高校力学课程思政建设研究述评与发展探索

力学是关于力、运动和变形的科学,其学科属性兼具基础性和技术性,力学课程是机械工程、土木工程、航空航天工程、车辆工程和化学工程等众多工科专业的专业基础课。在力学课程教学中融入思政元素,是落实立德树人根本任务的必然要求。该文简要总结力学课程思政建设的进展、困难和对策,并指出增强课程思政育人理念、丰富课程思政资源和提高思政教学能力是课程思政建设的长期任务。

暴露于高温环境后的超高性能混凝土自愈合能力研究

超高性能混凝土(UHPC)以其优越的力学性能和耐久性能在工程建设中具有广阔的应用前景.然而,UHPC内部结构致密,耐高温性能不佳,在高温环境下暴露后其各方面性能会大幅度下降,限制了其在结构工程和地下施工中的应用,本研究旨在研究UHPC在暴露于高温环境后的自修复能力.UHPC采用水泥-粉煤灰-硅灰水泥基体和钢纤维设计制备,掺入聚丙烯纤维以增强耐高温性.通过模拟在地下环境中的暴露,评估了UHPC在高温暴露后的自愈合能力.自愈合能力是通过测量高温暴露前后和自愈合试验后的抗压强度、弯曲强度及裂纹宽度的变化来进行表征.自愈合试验对UHPC断裂韧性的影响通过裂口张开位移(CMOD)测试和数字图像相关方法(DIC)表征.研究发现,地下水环境的自愈合效应可以恢复UHPC的刚度、抗拉强度,以及高温后裂纹宽度的愈合.同时,由于钢纤维的腐蚀,抗压强度的恢复很小.本研究可为拓宽UHPC的应用领域提供坚实的基础.

深海稀软底质土宏观性能与显微结构分析

针对取样于太平洋C-C矿区的深海稀软底质土,采用激光粒度分析、液塑限联合测定、氮吸附、固结和直剪等方法对其开展物理和力学性能研究,并通过X射线衍射法和电镜法分析其矿物组成成分和微观结构。研究结果表明:深海稀软底质土为以粉粒为主的黏质土,具有高液限、高塑性,高比表面积、高固结系数、低压缩模量、低抗剪强度等特性,极易造成集矿机的沉陷和打滑。该土样的矿物成分主要由蒙脱石、石英、长石、云母、绿泥石和蛇纹石组成,显微结构为以粉粒和微生物碎片为主的片状链接结构和以黏土矿物为主的蜂窝状絮凝结构相互填充而成。深海稀软底质模拟土的配置原则应以矿物成分、粒径、含水率、比表面积和剪切强度为主,且综合考虑液限、塑限和显微结构。研究结果将为深海集矿机行走特性研究及其优化设计提供重要依据。

盲孔法中应变释放系数的有限元模拟标定

盲孔法测量焊接残余应力时,孔周围材料超过屈服状态,产生塑性变形而引入塑性附加应变,使得测量结果产生较大误差.根据应变释放系数A,B试验标定原理,对Q345R钢进行试验标定.以一定应力状态下形状改变比能系数S作为判据,对应变释放系数A,B进行修正,使得焊接等高残余应力的测量结果更为精确.基于强度理论,应用有限元软件,对Q345R钢的应变释放系数A,B进行三维有限元数值计算.结果表明,用有限元进行应变释放系数的塑性修正是可行的.

深海稀软底质模拟土三轴压缩蠕变模型的试验研究

基于太平洋C-C矿区的深海稀软底质土,选取4种膨润土(S1,S2,S3和S4)与水按调和配制出最佳模拟土;通过固结排水三轴压缩蠕变试验测得该模拟土在相同围压、不同轴压下的蠕变曲线,并采用不同的流变模型对其蠕变曲线进行参数识别,以确定该模拟土压缩蠕变本构模型。研究结果表明:模拟土S3为最佳模拟土,其在相同围压、不同轴压下的三轴压缩蠕变曲线具有相同变化趋势,均可分为瞬时蠕变、非稳定蠕变、稳定蠕变3个阶段,瞬时蠕变变形和非稳定蠕变阶段时长均随着轴压的增大而增大;K-H模型能精确地反映该模拟土的三轴压缩蠕变特性,取蠕变参数的平均值作为材料参数来建立深海稀软底质模拟土的压缩蠕变本构方程,可为深海集矿机的沉陷预测与安全评定提供依据。

