考虑夹杂相互作用的复合陶瓷夹杂界面的断裂分析

复合材料中夹杂含量较高时,夹杂间的相互作用能显著改变材料细观应力应变场分布,基体和夹杂中的平均应力应变水平也会发生较大变化,导致复合材料强度等力学性能发生显著变化.为修正单一夹杂模型运用在实际材料中的误差,基于相互作用直推估计法,建立一种考虑含夹杂相互作用的夹杂界面裂纹开裂模型.首先根据相互作用直推估计法,得到残余应力和外载应力共同作用下夹杂中的平均应力,再计算无限大基体中相同的夹杂达到相同应力场时的等效加载应力,将此加载应力作为含界面裂纹夹杂的等效应力边界条件,在此边界条件下求得界面裂纹尖端的应力强度因子,进而得到界面裂纹开裂的极限加载条件,并分析了夹杂弹性性能、含量、热残余应力、夹杂尺寸等因素对界面裂纹开裂条件的影响.结果表明,方法能够有效修正单夹杂模型运用在实际材料中的误差,较大的残余应力对界面裂纹开裂有重要的影响,夹杂刚度的影响并非单调且比较复杂;在残余应力较小时,降低柔性夹杂刚度或者增大刚性夹杂刚度都有利于提高材料强度;扩大夹杂尺寸将导致裂纹开裂极限应力显著降低,从而降低材料强度.

颗粒缺陷相互作用下复合材料的细观损伤模型

含尖角的非椭球颗粒附近应力集中较大,诱导缺陷形成裂纹是材料损伤的重要来源.对于强界面颗粒,大刚度颗粒诱导裂纹向基体中扩展形成近似平面片状裂纹,认为诱导裂纹受颗粒应力附近应力场控制,基于有效自洽理论建立了材料细观损伤模型,得到了单向拉伸下的损伤演化,并分析了颗粒形状、尺寸、颗粒性能以及颗粒与初始缺陷相对位置等因素对材料损伤的影响.结果表明,非椭球颗粒更易诱发裂纹,同样外载应力下,损伤程度更大,含非椭球颗粒材料强度更低;含扁平型的颗粒材料裂纹损伤过程更加明显并且材料强度更大;提高颗粒刚度和含量能够增大材料强度.材料中存在尺寸过大或过小的初始裂纹时材料损伤过程不明显.

含固有缺陷复合材料有效弹性性能预报

根据缺陷在复合陶瓷中分布特点,将缺陷简化为刚度为0的椭球夹杂,嵌入到横观各向同性基体中,建立含缺陷复合材料的细观结构模型。应用相互作用直推估计法推导含缺陷胞元的有效刚度,结合刚度体平均化方法,假设胞元空间随机分布,得到复合材料的等效刚度表达式,分析横观各向同性基体中缺陷体积分数、取向和形状对材料等效刚度的影响,并进一步讨论缺陷周围基体各向异性的影响。结果表明,缺陷存在导致材料弹性性能明显降低,在缺陷体积分数较小时,弹性常数对缺陷体积分数更加敏感;缺陷形状对弹性常数有较大影响,当缺陷接近于薄片状时,缺陷厚度对弹性常数影响明显,而缺陷平面形状对弹性常数基本没有影响;当片状缺陷垂直于基体中弹性模量较大的轴时,缺陷对材料有效性能的降低作用更显著,考虑缺陷周围基体各向异性是很有必要的。

含片状缺陷共晶复合陶瓷的细观强度模型

根据缺陷在共晶复合陶瓷中的分布特点,假设缺陷为片状、缺陷周围介质为横观各向同性,建立了含缺陷共晶复合材料的细观力学模型;根据损伤理论定义了胞元等效外载应力场,依据等效夹杂理论得到了含缺陷各向异性基体复合材料Griffith强度,考虑缺陷的空间分布随机性得到了复合材料强度与缺陷尺寸、缺陷体积含量等参数的关系。结果表明:强度与缺陷半径的-1/2次方成线性关系,且缺陷尺寸较小时强度变化明显;片状缺陷体积含量对强度影响显著,尤其当缺陷含量小于3%时,少量缺陷即可造成强度极大地下降;缺陷形状及基体的各向异性对强度也有着重要影响,各向同性基体中片状缺陷不为圆形时,缺陷始终从短轴开始扩展,各向异性基体中片状缺陷为圆形时,则缺陷首先从弹性模量大的方向上扩展,最终缺陷形状和弹性模量满足特定的比例关系。

