值,而塑性参数不易获得.随着非线性有限元方法的发展,材料的塑性性能可通过有限元方法进行数值仿真得到.就此使用有限元软件对压痕试验进行模拟,通过预设材料的塑性参数,获得材料...     

氮气流量对磁控溅射ZrN纳米涂层结构及硬度的影响

利用磁控溅射方法,通过改变氮气流量制备出ZrN纳米涂层,研究了氮气流量对ZrN纳米涂层结构及硬度的影响,并采用表面轮廓仪、X射线衍射仪、扫描电镜及纳米压痕表征了ZrN纳米涂层的厚度、相结构、形貌及硬度.实验结果表明,随着氮气流量增加,涂层厚度减小,涂层择优取向由(111)变为(200),对应的截面形貌由柱状结构变为非柱状结构;传统的位错滑移机制不适用于ZrN纳米涂层的塑性变形,其硬度随择优取向和晶粒尺寸的增大而增加.     

温度对氮化锆膜微观性能的影响研究

本文以直流脉冲离子源辅助中频磁控溅射方式,在常温和低热条件下在玻璃衬底上制备氮化锆膜,通过扫描电镜和纳米压痕仪对薄膜的表面形貌、显微硬度、表面粗糙度的变化情况进行了研究。结果表明：增加薄膜的沉积温度,导致膜层硬度的降低;膜层中晶粒尺寸增大;微观粗糙度增加;晶粒之间的间隙明显减小;晶粒之间出现明显的镶嵌现象。     

单晶硅微观力学性能研究

本文介绍了在纳米硬度计上进行的单晶硅微压痕测试实验及结果分析,以对单晶硅的微观力学性能有所认识。微压痕测试表明：单晶硅的弹性模量在压入载荷小于2400μN的范围内随载荷变化而波动变化：而在压入哉荷大于2400μN后保持相对的稳定值（约为214GPa）;单晶硅的表面硬度在压入栽荷小于1000μN的范围内随载荷变化而线性增大,而后突然降低并保持相对的稳定值（135GPa-15GPa）;单晶硅在纳米压入过程中,材料的破坏形式为脆性破裂,并且随压入载荷的增大而在压痕边沿产生堆积,堆积程度亦逐渐增大。     

幂硬化对疲劳弹塑性弯曲裂纹塑性区的影响

利用二阶摄动方法计算硬化材料弹塑性弯曲裂纹尖端的塑性区尺寸的最大值和和变化幅值.作图分析弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区尺寸最大值、变化幅值与材料硬化指数之间的变化关系.在幂硬化材料中,弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区尺寸最大值和变化幅值随材料硬化指数n的增大而减少,当n等速均匀增加时,弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区尺寸最大值和变化幅值加速减少,减少的幅度越来越大.当材料的硬化指数相同时,弯曲裂纹尖端塑性区尺寸最大值和变化幅值随疲劳载荷的不断减小而逐渐减小.     

采用有限元仿真研究TiN和Ti-Si-N的力学性能特点

利用有限元的非线性算法对一个TiN表面和一个Ti-Si-N纳米复合表面的压痕测量实验曲线进行仿真拟合,并对它们的力学性能进行比较分析.论文介绍该三维有限元仿真过程的各个步骤,重点说明如何通过计算求取与实验的载荷-位移曲线相对应的应力-应变关系,以及通过有限元仿真得到TiN样品和Ti-Si-N样品的屈服极限.经过仿真得到TiN表面和Ti-Si-N表面的硬度分别为21.319GPa和39.874GPa,与实测值21.4GPa和41.8GPa很接近.该研究结果证明此计算材料应力-应变关系和求取屈服极限的方法是可行的.通过仿真得到Ti-Si-N纳米复合表面的屈服强度为24GPa、TiN表面的屈服强度为12GPa.     

典型海底条件下抛物方程声场计算方法的缩比实验验证

为验证抛物方程近似方法在声场计算中的正确性,进行了模拟弹性海底的声传播测量实验.实验中利用质地均匀的聚氯乙烯（PVC）板模拟弹性海底,在消声水池中分别测量了水平和倾斜时海底下的声传播损失.理论研究中,应用抛物方程方法及在其基础上发展的坐标映射抛物方程方法仿真计算了2种实验环境下的声传播损失曲线.实验结果表明,仿真计算结果与实测结果吻合较好,充分验证了所研究计算方法的正确性.     

