基于虚场法的视乳头黏弹性材料属性测量

目的视乳头(ONH)是视神经进入眼球的关键部位,其生物力学特性与青光眼的发病风险高度相关。本研究旨在利用虚拟场方法(VFM)测量组织的黏弹性材料特性,以自然变化的眼压脉动作为载荷。方法首先,利用模拟数据来检验VFM提取ONH黏弹性特性的有效性。构建了包括ONH的全眼有限元模型,并施加眼压脉动载荷,同时设定一阶解耦Maxwell黏弹性模型的本构参数作为基准值。通过有限元分析得到的位移数据输入VFM程序,对比VFM的计算结果与基准值,以验证VFM的准确性。此外,还采用了不同频率的眼压脉动,以评估VFM对应变率的依赖性。最后,使用低相干组织干涉测量技术(LCTI)获取的在体位移数据,进一步证实了VFM在临床应用中的有效性。结果使用VFM,成功提取了ONH组织的黏弹性特性。研究发现,结合60、90和120次/min(BPM)3种眼压脉动频率的数据,能够增强VFM的稳健性。结论本研究证明,使用眼压脉动作为自然载荷提取ONH黏弹性材料特性是可行的。虽然单一频率已足够提供结果,但多频率数据的结合使得方法更加稳健。将此技术应用于临床,测量患者的ONH黏弹性特性,有助于未来青光眼的诊断和治疗策略的优化。

基于RVE方法的炭黑填充黏弹性材料力学行为研究

黏弹性材料在消声降噪、精密仪器减振和建筑结构防震减灾等领域存在较多应用。炭黑、白炭黑等填料体系是黏弹性材料的重要组成部分。该文采用随机序列吸附方法,建立了不同体积炭黑填充黏弹性材料的代表体积单元(RVE)模型,基于有效体积分数对有限元模型进行修正,从细观尺度对不同体积分数炭黑填充黏弹性材料的弹性力学行为和动态耗能指标进行了计算分析,与经验值和试验结果进行了对比验证。结果表明:采用有效体积分数建模时,RVE方法计算得到不同体积分数下炭黑填充黏弹性材料的应力-应变曲线、动态耗能指标均能与试验和理论结果较好吻合。

基于有限元法的黏弹性材料低频超声场分析

由于黏弹性材料对入射声波具有较为明显的吸收作用,与常见的弹性材料相比,黏弹性材料中波的传播比较复杂。为了研究其在低频超声作用下的不同厚度黏弹性响应特征,基于黏弹性介质中波传播的控制方程,得到了波传播规律中的理论公式;并在此基础上,分别仿真了材料厚度远小于、略小于、等于、略大于以及远大于所选低频超声波长的五种情况,并据此分析了不同厚度下此种黏弹性介质的应力情况。仿真结果表明:1)随着介质厚度的不断增加,黏弹性材料的黏性随之增大,所选低频超声穿过试块时,在试块相同位置的探针点所接收到的响应也随厚度增加而衰减,衰减态势呈线性。2)在材料厚度与所选低频超声波长差异过大时,将导致仿真无波形或者波形无变化等极端情况。由此可知,随着厚度的增加,细微观结构产生的黏性也随之线性增加,对于低频超声吸收作用不可忽略。

基于黏弹性材料的直齿圆柱齿轮轴系降噪研究

为了降低直齿圆柱齿轮端面的辐射和传导噪声,在前人研究的基础上,选用具有黏弹性特性的高分子材料——丙烯酸酯和聚氨酯,分别将其尽可能均匀地涂抹在直齿圆柱齿轮的两侧端面,对比了涂抹不同材料、不同涂抹厚度的降噪结果。试验结果表明,选用的高分子材料均能够降低直齿圆柱齿轮的辐射噪声;在一定厚度范围内,降噪幅度随材料涂抹厚度的增加而增加。

