基于OBE理念的材料力学课堂教学改革

力学课程教学的主战场是课堂,课堂教学效果直接影响学生的学习成效。怎样做好课堂教学?以什么方式做好课堂教学?怎样使课堂教学达到预期的教学效果?是教师去探索、思考、实践的重要问题。基于OBE成果导向输出的教学理念,为进一步推进材料力学一流课程的建设,培养新时代人才,探讨并实施了概念分析设计、案例分析、学生研讨等课堂教学改革,并结合课外学情对课堂教学内容进行微调,经过教学实践检验效果良好。

竹纤维增强聚丙烯复合材料研究与应用进展

竹材是绿色、低碳、可降解生物质材料,是塑料的最佳替代品。竹纤维具有资源丰富、成本低、密度小、绿色环保、比强度高等特点,与聚丙烯复合形成的竹纤维增强聚丙烯复合材料兼有竹材和塑料的优点,是一种资源节约型和环境友好型材料,是“以竹代塑”产品开发的低碳材料来源。文中综述了竹纤维增强聚丙烯复合材料在材料特性、制备方法、性能测试等方面的研究进展,分析了目前的应用现状,提出了今后的研究重点及应用潜力,以期为“以竹代塑”创新产品研发提供参考。

基于交互作用积分的异种金属焊接区域裂纹扩展模拟方法

核电厂中存在大量的异种金属焊接区域,该区域内裂纹扩展的合理评价与核电厂安全运行密切相关。由于焊接区域材料具有显著的非均匀特点,传统的J积分理论在该区域不再具有守恒性,同时大量的运行经验反馈表明,在焊接区域裂纹扩展呈现出明显的偏折现象,传统基于Ⅰ型裂纹扩展的分析方法不再适用。为解决上述问题,本文建立了基于交互作用积分理论的异种金属焊接区域裂纹扩展模拟方法。通过交互作用积分的引入,能够准确计算焊接区域复合型裂纹的应力强度因子,采用最大周向应力等裂纹扩展准则后,能够快速实现裂纹扩展路径的预测。通过将本文方法与实验结果和解析解进行对比分析,验证了当前方法的精度和有效性。该方法的建立对焊接区域裂纹扩展模拟及核电设备安全分析评价具有重要意义。

反四手性负泊松比蜂窝面外双曲变形研究

针对反四手性负泊松比蜂窝面外变形快速求解问题,提出了一种利用数值拟合进行快速求解的方法。首先利用有限元分析软件对蜂窝的面外变形进行了求解,把结果数据分为训练数据及验证数据;然后使用最小二乘法对求解结果拟合,针对蜂窝面外变形的特点及量纲分析,构造了一个3参数的拟合方程,得到蜂窝对称轴上的拟合曲线。接着对求解结果及蜂窝尺寸参数进行二次拟合,得到蜂窝尺寸和变形曲线的关系,然后利用该关系对其他尺寸下蜂窝的变形曲线进行预测,并与验证数据进行对比。此后,对两段式非均匀蜂窝的面外变形也进行了仿真求解,利用均匀蜂窝的拟合结果及Logistic函数构造拟合函数进行拟合,并用拟合结果在其他尺寸下蜂窝的变形与验证数据进行对比。结果表明,拟合方程预测结果与仿真结果吻合良好。该数值方法可以运用于反四手性蜂窝变形预测与设计。

时间固定的两航天器追逃策略及数值求解

针对时间固定的两航天器追逃问题,基于微分对策理论研究了追逃双方的最优控制策略及求解方法。研究在两航天器均为连续小推力假设条件下,以终端距离为支付函数,追踪器希望支付最小,逃逸器希望支付最大,并考虑时变的轨道高度及时变的角速度建立对策模型,模型具有高维时变特征;由对策必要条件,对策研究最终转化为高维时变非线性两点边值问题的求解。提出采用多重打靶法和多目标遗传算法的混合算法,可以解决航天器追逃这类两点边值问题,并给出数值求解的具体方法。方法中,涉及边值问题中的协态变量初值估计时,采用多目标遗传算法给出初值估计,再由多重打靶法求两点边值问题的解。仿真实例表明:混合算法针对这类追逃问题,既能保证计算精度,又具有较好的鲁棒性,算例最终给出了追逃双方的最优控制策略和相应的追逃轨迹。

用于时变系统辨识的自由响应递推子空间方法

通过对自由响应数据组成的广义Hankel矩阵做满秩分解得到系统的广义能观阵,利用广义能观阵的性质估计系统矩阵,得到与特征系统实现算法(ERA)等同的子空间方法,然后使用投影估计子空间跟踪算法(PAST)替代奇异值分解,跟踪广义Hankel矩阵的左奇异向量矩阵的变化,从而跟踪系统参数的变化,得到了利用自由响应数据(或脉冲响应数据)的递推子空间方法。通过移动质量块-简支梁模型的仿真试验检验,该方法可以有效地辨识时变系统的参数变化,而且计算量小,跟踪精度高,对噪声不敏感。

具有线性介电常数的Ogden型介电弹性体的本构关系和机电稳定性

应用多材料常数的Ogden弹性应变能函数分析了介电弹性体的力学行为,研究了介电弹性体的机电稳定性.数值结果表明,通过对材料系数(如材料常数比和电致伸缩系数等)的恰当调节可以使得介电弹性体材料或介电弹性体结构更趋稳定.这些有益于深入理解介电弹性体的机电稳定性行为,进而设计恰当的介电弹性体器件.

