基于CiteSpace知识图谱的材料力学课程研究可视化分析

利用知识图谱技术,借助可视化计量分析平台CiteSpace,对中国知网数据库中有关材料力学课程研究的相关文献进行了分析,通过对研究者合作关系、研究机构合作关系以及研究关键词的关联、聚类和演变分析,揭示我国材料力学教学研究现状,展望未来的发展趋势。通过可视化分析,得出结论:材料力学教学研究呈现出部分集中、整体分散的态势,基于互联网技术的虚拟教研室有望打破机构间的合作壁垒;研究热点关键词的演化规律符合时代特征,从早期的教材建设和知识点的讲授,到近期的新工科、课程思政和虚拟仿真;结合人工智能技术的辅助教学方法是未来的发展趋势。

基于接触有限元法的齿轮多齿时变啮合刚度数值分析

针对传统齿轮刚度计算中,无法准确考虑齿轮啮合时由接触和惯性因素引起变形的问题,采用接触有限元法计算齿轮的多齿时变啮合刚度,并将计算结果分别与石川法和改进石川法的计算结果进行比较.在计算中采用参考单元辅助解决动态分析时无法提取各子步接触变形的问题.结果表明,接触有限元法与石川法的计算结果较吻合,最大值相差12.4%;与考虑轮体变形的改进石川法相比更加吻合,最大值相差10.2%;该方法计算的刚度曲线反映出由接触变形而导致齿轮实际重合度小于理论重合度的现象,计算结果较石川法和改进石川法更能反映真实情况。

径向基函数神经网络在齿轮动载系数计算中的应用

由于动载系数的计算公式比较复杂,机械设计手册中提供动载系数线图供设计人员近似计算,但通过人工查取线图数据的方法会给设计带来误差,并且不利于实现设计过程的CAD。因此,提出了应用径向基函数神经网络来确定动载系数的计算方法,映射了引起动载系数与其影响因素(齿轮节线速度、齿轮制造精度)的非线性关系,并与其他文献中提出的应用BP神经网络的方法进行对比。结果表明:径向基函数神经网络可通过较少的训练次数达到较高的精度,大大超过了BP神经网络的收敛速度和训练效率。该方法可广泛应用于工程设计中计算齿轮动载系数及其他以线图表示的参数。

CAE软件操作小百科(续1)

在用MSCMarc处理变形体旋转问题时，一般先建立刚性体，用Glue命令将刚体粘贴在变形体上，通过对刚性体施加转速或转矩进而带动变形体旋转．MSCMarc对刚性体施加转速或转矩时需设定控制节点与辅助节点．控制节点有3个方向的平动自由度，将力和平动位移施加在控制节点上，控制刚性体的平动；而辅助节点有3个方向的旋转自由度，将转矩和旋转位移施加在辅助节点上，控制刚性体的旋转．

重力和离心力耦合作用下高速轴径向变形分析

跨距较长的轴在自身载荷作用下产生较大的挠度,进而导致轴高速旋转时离心力沿中线分布不均匀,从而加大了轴的挠度.在重力和离心力耦合作用下,轴端翘起导致轴端与密封件的磨损严重.本文提出了一种利用有限元分析模拟重力和离心力耦合作用下高速轴径向变形的方法,并将其应用于高速轴的设计中.结果表明,在2000 r/min的额定转速下,轴端的径向变形量达到64μm.通过优化轴承的位置,使轴端的径向变形量下降为1.8μm,有效的降低了密封件的磨损.最后,利用模态分析,发现改进设计后轴的额定转速有效的避开了其各阶临界转速.

表面粘贴式光纤布拉格光栅传感器层状结构对测量应变的影响

由于用表面粘贴式光纤布拉格光栅(FBG)传感器测量应变时会影响基体的应变分布,本文研究了光纤应变与基体应变之间的关系。针对该类传感器建立了基体与光纤之间的应变传递函数用以修正测量应变,然后研究了FBG传感器与基体之间的相互作用。最后,利用有限元分析(FEA)和实际实验对提出的理论进行了验证。结果显示:光纤应变的FEA解与理论解的误差在5%以内,实验解与理论解的误差在8%以内,结果表明该理论完全满足表面粘贴式FBG传感器的精度要求。另外,分析了黏结层和基体对应变传递的影响,结果显示:平均应变传递率和应变传递率随着基体弹性模量的增加而增加,但它们随着黏结层顶端厚度和底端厚度的增加而逐渐减小。