黏弹性材料动态力学性能的分数阶时温等效模型与验证

为构造一种更加精准的黏弹性时温等效模型,基于黏弹性阻尼材料的分数阶本构关系和Vogel-Fulcher-Tammann黏度方程,结合WLF(Williams-Landel-Ferry)方程,提出了黏弹性阻尼材料动态力学性能的分数阶时温等效模型(fractional time-temperature superposition model,FTTSM),导出频率转化因子,并给出参数识别方法。在DMA(dynamic thermomechanical analysis)试验数据的基础上,对比研究了FTTSM和WLF两种模型,并应用分数阶Kelvin-Voigt模型对二者在参考温度5℃的主曲线进行了验证。结果表明,FTTSM和WLF所表征的频率转化因子在温度范围(–80~80℃)内最大相对误差为0.984 4%,FTTSM主曲线和WLF主曲线相对于Kelvin-Voigt模型理论预测值的均方根误差(RMSE)分别为1.291和1.834 MPa,验证了FTTSM的精确性。另外FTTSM主曲线扩展的最低频域低于WLF主曲线2个数量级,证明FTTSM对黏弹性动态力学特性具有更广泛的预测能力。为黏弹性材料动态性能预测、物理老化、蠕变损伤演化机理等研究提供理论参考。

采用压电和黏弹性材料的杂交阻尼控制的研究

杂交阻尼控制技术是许多工程结构减振和改善性能的重要方法之一.本文主要从杂交阻尼结构的几个特征方面:阻尼结构形式、建模假设、黏弹性材料建模、响应分析方法、控制方法、参数研究和结构选择来研究杂交阻尼结构的研究进展和主要研究成果.研究发现绝大多数的文献只局限于研究梁板的问题.因此很有必要加强对壳体等复杂结构的研究.最后文中指出了有关杂交阻尼结构继续发展的有待深入研究的几个方面。

开槽填充黏弹性材料对圆锯片振动的影响分析

为了揭示开槽填充黏弹性材料对锯片振动特性的影响规律,分别对无槽及开槽填充材料两种锯片模型的阻尼以及动态响应特性进行比较研究.首先,基于模态应变能法计算锯片模态阻尼比,利用Rayleigh阻尼表征模型结构阻尼,获得2种锯片模型的模态阻尼常数;然后,建立锯片有限元瞬态动力学分析模型,得出2种锯片模型的振动响应及衰减历程曲线,分析开槽填充材料对锯片振动的影响;最后,针对2种锯片进行试验模态分析,获得振动响应曲线,对比数值分析结果与试验数据曲线,两者吻合良好,证明了有限元数值分析的可靠性.结果表明:在相同的动力学条件下,开槽填充材料会显著降低锯片上质点的振动速度,缩短锯片振动的衰减历程.研究结果为开槽低噪声锯片的结构创新设计与开发提供了有效的理论依据.

压电-黏弹性材料混合隔振器的设计与研究

为了降低振动载荷对结构的影响,以叠层式压电作动器作为主动隔振元件,以黏弹性材料作为主体设计被动隔振元件,提出了一种新型混合隔振器。以模拟刚体卫星为研究对象,建立了整星混合隔振系统的动力学模型,对混合隔振器的隔振原理进行了理论分析和数值仿真,在此基础上,利用单输入多输出PID控制方法设计主动控制器,对模拟刚体卫星混合隔振系统进行了试验研究。仿真和试验结果表明,与单纯被动隔振器相比,混合隔振器能够有效降低传递到结构上的振动载荷,特别是在结构固有频率附近隔振效果更加明显,从而显著提高了结构的安全性和可靠性。

基于反射系数测量的黏弹性材料动态力学参数反演方法

提出一种通过测量声学覆盖层的反射系数,并反演黏弹性材料动态力学参数的方法。分别测量圆柱空腔覆盖层在两种不同背衬条件下的反射系数,根据圆柱空腔覆盖层反射系数与其材料动态力学参数之间的解析关系,利用二元非线性方程组求根的牛顿迭代法,求解方程组可以获得黏弹性材料的复纵波声速和复剪切波声速,进而计算复杨氏模量和复泊松比等其它黏弹性动态力学参数。最后,对某种橡胶材料进行了声管测试,并对黏弹性动态力学参数的测量结果进行了分析和讨论。

基于有限元法的黏弹性材料动态力学参数测量方法

提出一种通过测量黏弹性空腔覆盖层反射系数,结合有限元法计算黏弹性材料动态力学参数的方法。分别测量黏弹性空腔覆盖层在两种不同背衬条件下的反射系数,并根据黏弹性空腔覆盖层反射系数的有限元计算模型,建立求解黏弹性材料动态力学参数的二元方程组。利用二元非线性方程组求根的牛顿迭代法,求解方程组可以获得黏弹性材料的复纵波声速和复剪切波声速,进而计算复弹性模量和复泊松比等其他黏弹性动态力学参数。在水声声管中采用双水听器法测量某种聚氨酯材料样品的反射系数,获得了黏弹性材料的动态力学参数,并讨论试验误差对结果的影响:当双水听器的幅值不一致时,对复弹性模量和复泊松比实部的影响较大;当双水听器的相位不一致时,主要影响复弹性模量和复泊松比实部的损耗因子。

