金属材料高温力学性能分析综合实验设计与实践

采用高温材料力学试验机结合三维全场应变测量系统,将先进科研技术手段融入实验教学,构建了教学型高温静态拉伸实验方法,新建了金属材料高温力学性能分析综合实验。该实验以激光引伸计法、三维非接触式全场应变测量法（3D-DIC法）测量高温变形,实现高温拉伸变形从单一数值输出到全场变形可视化。实验还设立了独立考核与团队合作考核相结合的考核模式,以前沿技术促进教学质量提升,加强了学生创新能力及科研能力的培养。该实验已进入本科生创新实验及研究生力学实验课程体系中,取得了良好效果。     

称重传感器弹性体的分析与研究

运用材料力学理论和有限元法,分析某型号称重传感器弹性体的应变位移。用间接法测定数据,通过对比得到:材料力学理论在求解空间结构的弹性体应变时存在缺陷,计算结果误差比较大,而有限元解却接近真实解。利用ANSYS Workbench优化设计模块,发现改变孔径尺寸就可迅速设计出系列产品,节约成本,提高效率。     

合金钢A517Q加热小变形下的应力应变模型

为了在有限元分析中精确计算钢坯加热过程中的应力分布情况,建立了描述A517Q钢不同温度下真应力真应变曲线的数学模型.将拉伸实验与膨胀实验所得数据结合处理,得到了不同温度下的机械应变对应的真应力曲线,排除了热膨胀与材料氧化的影响.建立该模型仅需5个关键参数,对于无明显屈服平台且应力随应变持续增长的应力应变曲线具有良好的描述精度.将通过处理A517Q钢拉伸实验数据获得的5个关键参数拟合为关于温度的函数,代入已建立的应力应变数学模型中,实现了对不同温度下材料力学性能的准确预测.将本模型植入有限元,模拟得到了钢坯加热过程中的应力分布,可为优化加热工艺提供参考.     

基于VB的《材料力学仿真实验》演示系统

提出了如何在Windows环境下,利用大型有限元分析软件ANSYS 10.0开发材料力学仿真实验软件,借助Visual Basic 6.0可视化高级程序设计语言的设计思路,并给出了相应的具体开发方案,为今后材料力学仿真实验软件的开发探索,改进材料力学仿真实验教学进行了尝试.     

ANSYS对于压杆稳定的辅助教学

将有限元分析软件ANSYS的屈曲分析应用到《材料力学》压杆稳定教学中，通过先进的CAE方法，使得压杆稳定，尤其使欧拉公式抽象的理论教学变得形象生动，充分利用计算机仿真手段弥补了缺少实验的不足，丰富了学生的知识。     

谈ANSYS与《材料力学》课程教学的有机结合

介绍了有限元分析软件ANSYS在材料力学教学中的应用,将材料力学的教学与ANSYS的数值仿真技术紧密结合在一起,从而使教学中的概念更具体化和形象化,能让学生更好地理解和掌握相关理论和基本概念,同时提高了学生力学分析的基本技能和计算机操作与软件应用的能力.     

碳纤维高应变率拉伸破坏形态的应变率效应性质

利用反射式间接拉伸Hopkinson杆实验装置，测试碳纤维在应变率1500-3000s^-1范围内的拉伸性质。实验结果表明，碳纤维在拉伸性质上是应变率不敏感材料，这与目前已有实验资料一致，但对碳纤维断裂端的断口形状观测表明，碳纤维破坏形态是与应变率相关的，随着应变率的增加，断口形态逐渐光滑。破坏形态的差异也导致了拉伸力学性质在不同应变率下的微弱差异。     

乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜单向拉伸性能及黏塑性本构模型

对厚度为250μm的长条形ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)薄膜试样进行了8种定速(拉伸速度由极慢的1mm/min到极快的500mm/min)单向拉伸试验,得到了相应的应力应变曲线、屈服强度、弹性模量等参数随拉伸速率的变化规律.结果表明:ETFE薄膜的屈服强度和屈服应变随拉伸速率的增加而增加;ETFE薄膜的切线、割线弹性模量,以及基于应变能和应变余能的等效弹性模量随拉伸速率的增加而增大,3种弹性模量之间的差值也随拉伸速率的增加而增大.对上述应力应变曲线进行分析,提出了ETFE膜材的黏塑性本构模型(Peirce模型),并在有限元分析软件ANSYS中进行了数值模拟,其结果与试验得出的应力应变曲线吻合较好.     