含强约束界面相共晶复合陶瓷的有效热膨胀系数

基于共晶复合陶瓷的细观结构特点,建立了含夹杂、强约束界面相、基体氛围和有效介质的四相模型;借助复合材料有效热膨胀系数的稀疏解,确定了棒状共晶体内的有效热应力场和两个热膨胀系数的解析表达式;将棒状共晶体看作具有随机方位的横观各向同性夹杂,将棒状共晶体边界处的基体颗粒看作球形的各向同性夹杂,对含强约束界面相共晶复合陶瓷的有效热膨胀系数进行了预报。结果表明共晶复合陶瓷的有效热膨胀系数具有明显的尺度效应。

复合陶瓷含片状夹杂共晶体的理论断裂强度

应用四相模型法研究含片状夹杂复合共晶体的细观应力场．在基体、界面相和片状夹杂为各向同性的条件下，得到细观应力分布规律，并表现出明显的尺度效应．应用位错塞积理论研究片状夹杂内的位错运动，通过两相界面处位错塞积产生的应力集中确定其在基体内产生的最大张应力，导致基体首先被破坏失效，当基体内最大张应力等于分子理论的断裂强度时，得到共晶体断裂强度的理论表达式．结果表明：含片状夹杂共晶复合陶瓷强度随夹杂厚度增加而减小．

急流孤岛救援系统的创新设计

提出并设计了一种新型的急流救援系统。采用"水驱动、杆定位、绳控制、船救人"的创新思路,实现快速救出急流孤岛被困人员的目的。系统分为固定模块、定位模块、控制模块和救援船模块4个部分。分别介绍充气折叠船、定位杆件和绞盘导向轮的设计和理论计算过程。制作实体模型进行救援模拟,验证系统可行性。该系统结构简单可靠,采用模块化设计,便于搬运和现场组装,并且不需要额外动力,适应性强,具有良好的实用性和推广价值。

含三角对称分布共晶团复合陶瓷力学性能研究

从Al2O3/ZrO2(4Y)自生复合陶瓷棒状共晶团的生长机理出发,研究了三角对称分布棒状共晶团的力学性能。基于相互作用直推法,先求得三角对称分布棒状共晶团每一组分的力学性能,然后通过坐标变换求得了整个棒状共晶团的力学性能。对棒状共晶团进行了随机均匀化处理,在考虑Al2O3块晶和ZrO2颗粒夹杂的情况下,求解了复合陶瓷的力学性能。计算中将Al2O3块晶视为椭球,通过三主轴比值的变化近似地模拟了任意形状的Al2O3块晶夹杂;计算了三个主轴的长度比变化时对复合陶瓷材料弹性性质的影响,并与实验结果进行了比较。研究表明:三角对称分布棒状共晶团每一组分呈横观各向同性,其弹性模量与ZrO2纤维的体积含量呈线性关系;三角对称分布棒状共晶团亦为横观各向同性,其在垂直[0001]晶向的平面内力学性质是完全对称的,与平面内坐标选取无关;随Al2O3块晶三个主轴长度比的变化,弹性模量的最大值与最小值相差3.1%。

含损伤共晶体复合陶瓷的损伤强度模型与应用

复合共晶体的断裂是开始于危险点的微观损伤的累积结果。其损伤特征与复合共晶体内纤维的分布形式有关。基于损伤余自由能表达式,定义纵向、横向和剪切三个损伤变量;根据含同向平行纤维复合共晶体的微观结构特性,确定损伤变量表达式,并计算损伤柔度张量。基于损伤柔度张量和复合共晶体的局部应力场,分析损伤应变场的分布规律并确定最大损伤应变;依据最大线应变理论,定义加载函数,建立含同向平行纤维复合共晶体的损伤强度模型。依据无损共晶基复合材料的强度预报公式,确定共晶体损伤时复相陶瓷的宏观断裂强度,并分析宏观断裂强度的尺度效应。结果表明,复合陶瓷的断裂强度随共晶体损伤程度的增加而降低,并且损伤变量越大,断裂强度的尺度效应范围越小。