黏弹性材料界面裂纹应力场奇性分析

研究两半无限大黏弹性体间Griffith界面裂纹在简谐载荷作用下裂纹尖端动应力场的奇异特性.通过引入裂纹张开位移和裂纹位错密度函数,相应的混合边值问题归结为一组耦合的奇异积分方程.渐近分析表明裂尖动应力场的奇异特征完全包含在奇异积分方程的基本解中.通过对基本解的深入分析发现黏弹性材料界面裂纹裂尖动应力场具有与材料参数和外载荷频率相关的振荡奇异特性.以标准线性固体黏弹材料为例讨论了材料参数和载荷频率对奇性指数和振荡指数的影响.

黏弹性材料等效标准固体模型的时域延拓方法

为了精确计算黏弹性阻尼器在任意荷载作用下的时域动力响应,提出了一种针对黏弹性材料等效标准固体模型的时域延拓方法.该方法首先将频域内的等效标准固体模型延拓到拉氏域内,再采用高精度拉氏逆变换数值求解方法将拉氏域表达式转换到时域,得到黏弹性阻尼器的时域动力响应.针对无锡减震器厂生产的9050A型号黏弹性阻尼材料的计算结果表明:在正弦激励下,采用时域延拓法计算的储能模量G1的最大误差为0.005 4%,损耗因子η的最大误差为0.279 7%?在随机荷载激励下,相比于等效线性化近似方法,采用时域延拓法计算得到的El Centro和Kobe地震波作用下最大出力的计算精度提高22.2%以上?所提方法避免建立复杂的时域微分方程,简化了计算过程.

刚性-黏弹性材料界面Ⅱ型动态扩展裂纹的尖端场

裂纹尖端渐近场的研究是断裂力学研究的重要课题之一.为了研究黏性效应作用下的界面动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了刚性-粘弹性材料界面II型动态扩展裂纹的力学模型;在稳态蠕变阶段,弹性变形和粘性变形同时在裂纹尖端场中占主导地位,应力和应变具有相同的奇异量级,即(σ,ε)∝r-1(n-1).结合运动和协调方程,推导出黏弹性材料动态扩展裂尖场的控制方程.根据问题的边界条件和连续条件,通过数值计算,得到了裂纹尖端连续的分离变量形式的应力、应变和位移场.数值计算表明,裂纹尖端场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制,这为解决工程实践中所遇到的相应的问题和建立材料的破坏准则提供理论参考.

基于扫频响应反推黏弹性材料分数阶导数模型

提出了基于测试获得的扫频响应反推黏弹性材料分数阶导数模型参数的方法。在同时考虑黏弹性材料阻尼和剩余等效黏性阻尼的基础上,建立了基础激励作用下黏弹性复合板动力学方程,给出了求解振动响应的方法。提出利用基于灵敏度的匹配计算实现分数阶导数模型参数辨识的方法。以贴敷ZN-1型黏弹性材料的悬臂钛板为例,辨识得到了该黏弹性材料的分数阶导数模型。将结果代入到黏弹性阻尼板振动响应分析模型中,通过理论与实验的对比,证明了辨识参数的合理性。

基于分子动力学模拟的天然橡胶黏弹性材料力学行为

以天然橡胶为例,采用分子动力学模拟方法,研究了单轴拉伸条件下材料分子链聚合度参数p、环境温度T和加载率R对黏弹性材料力学性能的影响.结果表明,材料应力随分子链聚合度和加载率的增加而增加,随温度的升高而降低,低温高频下材料呈现出塑性特点.在R=10^(8)s^(-1),T=250 K的条件下,p=20,40时,材料应力峰值分别为79.8和99.8 MPa;当p=40,R=10^(10)s^(-1)时,T=100,250 K条件下,应力幅值分别为134.9和103.9 MPa;在p=40,T=250 K情况下,R=10^(9),10^(10)s^(-1)时,应力峰值分别为122.7和134.9 MPa.在加载过程中,非键结势能对系统总势能的变化起主导作用,分子动力学模拟方法可以较好地分析分子链聚合度、环境温度和加载率等参数对黏弹性材料应力、系统能量和自由体积变化的影响.