形状记忆聚合物及其复合材料在航天领域的应用进展

首先介绍了形状记忆聚合物及其复合材料,概述了该类材料的形状记忆机理。然后重点评述了基于形状记忆聚合物复合材料的可展开铰链、可展开桁架、可展开太阳能电池阵列、锁紧释放机构的结构和性能特点,指出了各类应用的优缺点及适用条件。最后,总结并展望了基于该类材料的空间可展开结构的未来研究重点和发展趋势。

基于形状记忆聚合物复合材料航天航空可变形结构技术研究进展

形状记忆聚合物及其复合材料是一种在相应的外界刺激下可以在临时形状和初始形状之间进行切换的智能材料,具有低密度、低成本、可回复变形大,刺激方式可控等优点,在航天航空领域,如:空间可展开结构、锁紧释放机构、变体等,展现出来了巨大的应用潜力。这些应用大多处于开发阶段,一部分完成了地面功能验证,少部分进行了航天实验。本文首先总结了形状记忆聚合物(SMP)和形状记忆聚合物复合材料(SMPC)的分类,以及恶劣的空间环境因素下SMP的性能变化。随后总结了SMPC的空间可展开结构,包括:铰链、桁架、太阳能电池阵;SMPC的解锁释放结构;SMPC的变体结构以及基于4D打印的SMPC可展开结构的潜在应用。最后,对形状记忆材料和结构的发展前景进行了展望。

用于线性时变系统辨识的固定长度平移窗投影估计递推子空间方法

给出了一个新的用于线性时变参数结构系统模态参数识别的基于固定长度平移窗投影估计的递推子空间方法。首先推得基于平移窗投影估计的子空间跟踪算法,以代替奇异值分解,再推得系统数据矩阵的一阶修正形式,从而得到新的基于平移窗投影估计的递推子空间方法。该方法可有效地降低算法的计算量。最后通过刚度随时间变化的3自由度系统和一具有移动质量的机械臂系统的时变模态频率辨识仿真表明该方法可有效地辨识线性时变系统的伪模态参数。

Si晶体中螺位错滑移特性的分子动力学

在保持Si晶体模型完全周期性的边界条件下,采用位错偶极子模型在其内部建立一对螺位错.通过Parrinello-Rahman方法对模型施加剪应力,并应用分子动力学计算位错运动速度及交滑移的发生与外加剪应力间的关系.在此基础上进一步研究晶体内的空位缺陷对螺位错运动的影响.结果表明,在位错滑移面上的六边形环状空位聚集体可加速螺位错的运动,并且螺位错能通过交滑移跨越该空位缺陷,避免产生钉扎现象.揭示了低温层中大量存在的空位缺陷是降低位错密度的原因.

声电效应测井电声比及其与地层渗透率的关系

基于流体饱和孔隙介质中声波-电磁场耦合效应的测井方法具有潜在的应用价值.本文从Pride动电耦合波方程组入手,推导了伴随斯通利波的井孔电场与声压比值(电声比)的频率域表达式.结果表明,在较低频率条件下,电声比幅角的正切值与渗透率呈反比.在此基础上,提出了利用低频的声电效应测井全波反演地层渗透率的方法.针对砂岩地层,从计算模拟的声电效应测井响应反演出了渗透率,其值比利用声波测井斯通利波反演的渗透率更接近真实值.

基于时变NARMA模型的非线性时变系统辨识

在非线性自回归滑动平均模型NARMA(NonlinearAutoRegressiveMovingAverage)中引入时间变量,将其扩展为时变NARMA模型,用Taylor展开将模型中的非线性函数展开为关于输入输出的多项式,得到关于参数线性时变的多项式形式的时变NARMA模型,再用基序列拟合模型的时变参数得到关于参数线性时不变的模型,最后用递推最小二乘法估计模型参数。仿真算例证明,与小波网络方法相比,辨识精度高,计算量小。

利用NARMA模型辨识非线性时变结构系统

为了有效地进行非线性时变结构系统的辨识,提出了一种基于Kalman滤波算法的利用时变非线性自回归滑动平均模型的用于非线性时变结构系统辨识的新方法.首先,利用线性变换将非线性时不变结构系统的动力学模型转化为非线性自回归滑动平均模型,然后,将非线性项展开为系统输出数据的多项式的形式.利用短时时不变假设,通过改变模型参数跟踪系统参数的变化,将非线性时变系统的辨识问题转化为线性时变系统的辨识问题.建立系统参数的随机游动模型,引入Kalman滤波算法估计系统的参数,实现对非线性时变结构系统的辨识.最后对一个具有非线性时变刚度的三自由度结构系统进行了仿真,结果表明:该方法可以有效地跟踪非线性时变结构系统的参数变化.遗忘因子的对比试验表明只有选择合适的遗忘因子才能得到合理的结果.

