注重基础、立足工程、强化实践、融入模拟、激励创新——材料力学教学改革探索

材料力学是机械类、土木类和力学类等工科类专业的核心课程,课程秉承“强基础、重实践、融模拟、促创新”的理念;构建“融工程、融前沿、融思政”的教学资源与内容,夯实学生的力学理论知识,培养学生利用力学理论解决实际工程问题的能力,同时帮助学生塑造正确的世界观、人生观、价值观和职业观;将抽象的力学概念与三阶递进的课程实践融会贯通,培养学生的动手实践能力、探索精神和创新能力;将数值模拟技术引入课堂,初步培养学生利用数值模拟软件解决力学问题的能力。建立以传授知识为中心,以解决工程问题为导向,以创新实践为特点,以数值模拟软件为工具,以立德树人为根本的课堂。

面向月面原位资源利用的嫦娥五号月壤样品颗粒形态特征研究

月壤颗粒形态特征对月面原位挖掘、运输、3D打印等具有重要影响,我国自主获取的嫦娥五号样品可为月球科研站建设等提供月壤关键参数信息。以月面原位资源利用过程关注的月壤颗粒形态特征为目标,利用体视光学显微镜获取了同济大学获批的嫦娥五号月壤颗粒样品图像,构建了一套图像处理和颗粒识别方法,并提出方向差异指数表征颗粒表面粗糙程度,实现了自动提取颗粒边缘并计算其粒度和形态指标。结果表明,所研究嫦娥五号样品颗粒粒径范围为4.36~792.30μm,均值纵横比为0.66,均值圆形度为0.806,均值方向差异指数为0.111。小粒径颗粒占比大,10μm以下颗粒占44.19%。颗粒方向差异指数呈近似正态分布,表明大量颗粒表面粗糙程度近似,并存在少量表面较为光滑和粗糙的颗粒。小粒径颗粒大小与纵横比、圆形度均呈负相关,与表面粗糙程度相关性低,大粒径颗粒大小与形态没有相关性。研究还发现嫦娥五号样品比Apollo 11和Apollo 15样品的颗粒的圆形度更小,形态更不规则。

计及时变演化特征的硅泡沫垫层非线性黏弹性模型研究

基于黏弹性基本理论,引入材料非线性特征,考虑了材料加载、保载应力松弛历史、老化效应以及黏弹性模型各运动单元退化的差异性,并从两种老化机制出发,获得了老化硅泡沫垫层力学模型以及长时应力松弛硅泡沫垫层接续加载力学模型.模型机理清晰,能够反映材料服役历史信息及其对力学效应的影响.

多组分多层级3D打印材料研究进展

多组分多层级3D打印材料(McMl3DPMs)是一种新兴的先进材料,源于多孔材料、复合材料和增材制造的融合。由于增材制造赋予了Mc Ml3DPMs三维架构跨越广泛组分构成和结构类型的能力,Mc Ml3DPMs拥有杰出的机械性能,甚至是通常被认为相互排斥的性能(例如高强度和高韧性)。本文重点介绍为了实现高性能结构用Mc Ml3DPMs所必须解决的科学挑战以及最近研究工作对此做出的努力,将从结构设计、制造过程建模、缺陷表征和性能评价3个方面对相关案例进行回顾。最后,本文指出了当前研究的不足之处,并展望了Mc Ml3DPMs的未来发展,包括讨论了进一步推进这一新兴领域发展的几个可能的研究方向。

铸态TiZrNbV难熔高熵合金的层裂行为

为研究高应变率下铸态TiZrNbV难熔高熵合金的层裂行为,获取准确的动态本构参数。采用20 mm一级轻气炮平板撞击实验研究了铸态TiZrNbV难熔高熵合金的层裂特性,对回收试样进行扫描电镜分析,从微观角度获得了铸态TiZrNbV高熵合金在不同应变率下的层裂特性,并基于层裂实验自由面速度历史曲线标定得到了铸态TiZrNbV高熵合金的GTN‑JC本构模型参数。结果表明,TiZrNbV难熔高熵合金的层裂强度随着加载应变率和平台应力的增加而增加,其值为0.93~2.23 GPa;回收试样的几何必要位错密度随着加载速度的提高显著增加。所得参数在模拟铸态TiZrNbV高熵合金层裂行为方面表现良好,模拟结果中自由面速度曲线在第一次拉伸阶段前均较为吻合,可以满足对试样层裂破坏的动态分析,能为铸态TiZrNbV高熵合金的工程应用提供参考。