细化钨合金力学性能研究与数值模拟

针对晶粒度分别为1～3μm,10～15μm,30～40μm的细化钨合金材料,采用单轴拉伸实验研究了3种材料在准静态条件下的力学性能,获得了3种材料在不同加载速率下的应力-应变曲线和静力学基本参数. 在实验的基础上,运用有限元计算软件ANSYS,建立了能够反映钨合金材料微观结构特征的计算模型,模拟了不同体积分数、不同颗粒形状、不同晶粒度钨合金材料在静态拉伸载荷作用下的力学性能,给出了钨合金材料的应力-应变曲线,分析了钨合金力学性能与钨合金各微观参量之间的关系.     

《材料力学》课程教学改革与实践

根据学生实际和《材料力学》课程的特点,对《材料力学》课程教学方法改革进行了探索和实践。通过类比教学法、教学中注意理论联系实际、在材料力学教学中运用数值分析软件ANSYS、分层次教学等途径进行教学,提高了学生的学习积极性,改变了学生理解难、记不住、不会用的状态,对于培养学生的学习能力、实践能力和利用力学知识解决实际工程问题的能力有积极意义。     

纳米单晶铜板单向拉伸/压缩的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟纳米单晶铜板的拉伸／压缩变形过程,得到了纳米单晶铜板在单向拉伸／压缩状态下的应力应变关系曲线和垂直于拉伸／压缩方向的泊松比．结果表明,纳米单晶铜板在单向拉伸／压缩状态下的弹性极限应变分别约为0．08和-0．03。在此范围内应力应变关系基本上表现为线弹性;垂直于拉伸／压缩方向的两个泊松比取值于0．3～0．4之间,但是不同方向上的泊松比数值不同,表现出由尺寸效应引起的材料力学行为的各向异性．     

复合材料层板动态力学性能和本构关系研究

在不同温度环境下 ,利用MTS材料试验机 ,在中等应变速率 ( 1 /s)下 ,对玻璃布———环氧层板的动态力学性能进行了实验研究 ,给出一种较为可靠的复合材料拉伸试样设计方法 ,获得了杨氏模量、拉伸强度和泊松比等力学参数。实验结果表明 ,玻璃布———环氧层板具有明显的应变率相关和温度效应。采用Johnson提出的温度、应变率相关的本构模型 ,根据实验数据拟合了玻璃布———环氧层板材料的本构关系 ,分析表明该本构关系可以很好地描述材料的应变率和温度效应。     

花岗岩动态劈裂拉伸实验及动力作用机制

岩石作为一种常见的工程材料,其动态拉伸力学性能的准确核定及其破坏机理至关重要。借助霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)实验装置,对75块花岗岩试样进行了不同冲击速度下的动态劈裂拉伸实验,分析其动态强度与变形的应变率效应,以及冲击劈裂后的破坏形态,进而得到花岗岩试样的应变率、应力峰值、弹性模量等相关力学参数之间的关系。研究表明,在动态劈裂实验中,应变率约在100 s^-1左右,花岗岩试样开始出现裂纹;应变率在100～150 s^-1内,花岗岩试样在冲击后为破碎状态;当应变率超过150 s^-1后花岗岩在冲击加载后试样为粉碎的状态。随着应变率的逐渐增大,动态拉伸弹性模量逐渐增加,但峰值应变却随着应变率的增大而逐渐减小,表明随着应变率的提高,花岗岩的变形能力变差,更易破坏。同时提出了动态拉伸敏感性指标,该指标物理意义明确,能够准确反映岩石类准脆性介质在动态拉伸受力情况下的率效应。进而通过数值模拟,分析验证了冲击劈裂实验的应力波传播三阶段、试样破坏特性及裂纹衍生规律。进一步地,基于Hop...     