苯乙烯基形状记忆聚合物热力学行为的有限元分析

对苯乙烯基形状记忆聚合物进行了拉伸实验研究,测定了该材料在25℃、30℃、40℃和50℃时的弹性模量和屈服极限.根据实验结果,建立了苯乙烯基形状记忆聚合物的材料参数方程,描述了苯乙烯基形状记忆聚合物在玻璃体转化过程中,材料参数和温度的关系.在假设形状记忆聚合物为各向同性材料的基础上,将Tobushi等建立的热力学本构方程从一维扩展到三维.基于有限元分析软件ABAQUS的二次开发功能,针对上述本构方程和材料参数方程,编写了可供ABAQUS调用的UMAT函数,并对苯乙烯基形状记忆聚合物实现形状记忆效应的高温变形、应力冻结和形状恢复等热力学过程,进行了有限元数值模拟分析.

Si晶体中60°位错与空位缺陷相互作用的分子动力学研究

为了研究晶格常数不匹配的异质结结构(Si1-xGex/Si)在生长过程中低温缓冲层内的位错运动特性,在Si晶体中建立了60°位错偶极子,以及相对于位错不同空间位置的5种六边形环状空位缺陷模型.基于分子动力学理论,并通过Parrinello-Rahman方法施加剪应力使位错运动,研究了不同空间位置空位缺陷对于60°位错运动的影响,发现各种类型的空位缺陷均会阻碍位错运动,导致位错线弯曲,而位错远离空位缺陷的部分在交会过程中出现了先加速、后减速的现象.模拟结果表明:使位错不被钉扎住的临界外加剪应力随着温度的上升而减小,在上述模型中当温度达到300K以上就稳定于0.6 GPa附近,小于SiGe体系中的失配应力,说明空位缺陷不会成为60°位错的钉扎点,仅会对其运动产生迟滞.

纳米薄膜润滑及其改性的分子动力学模拟

研究了纯正十三烷和含有摩尔分数为10％的多面体倍半硅氧烷材料T8H8的正十三烷两种润滑膜在不同剪切速率下的纳米薄膜润滑行为。首先建立了长链分子间的作用力模型,接着运用分子动力学模拟的方法得到了两种润滑膜分别在1 m／s、5 m／s、10 m／s和20 m／s四种不同剪切速率下所受到的平均剪应力以及沿着膜厚方向的速度、密度和平均温度分布,考察了一些特殊的物理现象。结果表明:分层和层间滑移现象在两种润滑膜的各种剪切速率下都会发生,是纳米薄膜润滑中的普遍现象;随着剪切速率的不断增加,两种润滑膜内部的温度都在不断升高。在各种剪切速率下,润滑膜中心层的温度总是达到最高值;T8H8加入到纯正十三烷中能显著降低润滑膜所受到的剪切应力和内部产生的温度,达到改善润滑剂润滑效果的作用。

Si晶体中60°位错运动的分子动力学研究

在S i晶体中建立了60°位错偶极子模型并通过Parrinello-Rahm an方法施加剪应力,使用分子动力学方法研究了60°位错在不同的温度和剪应力作用下的运动特性。观察到了位错速度与剪应力成正比关系;而温度对位错速度的影响,随着外加剪应力的不同呈现出三种趋势:(1)低剪应力作用下,位错速度与温度成正比关系;(2)剪应力达到0.6GPa附近时,位错速度与温度呈反比关系,声子拖动效应开始起作用;(3)当剪应力达到2GPa时,位错速度稳定在某一特定值,不再明显随温度的变化而变化。

纳米薄膜润滑的分子动力学模拟

针对广泛存在于微机电系统和精密机械中的纳米薄膜润滑问题,首先建立了作为润滑剂的正十六烷长链分子间的作用力模型;接着运用分子动力学模拟的方法得到了润滑剂在6种不同的剪切速率下的应力、速度和温度分布;研究了摩擦过程中特殊的物理现象.结果表明:随着剪切速率的变化,润滑剂的温度和所受到的剪切应力不断变化;润滑剂的分层和层间滑移现象在各种剪切速率下都会发生,是纳米薄膜润滑中的普遍现象.此研究对理解和研究纳米润滑薄膜的作用机理有促进作用.

β-SiC纳米线增强POSS复合树脂的力学性能研究

目的:研究β-SiC纳米线的不同添加量对POSS复合树脂力学性能的影响。方法:将质量分数分别为0、0.5、1.0、1.5的β-SiC纳米线作为添加剂加入poss复合树脂。对各组试件的硬度、弹性模量、耐磨性等力学参数进行测试,对实验数据进行统计学分析。结果:统计学分析结果表明,0.5%组的硬度值、弹性模量值最高,划痕深度值最小,与其他各组比较,差异均有统计学意义(P<0.05)。结论:添加适量β-SiC纳米线可以显著增加POSS树脂的机械性能。