爆炸复合板压力容器径向裂纹的无损检测及其安全性分析

通过直探头、斜探头、TOFD (超声波衍射时差法)等方法,对S31603/Q345R复合板压力容器的径向裂纹进行无损检测以比较其缺陷检出能力;通过扫描电镜观察其微观结构,分析其失效机理;最后,通过数值计算分析其安全性能.结果表明,直探头检测时回波面较小易导致漏检,TOFD检测时不锈钢粗晶粒产生的回波易掩盖径向裂纹产生的回波从而导致漏检,而斜探头因检测回波面大,检测效果优于直探头和TOFD,建议采用斜探头检测以确保径向裂纹的检出;通过扫描电镜发现爆炸复合板结合界面呈明显的正弦波状且存在元素相互扩散现象;且结合界面处存在的裂纹、空洞等缺陷使其强度降低;最后,通过数值计算分析发现该类裂纹的存在使得复合板压力容器存在较大的安全隐患.

W-OH砒砂岩固结体干湿循环特性及其细观机理

[目的]对W-OH砒砂岩固结体干湿循环特性及其细观机理进行研究,为实现W-OH固结改良砒砂岩及其耐久性研究提供科学依据。[方法]采用W-OH(亲水性聚氨酯材料)对砒砂岩进行固结处理,基于无侧限抗压试验、三轴抗压试验,研究其在干湿循环条件下的力学性能,并结合SEM,EDS和称重法对其干湿循环后样品微观结构、元素和质量损失进行分析,以获得其破坏机理。[结果]W-OH砒砂岩固结体的无侧限抗压强度、弹性模量和黏聚力在1～3次干湿循环后升高;在3～9次干湿循环后,固结体的力学强度降低;9次之后,剩下高黏结力的W-OH胶结体包裹于砒砂岩颗粒表面,力学强度趋于稳定。内摩擦角在1～9次干湿循环后上下波动,9次干湿循环后趋于稳定。采用碳元素分析和质量损失分析相结合的方法对土样中W-OH流失特性进行评价,发现土样在1～9次干湿循环中W-OH胶结体逐渐降低,并在9次干湿循环后达到稳定,这与上述宏观力学变化的规律相似,验证了破坏机理,为判断其长期特性提供理论依据。[结论]研究表明可将9次干湿循环后达到稳定的W-OH砒砂岩固结体的力学性质作为土体的长期力学特性。

基于虚拟仿真平台的CDIO创新型人才《材料力学》课程教学模式探索

CDIO模式强调工程活动的完整生命周期,即构思(Conceive)、设计(Design)、实施(Implement)和运作(Operate),注重工程师系统构建能力的培养。《材料力学》是一门理论性较强、在各工程技术领域应用极为广泛的技术基础学科。该课程知识需要对工程活动的完整生命周期的各个阶段进行系统化、定量化与科学化的描述。为解决传统教学中存在的不足,考虑《材料力学》课程的特点及目的,提出基于虚拟仿真平台的CDIO创新型人才力学课程教学模式探索。在CDIO模式下,以实际工程活动中产生的问题激发学生对该课程的学习兴趣,同时以虚拟仿真平台中的工程实例为中心进行授课,重点培养学生的工程思想。教学实践表明,基于CDIO理念,结合力学虚拟仿真平台,能够提高《材料力学》课程的教学效果,这也对高校学生全过程参与到工程活动的完整生命周期中,成为能为工程项目的完整生命周期全方位服务的工程师提供有力支持。

15CrMoR合金钢焊接失效分析及预防

针对取样于15CrMoR钢的焊接失效部件,通过材料的力学性能和化学成分分析,结合断口的微观形貌,分析该材料焊接失效的原因。结果表明:该15CrMoR钢在焊接过程中氢进入材料内部,加之该材料的力学性能偏脆性,产生了焊接氢致冷裂纹,在碳弧气刨的冲击作用下失效。建议严格控制焊前预热、焊后消氢和整体热处理工艺,并严格控制焊接质量,以减小15CrMoR钢焊接裂纹的产生。