含棒状共晶团复合陶瓷细观强度模型研究

以剪滞法为基础推导了棒状共晶团外加远场拉伸应力与共晶团界面极限剪应力、共晶团体积含量、共晶团长径比之间关系的解析表达式,进而得到含棒状共晶团复合材料的拉伸强度与基体极限剪应力之间的理论表达式。计算过程中将共晶团长径比的概率统计分布规律引入到计算模型中,并考虑了棒状共晶团方位的随机分布。定义了共晶团达到最大剪应力的共晶团长度占共晶团整个长度的比值β,当加权平均的β值超过材料的许用值[β]时,材料发生剪切破坏。[β]的取值由材料自身的性质决定,可以通过试验确定。分析了复合材料的[β]的取值与其强度的关系,并在MATLAB中实现了编程计算。

含弧形裂纹复合陶瓷强度的尺度效应

认为含弧形裂纹复合陶瓷由随机方向的三相胞元与有效介质构成,用细观力学的方法研究了复合陶瓷的损伤失效和强度。首先确定三相胞元的外载应变,再依据复合陶瓷在损伤过程中的细观应力场和广义热力学力,计算出三相胞元内基体和颗粒的损伤等效应力,当基体和颗粒的损伤等效应力分别等于两者的极限应力时,得到基体和颗粒的破坏应力。然后,根据混合型应力强度因子计算弧形裂纹扩展时的能量释放率,进而得到界面的破坏应力。最后综合考虑基体、颗粒和和界面损伤影响,获得含弧形裂纹复合陶瓷的宏观强度及其尺度效应。

共晶基复相陶瓷中缺陷的稳定性分析

共晶基复相陶瓷材料中,不同相间的热膨胀系数的差异产生的缺陷是降低材料强度的重要因素。基于等效夹杂理论和相互作用直推估计法,计算得到颗粒周围缺陷在热残余应力和外载应力作用下的应力强度因子,研究了缺陷的扩展稳定性,并分析了颗粒刚度、形状、含量等参数对扩展稳定性的影响规律。结果显示:扁平形的颗粒环向最容易产生热裂纹;刚性颗粒能够在一定程度上降低外载应力在基体中平均作用效果,且长椭球状刚性颗粒的降低程度要大于扁椭球颗粒,因此有利于缺陷的稳定,柔性颗粒作用相反;当缺陷扩展量很小,应力强度因子主要受残余应力控制,缺陷扩展量较大时,应力强度因子主要受基体平均应力控制,长椭球形柔性颗粒有利于提高材料强度。

面向多工况设备故障诊断的改进灰色关联分析法

针对传统灰色关联分析法不能直接应用于多工况设备故障诊断、不能进行关联度趋势分析、典型故障标准数据序列难以建立等缺点,提出了一种改进灰色关联分析方法。该方法根据设备控制参数区分不同工况,在不同工况下分别进行灰色关联分析;通过改进关联系数计算方法,使不同待检序列的灰色关联度具有可比较性,并据此提出了关联度趋势分析法;结合关联度趋势分析,使用关联度阈值对设备异常工作状态进行诊断,解决了典型故障标准数据序列难以建立的问题。以航天发射场常规推进剂加注泵气缚故障诊断为例,说明了该方法的具体应用步骤,结果表明了该方法的可行性和有效性。和传统方法比,该方法适用于多工况设备,能够进行关联度趋势分析,具有广泛的应用范围和较大的应用价值。

304不锈钢焊缝附近的点蚀损伤发展规律

在Simufact Welding软件中模拟了304不锈钢管路焊接过程,得到了焊缝附近外表面残余应力分布情况,在ABAQUS软件中分析了单个点蚀坑中的应力集中程度,分析了应力集中系数与点蚀坑形状的关系,在此基础上,提出了应力作用下点蚀速率和点蚀坑形状的变化规律。结果表明:应力作用下,试样的腐蚀倾向和腐蚀速率均增加;受应力影响,点蚀坑通常在垂直于主应力的方向发展更快,可能逐渐形成垂直于主应力的扁平型点蚀坑甚至发展成为裂纹;应力必须要达到一定数值才会对腐蚀有明显的影响,对于304不锈钢半球形点蚀损伤,残余应力达到100MPa就可能对点蚀损伤发展造成明显影响。

晶间腐蚀损伤材料的强度估计方法

不锈钢焊接可能引起焊缝热影响区敏化,容易引发贫铬效应导致应力腐蚀开裂。产生晶间腐蚀损伤后,材料在细观尺度上不再是均匀的,引起应力重新分布,对材料有效性能产生较大影响。根据这种腐蚀损伤分布不均匀性特点,定义了晶界腐蚀均匀度h对腐蚀损伤分布的不均匀性进行量化,并提出了利用图像处理确定h的方法。根据晶界腐蚀后的细观组织图,将产生晶间腐蚀损伤的材料分为富含腐蚀损伤的晶界等效基体相和不含腐蚀损伤的晶粒等效颗粒相,利用相互作用直推估计法(IDD)研究了材料强度随均匀度h的变化关系。理论分析结果表明,均匀度h对材料强度有较大影响,腐蚀损伤的均匀度越小,材料强度越低,并且在均匀度低于0.2时造成强度的剧烈降低。