光纤布拉格光栅传感器应变传递耦合机理分析

建立了半平面体与光纤布拉格光栅传感器双向耦合的应变传递理论,得到表面粘贴式光纤布拉格光栅传感器测量应变与半平面体应变之间的关系.将理论解、有限元解和实验数据进行对比以验证该理论的正确性,并分析了应变传递率与半平面体弹性模量、半粘结长度的关系.结果表明:理论解与实验值非常接近,误差在4%以内,应变传递率随着半平面体弹性模量的增大、半粘结长度的增长而逐渐增大,对光纤布拉格光栅传感器的设计和应用具有一定的参考价值.

粘贴于薄板表面的光纤布拉格光栅应变传感器误差修正

考虑现有光纤布拉格光栅(FBG)传感器的应变传递理论均未考虑传感器对基体应变的影响,本文针对FBG传感器粘贴于薄板的情况研究了薄板的应变传递理论。由于光纤应变与薄板应变并不相等,故研究了光纤应变与薄板应变之间的关系以提高FBG传感器的测量精度。建立了粘贴于薄板表面的FBG传感器应变传递理论,分析了FBG传感器与薄板之间的相互作用;利用有限元法(FEM)和实验法验证了理论的正确性。最后,分析了薄板参数对应变传递率的影响。结果显示:FEM解与理论解的误差在4%以内,实验值和理论解误差在5%以内,应变传递率随着薄板厚度和弹性模量的增加而逐渐增大。该理论模型完全满足FBG传感器精度要求,对其实际应用具有一定的指导意义。

自增强三维高压油管的疲劳寿命预测

基于弹塑性理论的自增强技术可以提高高压油管的使用寿命.对三维高压油管进行了弹塑性有限元分析,通过计算油管的残余应力,探讨了自增强技术在提高油管寿命方面的研究与应用.对不同自增强压力下的油管在工作压力作用下最大应力值进行比较,确定了最佳自增强压力.基于应力-寿命法,应用MSC.Fatigue软件对自增强前后高压油管的疲劳寿命进行预测,结果表明自增强后三维高压油管的疲劳寿命与未进行自增强处理油管的疲劳寿命分布有着明显的差异,自增强前最小疲劳寿命区位于内壁,而自增强后最小疲劳寿命区分布在壁间,自增强技术使油管最小疲劳寿命提高了5倍以上.

摩擦式离合器滑摩过程及温度场分析

为更真实地反映摩擦式离合器滑摩过程中的温度场,提出1种利用动力学软件与有限元软件相互辅助分析的方法.在试验测得的负载扭矩的基础上,建立摩擦片和内鼓轮及气胎的模型;利用MSC Adams对摩擦式离合器进行动力学仿真,通过对摩擦片加压计算出滑摩时间和主、从动端的相对转速;将该相对转速用于有限元热机耦合场分析,通过摩擦片和内鼓轮的相对转动形成滑摩、生成热量,得离合器各时刻的温度场.结果表明:离合器在接触后3.064 s时主、从动端接合完毕,且摩擦片瞬态最高温度只有65.83℃.该方法对摩擦式离合器滑摩过程及温度场分析具有一定的实际意义.

高速斜齿轮设计参数对齿面温度的影响分析

文章中建立了斜齿轮齿面温度有限元分析模型,模型考虑了齿面与空气和润滑油的对流换热,以及齿轮副摩擦产生的热流量.通过与实验测试得到的齿面温度对比来验证该模型.最后,利用该有限元模型分析了典型的齿轮设计参数对齿面温度的影响.结果表明,本文建立的有限元分析模型得到的温度和实验测试结果基本一致,最大误差在5.67%以内;并且,齿面温度随着齿顶高系数和齿宽的增加而增加,并随着螺旋角的增加而上下波动.本文提出的模型为高速斜齿轮抗胶合设计提供了依据.