复合材料层板动态力学性能和温度相关性的实验研究

在不同温度环境下,利用ＭＴＳ材料试验机,采用中等应变速率（１／ｓ）,对玻璃布－环氧层板实施了冲击拉伸实验,测试了该材料在不同温度、不同应变速率下的应力应变曲线,确定了杨氏模量、拉伸强度和泊松比等力学参数。实验结果表明,玻璃布－环氧层板具有明显的应变率、温度效应;在室温以上温度环境下,该层板具有动态韧性。还分析讨论了复合材料拉伸试样设计的一些主要问题,给出哑铃形试样结合粘贴加强片和销钉拉伸的复合材料拉伸试样设计方法。     

基于ANSYS的压力容器壁厚优化设计

阐述了压力容器设计的一种可行方案,以及针对压力容器的参数提出了以减少壁厚为优化目标进行优化设计的方法.首先通过材料力学等相关知识对某压力容器的结构进行设计,从而得出相应的尺寸参数,然后根据实际工况,利用大型仿真软件ANSYS进行力学分析,并以此为依据,利用ANSYS软件的优化设计模块(Design Opt)进行优化分析,并对比传统设计方法和ANSYS设计方法的效果.在满足工程中技术指标的情况下,实现提高设备刚度和结构轻量化的目标.     

利用开放实验改进应力腐蚀实验软件

慢应变拉伸是评价应力腐蚀敏感性的快速方法。针对实验室测试软件不足的情况,利用本科生开放实验开发了一套慢应变拉伸应力腐蚀的数据分析软件,实现了实验数据的导入与识别;根据需要绘制应力-应变、电位-时间曲线;能够自动计算断裂寿命、断面收缩率、抗拉强度、应变量、延伸率和应力应变积分等评价指标参数,并自动输出结果。使用该软件系统,可以提高实验分析效率和数据精准性。     

双轴拉伸实验在材料力学实验教学中的应用创新

传统的材料力学实验教学项目仅涉及材料的单轴拉伸实验,未涉及双轴拉伸实验。通过学生自主设计双轴拉伸实验,利用数字散斑技术测定构件的全场应变规律,该方法具有测量速度快、非接触和精度高等优点。该实验教学项目结合工程实际,具有很强的综合性和研究性,可以加强锻炼学生分析问题、解决问题的实践能力,实现实验课程由传统模式向探究模式的转变,促进学生知识、思维、能力和素质的全面协调发展。     

各向异性本构关系的测量

为确定三种不同金属薄板材料的本构关系,进行了多种简单拉伸实验和平面应变实验,并应用了SIMPLEX数值拟合法.对应每种应变率的简单拉伸实验,都用几种不同的硬化模型进行了拟合.阶跃实验揭示了不同的应变率效应.通过比较简单拉伸曲线和平面应变曲线,证明对于这些实验材料,Hill的等向硬化新理论是一种比较合理的模型.综合各种因素而得到的本构关系及屈服准则,可用于国冲头类型冲压实验的有限元分析中.     

针刺复合织物拉伸性能有限元计算

根据针刺复合织物结构,分析其在拉伸过程中的内部应力场,说明拉伸应力应变预测计算的困难。织物拉伸变形时,随着应变逐渐增大,织物应力应变本构关系逐渐失去线弹性特点,而表现为纺织材料固有的粘弹性质,使织物拉伸变形具有物理非线性特点。讨论了具有这种特点的织物拉伸应力应变分析计算的有限元方法,并对该有限元方法的算法作出说明。计算结果与实验结果有较好的一致性。     

6016铝合金变形应变场研究新方法

以6016铝合金为研究对象进行等速拉伸实验,使用数字图像相关方法(Digital Image Correlation,DIC)对铝合金的拉伸过程进行定性表征,实验研究全应变场变化,并进行断口组织观察。采用多相机DIC系统得到了6016-T4铝合金的成形极限(Forming Limit,FL),定位了时间-应变关系曲线中的FL。