应力作用下点蚀损伤发展特点的理论分析

根据现场挂片试验下点蚀发展速度规律和应力对腐蚀电流的加速效应,提出了应力作用下点蚀速度和点蚀坑形状变化规律的微分方程,并通过数值方法进行求解。分析发现,应力作用下腐蚀速度更快;点蚀坑的形状受应力影响,通常在垂直于主应力方向上腐蚀更快,可能逐渐形成垂直于主应力的扁平型点蚀坑甚至发展成为裂纹;应力必须要达到一定数值才会对腐蚀速度有明显的影响,对于304不锈钢半球形点蚀损伤,残余应力达到180 MPa就可能引起点蚀坑迅速发展成裂纹。

火箭脱插强脱机构操作误区分析

脱插是火箭与地面系统连接的重要接口,火箭点火前通过强脱机构解锁自动断开与地面的连接,强脱机构是否正常工作直接关系到发射任务的成败。在某型火箭发射准备过程中,气动强脱机构达到以下两个标准则认为满足任务要求:一是强脱完成解锁且脱插正常脱落;二是强脱销上有小范围压痕或强脱销略微弯曲但不能剪断。本文根据气动强脱解锁原理进行受力分析,发现按照上述检验标准进行连接操作不能保证实际任务中强脱机构的有效性,并且极大增加了气动强脱失效的风险,增加了连接过程的操作复杂程度,试验时应当减小连接时刹车线的富余量。

程序设计求解数学问题的应用实例

程序设计为解决数学问题提供了可行的思路和方法。借助程序可以快速解决不可积的积分问题、快速求幂问题、矩阵乘法问题、欧几里德问题等数学问题,从应用实例中领悟了程序设计在解决数学问题上的优越性和便利性。

孔隙分布不均匀性对陶瓷材料强度的影响

由于工艺特殊性,一些陶瓷材料中不可避免地存在孔隙、夹杂等缺陷,且孔隙、夹杂大多分布不均匀,而这种不均匀性对陶瓷材料力学性能有较大影响。根据分布不均匀性特点,以陶瓷材料中孔隙分布为例,定义了均匀度对孔隙分布的不均匀性进行量化,提出了利用图像处理确定均匀度的方法。根据图像处理结果,将材料分为富含孔隙的等效基体相和不含孔隙的等效颗粒相,利用相互作用直推估计(IDD)法研究了材料强度随均匀度的变化关系。结果表明:孔隙分布均匀度对材料强度有较大影响,孔隙分布的均匀度越小,材料强度越低,并且在均匀度低于0.2时造成强度的剧烈降低,当均匀度大于0.5时,对材料强度的影响很小。

含夹杂TiC-TiB_2陶瓷强度的细观力学分析

根据超重力合成TiC-TiB_2装甲陶瓷的细观结构和断裂机理,建立TiC-TiB_2装甲陶瓷细观强度模型,分2种失效形式讨论了氧化铝杂质颗粒对材料强度的影响。首先根据相互作用直推估计法计算了TiC-TiB_2基体的等效刚度,认为氧化铝杂质颗粒稀疏分布在TiC-TiB_2形成的等效基体中,根据等效夹杂理论计算了杂质颗粒内部和附近残余应力和应力场分布,得出氧化铝杂质颗粒可能的失效形式;然后根据杂质颗粒可能出现的界面脱粘和颗粒破坏2种失效形式分别建立模型进行讨论,并以两者的最小值定义为复合材料的强度,分析了材料强度随细观结构和性能参数的变化规律,并与实验结果进行了对比。结果表明,模型能够反映材料失效机理,对于具有与本文相似细观结构的材料,杂质颗粒与等效基体的相对弹性性能和相对热膨胀性能、杂质颗粒尺寸、等效基体韧性等都可能影响杂质颗粒失效形式,但是杂质颗粒直径增加、基体韧性降低必然降低材料强度。对于含氧化铝杂质颗粒的TiC-TiB_2装甲陶瓷,界面脱粘是杂质颗粒主要的失效形式。