谱有限元模拟正交各向异性黏弹性材料中导波传播特性

研究了导波在正交各向异性黏弹性复合板中传播的色散特性、波结构及功率流密度。基于二维平面运动方程,采用谱有限元方法得到了导波色散的特征方程。分析了正交各向异性黏弹性板中各向异性和黏性对能量速度和波结构的影响,以及基底对导波功率流密度的影响。数值研究结果表明:导波沿纤维方向传播的能量速度大,材料的黏性对速度影响较小,但会减小波结构的幅度;在高频时,基底的存在使两个基本模态的功率流密度分别集中到波导的上下表面,形成弱色散、高衰减及无色散、零衰减的表面波。数值模拟结果为导波用于复合材料定量无损检测和性能评价提供理论依据。

黏弹性材料等效分数阶微观结构标准线性固体模型

从黏弹性材料微观链结构出发,以橡胶基黏弹性材料超弹性理论分子网链高斯(Gauss)统计模型和黏滞流动理论为基础,研究黏弹性材料的微观结构、填料等对黏弹性性能的影响.用温频等效原理描述温度对黏弹性材料力学性能的影响,建立了可以有效描述黏弹性材料耗能特性的等效分数阶微观结构标准线性固体模型.采用动态热机械分析仪(DMA)对高聚物黏弹性材料力学性能、耗能能力进行测试.试验表明:在低温区域,储能模量较大,随着温度的升高,储能模量下降显著;能量损耗因子在高温和低温区域数值较小,在玻璃化转变温度附近数值较高.根据测试数据对所提等效分数阶微观结构标准线性固体模型进行验证,该力学模型能够较好地描述黏弹性材料储能模量和能量损耗因子随温度的变化趋势.用9050A和ZN22黏弹性材料对模型的有效性进一步验证,结果表明:9050A和ZN22黏弹性材料具有较好的耗能能力,所提出的等效分数阶微观结构标准线性固体模型能够准确地描述微观结构和填料对黏弹性材料宏观性能的影响,能够准确地描述黏弹性材料在不同温度和频率下的动态力学性能.

梯度密度黏弹性材料的波传播研究

梯度密度黏弹性材料中波的传播比较复杂。为了研究其在冲击载荷作用下黏弹性响应特征,基于控制方程的Euler形式,利用Laplace变换,得到了这种材料中的波传播规律的一个理论公式;并据此分析了双层周期性黏弹性介质中的应力情况。选择具有梯度密度特性的钛-硼化钛(Ti-TiB2)材料和碳纤维树脂材料,采用不同的叠合方向和方式,利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)加载装置进行了动态冲击实验,并用三波法对得到的实验结果进行处理。同时,采用数值Laplace逆变换方法,结合SHPB测得的入射波与透射波数据,使用推导的理论公式计算出理论解,并与实验结果进行了比较。结果表明:(1)梯度钛-硼化钛材料由于内界面和叠层界面的存在,表现出一定的黏性特性;单层Ti-TiB2材料的计算结果和三波法分析得到的结果基本一致,双层Ti-TiB2材料叠合后的计算结果与三波法分析结果存在一定的差异。(2)双层碳纤维树脂材料表现出较强的黏弹性特征,应力波的衰减幅度较大,三波法分析结果与该材料的冲击性能有较大的差异。由此可知,无论是细微观结构特征产生的黏性,还是材料本身的黏性,对材料动力学行为的影响都不可忽略。。

黏弹性材料复模量和复柔量的分数阶微积分表述

在分数阶微积分的理论框架下,将分形动力学的机制引入到生物黏弹性本构方程的研究中.应用广义分数阶单元网络方法,取消Schiessel等人对分数阶单元网络所做的参数限制,考察了黏弹性体的复模量、复柔量问题,将模型解的构造扩充至广义函数空间,从而给出更多具有明显物理意义的解.

基于Havriliak-Negami模型的黏弹性材料吸声性能优化

通过构建Havriliak-Negami模型并使用分层介质模型对黏弹性材料的动态力学参数进行优化,以提升其低频吸声性能。研究结果表明,在频率为1~6 kHz内、厚1 cm钢背衬条件下,厚5 cm橡胶材料的复杨氏模量优化后可实现平均吸声系数达到0.90。同等厚度条件下,具有不同驰豫时间的多层橡胶材料优化后可实现更加均匀的有效吸声。