血管支架不定形碳膜脱层现象实验及有限元分析

目的研究不定形碳涂层的血管支架在握压-扩张过程中发生涂层脱层的现象,从材料选择和尺寸设计方面避免脱层的发生。方法通过化学气相沉积法在金属血管支架上沉积生成不定形碳膜,实验模拟该涂层血管支架的握压-扩张过程,并通过电子扫描显微镜观察涂层发生脱层的情况。采用有限元方法分析不定形碳膜在血管支架握压-扩张过程中发生脱层的受力机制及影响因素。结果有限元结果能够较好吻合实验现象。不定形碳膜厚度决定了支架各处脱层的难易程度,以及脱层的发生形式。不定形碳膜弹性模量越大,支架越容易发生脱层。此外,支架的弹性模量也会对支架脱层产生影响,且在不同位置处影响规律不同。结论在血管支架涂层时,需要仔细设计不定形碳膜厚度以及合理匹配不定形碳膜和支架的弹性模量以避免脱层的发生。

电驱动连续碳纤维增强形状记忆复合材料镂空结构设计

电驱动连续碳纤维增强形状记忆复合材料(continuous carbon fiber reinforced shape memory composites,CFSMPC)是一种利用电信号驱动实现可控变形的形状记忆复合材料。本工作提出一种电驱动连续碳纤维增强形状记忆聚乳酸复合材料镂空结构,通过对温度均匀性的控制,可实现结构变形的精确控制和力学性能的提升。采用3D打印方法制备复合材料镂空结构,利用实验探究几何参数对镂空结构力学性能和形状回复性能的影响。结果表明:镂空结构较非镂空结构的拉伸强度有所提高,且胞宽越小强度提升越明显;CFSMPC镂空结构的形状记忆回复速度和最大回复力均有明显上升,这是因为镂空结构可以有效避免碳纤维热扩散导致的低温区,从而保证结构整体的温度均匀性;提出基于黏弹性本构的CFSMPC镂空结构电-热-力耦合有限元模型,预测的温度分布和回复时间与实验结果吻合较好。采用该模型进行分析,发现胞宽越小,回复时单胞的温度越均匀,内部应力释放越快,因此,结构的形状回复越快。

雷电流参数对碳纤维复合材料雷击损伤影响研究

本文采用雷击模拟实验和有限元法研究了碳纤维增强树脂基复合材料在模拟雷电流作用下的损伤机理。建立了考虑材料介电击穿效应的碳纤维复合材料雷击电-热耦合有限元模型,将模型计算的损伤面积和深度与雷击模拟实验结果进行对比,验证了有限元模型的有效性。进一步利用该有限元模型探究了雷电流参数对碳纤维复合材料雷击损伤的影响规律。结果表明:当波形相同时,碳纤维复合材料的雷击损伤面积和电流作用积分呈线性关系;而当电流作用积分和电流强度相同时,碳纤维复合材料的雷击损伤面积随着电流波形上升时间的减少而减少,损伤深度反而增加。

基于Matlab的图像曲线数据提取方法

对于文献中图的曲线数据的提取,提出一种通过采集像素点来识别曲线坐标的方法,并通过Matlab软件实现.首先用滤波器去除图片噪声,并确定用于灰度图转化为二值黑白图的阈值,然后通过搜索坐标框在灰度矩阵中的位置来确定真实坐标与灰度矩阵坐标的比例因子,最后获取曲线各像素点在灰度矩阵的坐标,并乘以比例因子得到曲线各点的坐标值.对曲线图像进行处理的结果表明,这种方法提取的数据准确,相对误差在-0.7%～+1.2%范围内,精度取决于原图像像素点的数目.

仿羊角管状复合材料结构抗冲击性能

羊角因其独特的管状微观结构显示出优异的抗冲击性能。本文从羊角微观结构汲取灵感,设计了仿羊角管状结构。基于3D打印熔融沉积技术,采用短切碳纤维增强尼龙复合材料制备了仿羊角管状结构(HTS)。冲击实验结果表明HTS试样的冲击载荷-位移曲线中存在较长的高载荷平台区,在此阶段吸收了大量的冲击能量,较非仿生样品吸能提升了143.9%,比吸能值提升了178.8%。提出了HTS冲击有限元模型,仿真预测结果和实验获得的冲击响应及裂纹扩展路径结果吻合较好,验证了该模型的有效性。采用该模型分析发现:在冲击过程中细管周围产生较大的应力集中,使裂纹发生偏转进而捕获裂纹,并在细管其他位置重新萌生新的裂纹并朝下一个细管扩展,这个过程不断重复,从而吸收了大量的冲击能量。最后,基于该有限元模型探索了几何参数和材料性能对HTS冲击吸能的影响规律。该研究探索了仿羊角管状复合材料结构冲击吸能特性和吸能机制,对新型抗冲击装备的设计和制备具有重要意义。