钻柱动力学研究进展及发展趋势

钻柱动力学是安全、高效钻井的基础,许多研究人员对此进行了深入研究,成果累累。然而,钻柱具有超大长细比,工作环境恶劣,非线性特征显著,使得钻柱的安全性面临严峻挑战,这在超万米特深井中尤为突出。因此,把握钻柱动力学研究历程,提炼钻柱动力学核心关键问题十分必要。本文在简要回顾3种基本钻柱振动形式的研究进展基础上,重点阐述了这3种基本振动的耦合振动的研究进展,详细讨论了粘滑和涡动这2种复杂振动的危害、形成机制、研究方法、测量技术和控制方法,并对近十年来备受关注的高频扭转振动(HFTO)的研究进展进行了归纳。现有研究成果表明,涡动是井下钻柱最易出现的一种复杂振动形式,包括向前、向后规则涡动和不规则涡动形式,且大都体现为不规则涡动。其中,反向涡动对钻柱的危害很大,不但会加剧钻具的疲劳破坏,而且会降低钻头的机械钻速。粘滑振动是另一种危害极大的复杂振动形式,其形成机制在于钻头与岩石之间的相互作用,并可用速度弱化效应进行很好描述;粘滑振动与涡动密切相关,粘滑振动中的滑脱阶段的最大转速可能达到地面转速的3倍以上,并伴随着剧烈的涡动。而振动频率远高于涡动和粘滑振动的高频扭转振动的危害不容忽视,但相关机理远未探明,迫切需要攻关研究。

新工科背景下材料力学课程教学改革与实践

材料力学作为一门能解决工程实际问题的独立学科,在机械、航空航天等工科专业的基础课与专业课间起桥梁作用,也是后续力学课程的理论基础。本文通过分析材料力学课程的特点与现状,针对现行教学中存在的问题,提出课程教学方法的改革方案与研究思路,并从课堂理论教学和实验教学两方面进行了探讨。同时讨论了如何加强实验教学和理论教学的有机结合、完善考核制度和课程达成度等,以期达到提高教学质量、培养新工科背景下高素质创新型人才的目的。

基于深度学习的PCB缺陷检测技术

印刷电路板(printed circuit board,PCB)是电子产品的关键部件。在实际生产过程中,PCB难免会产生多种缺陷,对缺陷进行及时、精准检测具有一定的研究意义与应用价值。传统的检测方法存在速度慢、成本高、精度低的问题。针对PCB缺陷检测问题,开展基于YOLO系列算法研究,在相同的实验环境下,以平均精度、精确率、召回率、每秒传输帧数作为评价性能指标。实验研究发现,YOLOv7在精度方面比YOLOv5有一定的提升,而YOLOv5在训练和推理的速度上比YOLOv7更快。提出融合CBAM(convolutional block attention module)注意力机制模块的YOLOv5改进算法用于PCB缺陷检测。经实验验证,改进算法在PCB缺陷检测的精确性和速度性能上均得到提升,其中,平均精度、精确度和召回率分别提升了7.40%,3.57%和5.63%。

LNG螺旋骨架复合耐超低温柔性管道拉伸性能分析研究

LNG螺旋骨架复合耐超低温柔性管道采用了以螺旋骨架支撑,多层复合材料缠绕的非粘接结构形式,这类结构的力学性能分析中涉及到几何大变形、超低温环境、复杂层间接触等难题。传统的柔性管道拉伸理论模型不再适用于这类结构形式。本文针对12英寸(1英寸=0.025 4 m)口径的低温柔性管道开展了常、低温拉伸性能实验研究,建立了低温柔性管道的精细数值模型,并通过实验进行了模型修正。基于所建立的数值模型开展了温度、支撑层参数对管道拉伸性能的敏感性分析。结果表明,低温环境下管道的抗拉伸性能提高了12.69%,支撑层螺距增大50%将导致管道的抗拉伸性能降低52.36%。本文的研究为LNG螺旋骨架复合耐超低温柔性管道的设计和优化提供了一定的参考和指导。

Kevlar29纱线动态拉伸力学性能与本构方程

为了能够清晰地表征芳纶纱线在不同应变率下的力学行为,进行了Kevlar29纱线的准静态和动态拉伸试验,结合分离式霍普金森拉杆理论和运动目标追踪法,获得了Kevlar29纱线在不同应变率下的应力-应变曲线,分析了纱线动态拉伸的变形与断裂过程,揭示了Kevlar29纱线力学性能的应变率效应;通过最小二乘法拟合得到了基于纱线应变率效应的黏弹性本构方程,分析了三元件和五元件本构模型的差异及适用性。结果表明:随着应变率升高,Kevlar29纱线的断裂应变减小,拉伸强度和韧性先增大后减小,拉伸模量先增大后趋于稳定;五元件黏弹性本构模型能够较好地表征纱线力学性能的应变率效应。