电梯对重导轨支架在不同标准地震烈度下的应力研究

通过有限元分析软件对电梯对重导轨支架进行分析,分别得到其在日本标准和美国标准取地震最大烈度时的应力分布。通过应力云图对其危险部位进行分析,获得其强度值。结果表明,该型号对重导轨支架满足设计要求。比较日本标准和美国标准可知,日本标准更趋于保守,而美国标准的计算过程相对于日本标准更加简便。

CPU风冷散热器散热性能的实验测试

CPU风冷散热器作为最传统的散热方式,现在仍被广大PC机用户使用。按散热片材料分为全铝、全铜和铜铝复合式三种,其中铜铝复合式是现今主流产品。为对其散热性能进行测试,设计测试散热器散热性能的实验装置。通过改变输入电压,改变风道、风速和模拟芯片的发热功率,测试目前PC机使用最多的放射状铜铝复合式风冷散热器在不同风速、不同加热功率下强迫风冷时的散热性能。从它的瞬时储热能力、热阻及CPU表面温度三个方面分析其散热性能,得出这款散热器能较好地满足CPU发热功率在120 W以内的散热需求。实验测试装置具有通用性,实验结果有助于对此款散热器的改进,以提高其散热性能。

深海稀软底质特性及采矿车行走性能研究进展

深海海域蕴藏的丰富矿产资源被认为是21世纪陆地矿最重要的替代资源,加大深海矿产资源开发与利用力度,已成为全球经济可持续发展的重要抉择,是我国建设海洋强国的重大战略需求。采矿车在深海稀软底质上的行走性能对深海矿产资源开采的安全稳定性具有重要影响。本文回顾了深海采矿方法及采矿车的发展历程,总结了深海稀软底质基本物理力学特性特别是流变特性及其本构关系,分析了采矿车行走运动特性及其牵引力的研究现状以及存在的主要问题,探讨了深海采矿车行走性能及结构优化设计的未来研究方向,为构建环境友好的深海采矿作业系统提供理论依据。

含砂量变化影响海底沉积物压缩波速度的分析研究

本文通过对南海海底沉积物样品的声学物理参数和沉积粒度特征统计分析,发现了高、低含砂量沉积物的声学物理特征存在明显差异,建立了海底沉积物的含砂量与压缩波速度、孔隙度、含水量和密度等经验公式,分析了含砂量变化与沉积物的体积压缩模量和密度变化的关系,从声速理论基础上阐明了含砂量变化引起沉积物压缩波速度变化的内在原因是含砂量变化引起了体积压缩模量和密度发生了变化,说明了含砂量增大引起沉积物压缩波速度增大的内在原因是含砂量增大引起了体积压缩模量变化量大于密度变化量,从而在数据统计和理论分析结合基础上,论证了含砂量是影响海底沉积物压缩波速度的重要因素之一。这一研究对声学方法反演海底沉积物粒度参数和沉积物类型、地声参数转换模型的建立,以及对水声反演海底和海底资源勘探等方面都具有重要理论意义和应用价值。

氨合成塔底部五通有限元分析

通过有限元分析软件ANSYS对氨合成塔底部五通进行强度分析,得到其在高压下的应力分布云图。并通过对其危险截面的节点强度进行提取,通过应力线性化,获得该截面的强度值,从而验证该结构的底部五通的设计是否满足该压力下的强度要求。

基于FLUENT软件的T型三通管湍流数值模拟

基于标准κ-ε湍流模型,对三通管内流体交汇处的流动与传热,利用FLUENT软件进行了数值模拟。在该过程中,计算不同的流体参数和管路结构情况下的三通管内流体的速度场、压力场、温度场和湍动能等。计算结果与实际情况相符,得到了有参考价值的结论。

冻融循环对灌封胶修补混凝土界面性能的影响

混凝土界面开裂后强度大大降低,会严重影响混凝土的性能。基于此,研究了冻融循环对灌封胶修补混凝土界面性能的影响,并采用4种不同的灌封胶对混凝土界面进行修补,在冻融循环条件下对试件进行了斜剪切试验和三点弯曲试验。试验结果表明:冻融循环可以提高修补界面的粘结性能,经灌封胶聚氨酯705、有机硅911和环氧树脂808修补后的混凝土界面在冻融循环前后均发生内聚破坏,而经环氧树脂802修补的混凝土界面发生黏聚破坏,证明其具有较好的粘结性能。因此认为环氧树脂802更加适用于严寒地区的混凝土裂缝修补。同时,该试验也可为严寒地区修补混凝土裂缝提供一定参考。