基于纳米压痕法的埃洛石纳米管/环氧复合材料力学性能表征

采用球磨法在环氧树脂中分散了不同质量分数(0、5wt%和10wt%)的埃洛石纳米管(HNTs),通过哌啶固化剂固化,制备了HNTs/环氧树脂复合材料,并利用纳米压痕法测试了HNTs/环氧树脂复合材料的弹性模量、硬度和蠕变性能。SEM和TEM观测表明:HNTs在环氧树脂中分散情况较好。纳米压痕实验结果表明:在不牺牲HNTs/环氧树脂复合材料弹性模量、硬度以及玻璃化转变温度的基础上,HNTs明显提高了环氧树脂基复合材料的抗蠕变性能,这主要是由于HNTs和环氧基分子链形成了新的交联结构,增加了材料的交联密度,刚性纳米粒子限制了环氧基分子链的活动性。

类金刚石薄膜在锥形纳米压头作用下的断裂分析

硬薄膜往往具有较脆的特性,在过载时易发生脆性断裂.本文研究了硬薄膜/软基体在锥形纳米压头作用下的断裂模式.利用等离子体化学沉积法在聚二醚酮基体上沉积生成类金刚石薄膜.使用纳米压痕法对其进行实验研究,实时记录纳米压头压入样品过程中所受的载荷以及位移.载荷位移曲线中有若干间断点,代表着裂纹的形成和扩展.压痕实验完成后,通过扫描电子显微镜和聚焦离子束观察发现,类金刚石薄膜压痕处出现规则的贯穿厚度的环形裂纹和径向裂纹.最后,利用有限元法分析了硬薄膜/软基体在锥形压头作用下的应力分布,通过cohesive单元模拟环形裂纹的起始和扩展.结果表明:环形裂纹是由薄膜表面较高的径向拉应力引起的,较高的径向拉应力发生于压头和薄膜表面接触区域的外侧;径向裂纹则是由薄膜在界面附近较大的拉应力引起的.并且,各圈环形裂纹的半径基本呈线性递增,这和实验观测基本相符.

高速磁浮车辆摇枕锻件优化的数值模拟与实验研究

高速磁浮车辆的摇枕形状复杂,在列车高速运行(500km.h-1)中承受强烈的振动和交变载荷,若坯料设计不合理,在锻造过程中经常会产生缺料、折叠等缺陷。本文提出利用计算机仿真优化坯料形状的方法,通过De-form-3D软件对摇枕锻造过程进行数值模拟。再对模拟结果反复分析,克服了由于金属流动不合理而产生的缺陷。逐步优化坯料的形状,并结合数值模拟中出现的体积损失等问题,进行实验对比,最终成形出合格锻件。锻件计算结果与实验基本一致,该方法可用于复杂锻件预制坯料的优化设计。

不同应变速率下纳米橡胶颗粒对环氧树脂的增韧特性与机理分析

为了解释不同应变速率下纳米橡胶颗粒对环氧树脂基体的增韧机理,制备了质量分数为6%的纳米橡胶颗粒/环氧树脂复合材料,分别测试了该材料在3种低应变速率(5×10-4s-1,1×10-1s-1,2.5×10-1s-1)和高应变速率下(90 s-1)的I型平面断裂韧性.结果表明,纳米橡胶颗粒在3种低应变速率下可以显著提高环氧树脂的断裂韧性,提高幅度分别为158%,283%和309%.在高应变速率下,纯环氧树脂的断裂韧性由于动态效应而显著升高,然而纳米橡胶颗粒对环氧基体的增韧效果却不明显,增韧幅度仅为2%.由光学显微镜照片可知,随着应变速率的提高,纳米橡胶颗粒/环氧树脂复合材料断口表面的应力发白区域逐渐较少,甚至在高应变速率(90 s-1)下消失.偏光显微镜照片表明,纯环氧树脂与纳米橡胶颗粒/环氧树脂复合材料的裂纹尖端塑性形变尺寸随着应变速率的升高而减小.通过扫描电子显微镜对断口形貌进行分析可知,不同应变速率下纳米橡胶颗粒在环氧基体中空穴增长程度不同,进而导致纳米橡胶颗粒对环氧基体的增韧效果的不同.