基于界面相互作用的黏附接触数学模型研究进展

黏附接触现象在各个领域都有着很重要的作用和影响。若要分析物体间的黏附接触行为,则建立相应的数学模型是有效的方法之一。现有文献中的数学模型种类繁多,对于不同受力情况下的黏附现象所适用的理论也不尽相同。针对常见的黏附现象,按照其不同的受力形式分为弹性体接触、粗糙表面黏附及基材表面剥离等几大类,分别对以上几类接触行为采用的理论模型及其应用进行了归纳分析整理。综合叙述了基于计算机模拟技术的现代仿真模型的基本原理、应用和发展,重点介绍了适用于一般物体之间黏附行为分析的通用模型,以期为黏附接触领域的研究和建模提供指导和参考。对于弹性体接触的情况,重点介绍了经典力学接触理论的基本公式和适用类型,包括Hertz接触理论、JKR模型和DMT模型等,并依据Tabor数讨论了JKR模型与DMT模型的差异。对于粗糙表面的黏附接触,重点介绍了Greenwood和Williamson(GW模型)所提出的多凸起模型的基本理论和局限性。对于材料的表面剥离情况,重点介绍了剥离力学中应用最广泛的Kendall剥离模型的基本理论。对于现代仿真技术手段,重点介绍了分子动力学模型(MD模型)和有限元模型(FEM)的基本思想和优缺点。之后分别对以上各类模型的拓展完善、应用领域及研究进展进行了归纳总结,最后对黏附接触领域数学模型的发展方向进行了展望。

变含水量泥流本构及泥流-桥墩冲刷的流固耦合分析

泥石流是山区主要的地质灾害之一,对山区桥梁破坏严重.在流动过程中,泥石流受到含水量的影响较大,其本构模型会发生变化.本文对泥石流的一种特殊形式——泥流的质量含水量进行分析,将含水量引入泥浆的Herschel-Bulkley模型中,提出质量含水量及剪切速率同时变化下的泥流材料本构模型,并与成都黏土泥浆流变实验对比,验证该模型的正确性.而后基于两相流体的Navier-Stokes方程,将该本构模型应用于三维泥流-桥墩立柱冲击的流固耦合分析中,通过与相关规范及文献冲击压力经验公式计算结果对比,证实了模型的实用性.

关于负泊松比的材料力学课程教学拓展与探索

泊松比是材料力学课程教学中的重要力学概念与材料弹性常数之一。本文对现有材料力学课程中泊松比教学内容进行了拓展和补充,引入了负泊松比效应概念,并介绍了常见的负泊松比材料及其力学性能优势。重点基于内凹蜂窝超材料,详细介绍了实现负泊松比效应的超材料力学理论分析及其教学实践;并借鉴虚拟仿真实验概念,应用有限元数值分析方法,对超材料的负泊松比效应进行仿真分析与讨论,直观地展示了超材料的力学变形模式及其负泊松比效应。从而以此为切入点,加深学生对弯曲内力、挠度、应变和泊松比等重点知识的理解与实践运用。

碳/碳复合材料高温动态拉伸试验技术研究

为了满足碳/碳复合材料和高温动态拉伸试验需求,将大电流加热装置应用于旋转盘式霍普金森拉杆装置,以实现试验所需高温环境加热试样,并辅以水冷装置构成升温系统,同时使用红外测温装置检测和采集系统温度,共同构建碳/碳复合材料的高温动态拉伸试验系统,并采用数值分析模拟不同试样参数对温度均匀性的影响,确定试样尺寸参数。基于所得系统获取了碳/碳复合材料在室温~1 300℃的高温动态拉伸应力-应变曲线。试验结果表明,随温度上升,试样的破坏应变和应力均呈下降趋势。建立的高温动态拉伸试验系统可为开展碳/碳复合材料高温动态拉伸力学性能提供试验技术支持。

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。

层合多孔结构拉剪力学行为分析

基于层合多孔拉剪结构,考虑孔隙率、胞元铺设角度、胞元孔型及复合层数对结构承载力和稳定性的影响,通过实验和有限元仿真计算研究了平面多孔结构的力学性能和破坏形式。结果表明,孔隙率越小,单双层结构抗拉剪性能越大,双层模型增强幅度也越大;多孔结构胞元铺设角度为15°时具有更好的塑性变形和抗拉剪性能;正六边形孔型的塑性变形较好,正方形孔型的抗拉剪力较强;多层结构可以增强抗拉剪强度,层合多孔结构裂纹由单层模型发生脆性断裂的裂纹耦合而成。