深海底质土-金属界面间黏附特性试验研究

基于取样于太平洋C-C矿区(Clarion-Clipperton Zone)的深海底质土,采用美国INSTRON公司生产的5943型万能材料试验机,选用4种常用的海洋金属,自制金属模具,开展黏附特性试验,研究孔隙比、法向压力和加载速度等因素对深海底质土与金属界面间黏附特性的影响规律。并基于平行圆盘分离力的计算公式,建立了深海底质土-金属界面表层土黏附指数的计算公式。研究结果表明:随着土样孔隙比的增加,黏附力呈增加的趋势,增速先快后慢,最终趋于平缓。随着法向压力的增加,深海底质土与金属界面间的表层土黏附指数呈指数函数增加趋势。随着加载速度的增加,深海底质土与金属界面间的表层土黏附指数反而呈逐渐减小的趋势。4种金属中,铝合金5052和钛合金STi80对深海底质土表层土的黏附能力较弱。该研究结果为我国深海采矿系统的安全运行提供一定的理论依据。

深海富稀土沉积物的流变特性研究

针对取样于太平洋的深海富稀土沉积物,采用激光粒度分析仪、液塑限联合测定仪对其常规的物理性能开展研究,并通过X射线衍射法和扫描电镜法分析其矿物成分以及微观结构。结果表明,深海富稀土沉积物具有高液限、高塑性,矿物成分主要由石英、方解石、石盐、长石、云母等原生矿物和次生矿物绿石等组成,显微结构主要由链接结构和蜂窝状的片状结构组成。针对深海富稀土沉积物这种具有流动性的超软土,采用RST流变仪开展具有不同温度与不同含水率的沉积物流变试验,并基于试验结果分析了不排水剪切强度、屈服应力、表观黏度与温度和含水率之间的关系,引入Herschel-Bulkley模型对流变参数进行探讨,通过液相转化与粒际作用理论,解释了深海富稀土沉积物的流变特征。结果表明,含水率和温度对沉积物的剪切应力与表观黏度有显著影响,与常温条件下相比,在低温环境下沉积物的剪切应力与表观黏度显著提高,表观黏度以及屈服应力随着沉积物的含水率的增加而下降。这一成果可为深海富稀土沉积物进行流态化运输提供科学依据。

基于深海底质流变特性和接地比压的集矿机牵引力计算方法

作为深海采矿水力提升系统的重要组成部分,履带式集矿机的牵引力及行走性能对深海资源的安全高效开采具有重要影响。目前,深海履带式集矿机牵引力的计算仅考虑深海底质的弹塑性,尚未考虑与时间相依的流变特性以及履带式集矿机作业时履带底部的不同接地比压(受沟壑、障碍、斜坡影响)等情形。本文通过深海模拟底质直剪流变和压-剪耦合流变的本构理论与试验研究,建立了基于不同的深海底质本构模型(弹塑性、直剪流变、压-剪耦合流变)和接地比压分布(均布、线性分布、非均布)下履带式集矿机牵引力计算模型;利用功能原理推导了相应的履带式集矿机牵引力计算公式,并分析了深海底质本构模型、接地比压分布、履齿个数对履带式集矿机牵引力的影响规律,为履带式集矿机直行、转弯和越障等稳定性与通过性评估提供科学依据。研究结果表明:采用直剪流变和弹塑性本构模型时,线性递增与线性递减接地比压分布对应的牵引力数量级大于均匀分布与正弦分布情况,线性递增与线性递减下的牵引力比均匀分布与正弦分布对履带板数目变化更为明显;深海底质本构模型对履带式集矿机牵引力的影响比接地比压分布类型更大。采用模拟土压-剪耦合流变本构模型计算得到的深海履带式集矿机所需牵引力为最大、流变沉陷也最大,更接近深海采矿工程实际。

基于ANSYS的氨合成塔底部六通元件有限元分析

通过有限元分析软件ANSYS对氨合成塔底部六通元件进行强度分析,得到其在高压下的应力分布云图。通过对其危险截面的节点强度进行提取和应力线性化,获得该截面的强度值。结果表明,该型号氨合成塔底部六通元件满足设计载荷下的强度要求。