多场载荷作用下舵面蒙皮响应分析

试验研究表明,导弹舵面在工作环境中承受严酷的气动力载荷、气动热载荷和噪声载荷。多种载荷相互影响使舵面产生剧烈振动,严重影响打击精度;甚至导致蒙皮开裂引起疲劳失效。以某型号导弹C/SiC复合材料舵面蒙皮为研究对象,基于WORKBENCH/VA-ONE程序平台,将自定义函数(UDF)建立的热流固耦有限元控制方程和边界元声场控制方程相结合,推导出改进的耦合边界元/有限元法(BEM/FEM)计算模型。通过此方法数值模拟导弹真实飞行环境,计算出了蒙皮表面危险点位置和不同飞行环境下响应特性;结果表明,通过改进的耦合BEM/FEM计算模型,能够较准确地反应导弹在真实飞行环境下舵面蒙皮响应特性随环境变化特征,为导弹舵面可靠性设计提供了一种有效的数值计算方法。     

船舶辅机舱振动与声辐射计算及实验研究

采用有限元／边界元法对船舶辅机舱动力设备引起的振动与声辐射进行了数值计算,并进行了相应的实验研究．根据面导纳概念和基座振动测试曲线求得动力设备作用于船体基座上的激励力,使用有限元程序进行结构模型的振动响应计算,然后采用边界元法对水下辐射噪声进行了计算．计算结果与实验结果之间的误差d 10dB以内,表明本方法具有较好的准确度．在此基础上讨论了不同模型参数对计算结果的影响,计算结果表明在边界元法中按照流体波长采用较粗的网格仍可获得较好精度,而仅采用一个舱段模型计算会存在较大误差．     

基于GAP单元的车架有限元分析

利用Hyperworks软件对某重型货车车架进行了有限元分析,研究了采用GAP单元模拟车架钢结构之间接触的方法,并采用壳单元离散车架纵梁和横梁、多点约束单元(MPC)模拟铆钉和螺栓的传力、以及梁单元和弹簧单元模拟前后悬架.对比了利用GAP单元和等效实体单元来模拟接触以及不考虑接触的3种建模方法,分析了该车架的弯曲工况,并对计算结果进行了试验验证.分析结果表明:GAP单元能够有效地模拟车架各层钢结构之间的接触,提高车架有限元分析精度和分析效率,从而为重型货车车架有限元分析提供了一种有效方法.     

电阻层析成像(ERT)敏感场的仿真计算

采用有限元法对电阻层析成像(ERT)敏感场进行了分析,并与两种简单媒质分布情况时正问题的理论解作了对比,仿真计算结果与理论解吻合较好,节点电压均方根误差为319%和039%.结果表明,有限元法能更好地模拟ERT电极尺寸和敏感场,解决了用解数学物理方程法难以求解复杂媒质分布的ERT敏感场的问题,为研究ERT敏感场特性和成像算法等提供可靠的分析工具·     

基于二维有限元模拟光在多层组织中的传播

将有限元中残数及形函数应用到外推边界条件下的漫射方程中,得到了组织中辐射通量的值;模拟时采用多层的人头部组织,对其进行二维剖分网格、组装,最后用计算机进行计算．结果表明：光在生物组织中的分布利用二维有限元法结合漫射近似模拟,既可以对传统模型无法研究的复杂多层组织进行研究,又比蒙特卡罗方法大大缩短了计算时间．有限元方法是模拟生物组织中光分布的一种较有效的方法．     

核爆条件下土中钢质圆柱壳动荷载计算方法

为研究核爆条件下土中钢质圆柱壳动荷载的计算问题。采用核爆模拟装置进行了爆炸荷载作用下密实砂土内钢质圆柱壳模型试验,得到了有关动压力的时程曲线。试验表明钢质圆柱壳结构的动压力分布不同于钢筋混凝土结构,其中密实砂土中钢质圆柱壳的底部压力大于顶部压力。在试验基础上,通过动力有限元数值模拟,得到了核爆条件下密实砂土和软粘土两类地层的圆柱壳动荷载分布规律与计算方法。综合试验和数值模拟结果,结合现行设计规范方法,给出了全埋钢油罐动荷载的工程实用计算方法。     

核爆条件下土中钢质圆柱壳动荷载计算方法

为研究核爆条件下土中钢质圆柱壳动荷载的计算问题。采用核爆模拟装置进行了爆炸荷载作用下密实砂土内钢质圆柱壳模型试验，得到了有关动压力的时程曲线。试验表明钢质圆柱壳结构的动压力分布不同于钢筋混凝土结构，其中密实砂土中钢质圆柱壳的底部压力大于顶部压力。在试验基础上，通过动力有限元数值模拟，得到了核爆条件下密实砂土和软粘土两类地层的圆柱壳动荷载分布规律与计算方法。综合试验和数值模拟结果，结合现行设计规范方法，给出了全埋钢油罐动荷载的工程实用计算方法。     

复杂铝型材挤压成形有限体积仿真

根据型材挤压成形属于特大变形、热-力耦合、坯料头部存在变形死区等特点,采用欧拉描述有限体积法(FVM)模拟了3级复杂型材的挤压成形过程,避免了传统刚塑性有限元法无法模拟变形死区,拉格朗日描述有限变形弹塑性有限元法难以重划特大变形网格等难题．模拟过程中,采用欧拉描述FVM仿真坏料流动,采用拉格朗日描述有限元法仿真模具变形和应力,采用显式动态接触算法仿真坏料与模具之间的相互作用．确定了兼顾仿真精度和速度的有限体积网格的最小尺寸和单元最大数量,提高了计算效率;建立了6063-T5铝合金在不同变形温度下的系列热-本构-摩擦模型,获得了金属流动、力能、温度、密度变化分布．为工艺和模具参数优化提供了依据．