退火处理对Pt基块体金属玻璃塑性动力学行为的影响

采用退火的热诱导方法向Pt基块体金属玻璃(Pt-BMG)基体内原位引入纳米晶,通过纳米压痕实验,考察了Pt-BMG在铸态和在玻璃转变温度Tg之上(250℃)退火15 min,2 h和6 h的力学性能和塑性动力学行为.研究结果表明,退火时间从15 min增加到6 h时,Pt-BMG的结晶度从34%增加到57%,平均晶粒尺寸从25.6 nm增加到38.3 nm,硬度和折合模量分别从5.66 GPa和133.83 GPa增加到8.65 GPa和182.89 GPa,同时载荷-位移曲线上的锯齿流变行为呈现从可明显观察到不连续的位移突变到比较平滑的变化规律.通过分子动力学模拟进一步证明,随着纳米晶尺寸的增加,剪切转变区的激活与剪切带的成核呈现先促进后抑制、先增加后减小的趋势.这是由于金属玻璃在塑性变形过程中,小尺寸纳米晶会被剪切带所包裹或溶解,促进了金属玻璃塑性变形的形成;而大尺寸纳米晶在承受载荷时,在晶体内部产生了位错和滑移,进一步抑制了剪切带的成核与传播.本文结合纳米压痕实验和分子动力学模拟,从原子尺度上揭示了纳米晶的尺寸影响非晶合金塑性变形的内在机理,为设计理想性能的金属玻璃提供了有效的实验基础与理论支撑.

超弹性Kirchhoff-Love板壳的相场断裂研究

板壳这类薄壁结构在诸多工程领域得到广泛应用,预测其断裂行为对工程结构的完整性设计和强度评估具有重要意义。超弹性板壳断裂行为的数值仿真需同时考虑复杂的运动学描述、超弹性本构关系、几何非线性和断裂损伤对弹性常数的退化,因此具有一定的挑战性。将Kirchhoff-Love(K-L)板壳理论与断裂相场法结合,采用T样条对位移场和相场的一、二阶偏导进行数值离散,满足了K-L板壳理论对形函数C^(1)连续的要求,建立了超弹性K-L板壳相场断裂模型的等几何分析数值格式,模拟了超弹性K-L板壳在均布载荷和位移加载下的断裂失效行为,研究了高斯曲率对超弹性K-L壳断裂性能的影响。数值模拟结果表明:所建立的数值格式可以有效地捕捉板壳在均布载荷下的复杂裂纹扩展路径,模拟得到的位移场可以有效地反映材料的裂纹分布情况;具有负高斯曲率的薄壳在承受内压作用时具有较好的断裂性能,可以承受更大的内压。

针对夏热冬冷地区的新型承载蓄热超结构墙体力学性能与温控效能研究

相变蓄热墙体能够有效降低室外温度波动对内墙面温度的干扰,提升室内热环境的稳定性并降低建筑能耗.由于冬夏季气象条件的差异,相变材料(phase change material,PCM)熔点的选择成为影响墙体热工性能的重要因素.为了实现蓄热墙体冬夏两季的高效利用,该研究构建了新型承载蓄热超结构墙体数值模型,对墙体力学性能进行检验,并模拟了冬季典型日和夏季典型日空气对流换热下墙体传热特性.结果表明,新型承载蓄热超结构墙体的力学性能满足工程应用需求,同时相较普通墙体具有良好的传热特性.其中,熔点为20℃的墙体在冬季热工性能最好,峰值相变率达到0.30,且内壁面最大温度波动为5.8℃,在夏季工况中,熔点为30℃的墙体具有较高的相变利用率为0.48,熔点为24℃的墙体内壁面温度波动最小.最后,综合考虑相变利用率和衰减倍数,获得了夏热冬冷地区最佳相变墙体熔点为24℃.

考虑颗粒团聚影响的聚合物基复合材料温度相关性拉伸断裂强度理论表征模型

聚合物基复合材料在不同温度下的拉伸断裂强度一直是人们关注的焦点,颗粒作为一种常见增强相可以显著提高聚合物基复合材料的拉伸断裂强度。然而,随着颗粒体积分数的增加,颗粒将会发生团聚现象,从而影响增强效果。针对颗粒增强聚合物基复合材料,通过计及颗粒团聚的影响,以及材料热物理性能随温度的演化,建立了一个考虑团聚影响的温度相关性拉伸断裂强度理论表征模型。模型得到了实验数据的良好验证。研究成果为定量表征不同颗粒含量、不同温度下复合材料的拉伸断裂强度提供了一种有效途径,加深了对不同温度下团聚现象对复合材料力学性能影响的认识。