固体力学跨尺度计算若干问题研究

本文展示了固体力学领域跨尺度计算的若干问题和研究概况。(1)建立位错动力学与有限元耦合DDD-FEM的计算模型,实现了能够基于纳米尺度离散位错运动机制计算分析连续介质有限变形晶体塑性问题,提出微纳尺度(200 nm~10μm)晶体塑性流动应力解析公式,结合试验数据揭示了在无应变梯度下强度和变形的尺寸效应;(2)建立具有微相分离结构的纳米尺度粗粒化分子动力学模型CG-MD,计算获得聚脲材料在时域和频域下的存储模量和损耗模量,通过动态加载分析的DMA试验和超声波试验的数据验证,解决了连续介质尺度下微相分离高分子共聚物的设计难题;(3)通过数据驱动关联高分辨率的微米尺度CT影像和临床低分辨率的毫米尺度CT影像的特征值,建立了围关节松质骨小梁的等效模量和结构张量,为骨组织增材制造点阵结构设计和实现个性化骨缺损重建奠定了基础。

铸态30CrMnSiNi2A钢的热变形行为与热加工图

目的研究铸态30CrMnSiNi2A钢的热变形行为,并建立热加工图评估出合适的热变形参数。方法在变形温度900~1200℃和应变速率0.01~10 s^(−1)条件下开展热压缩实验,分别构建应变0.2、0.4、0.6、0.8下的热加工图,结合扫描电镜对变形后的微观组织进行分析。结果30CrMnSiNi2A钢在压缩过程中真应力的变化是加工硬化和动态软化协同作用的结果;在低应变速率时(0.01、0.1 s^(−1)),流动曲线在应力值达到峰值应力(σp)后都表现出流动软化现象,而在高应变速率下流动曲线则表现出连续的加工硬化现象。结论根据变形试样的微观组织和塑性流动是否稳定,可将热加工图分为3个区:流动失稳区、不完全动态再结晶区、完全动态再结晶区,在完全动态再结晶区内的晶粒细小均匀,所以将变形温度1100~1180℃、应变速率0.01~0.5 s^(−1)确定为适合于30CrMnSiNi2A钢的加工窗口。

Waspaloy镍基合金高温流变应力及其本构模型构建

针对涡轮发动机涡轮叶片复杂应力状态下的时效变形问题,以涡轮叶片材料Waspaloy镍基合金为研究对象,开展Waspaloy镍基合金时效处理,完成时效态Waspaloy镍基合金600、700和750℃准静态高温力学拉伸试验。利用Ludwik和Hollomon经验公式预测Waspaloy镍基合金高温塑性段流变应力,引入平均误差(the mean error,E_(r))和均方根误差(root mean square error,RMSE)评价流变应力的预测准确度。结果表明,时效处理后合金的硬度得到有效提升,而其塑性性能有所降低。Waspaloy镍基合金的抗拉强度和延伸率在600~750℃区间范围内与加载温度呈负相关关系。Ludwik模型较Hollomon模型有更高的流变应力预测精度,而在高温高应变区域Ludwik模型预测流变应力仍存在较大误差。在Ludwik模型的基础上引入指数项,修正后的Ludwik模型能更好地预测Waspaloy镍基合金高温塑性段的流变应力。

苏北盆地页岩油基质与裂缝流动能力实验研究

页岩油藏具有复杂的孔隙结构和超低渗透能力,合理评价储层基质和压后不同类型裂缝流动能力对制定合理工作制度和有效开发页岩油藏具有重要指导作用。采用巴西劈裂方法模拟不同裂缝形态,基于核磁共振技术构建了一套评价基质和裂缝流动能力方法,并以苏北盆地高邮凹陷阜宁组二段(以下简称阜二段)页岩岩心为基础开展了基质和裂缝导流能力评价研究。实验结果表明:页岩储层最小流动孔隙尺度为10nm,应力条件下流动规律表现为非线性、线性两段式;影响裂缝系统导流能力因素包括裂缝类型、开度、应力大小和驱动压差等;应力越大渗透率损失越大,最高可达95%,缝网越复杂开度越大,渗透率损失越大;生产过程中需要依据裂缝发育情况、上覆岩层有效应力特征来合理控制地层流体压力与井底流压的差值,保障油井能稳定生产,压力均匀向外传播;高邮凹陷阜二段页岩油井有效应力介于7~10MPa、流动压差介于10~15MPa为合理下泵时机或进行地层补能时机。研究成果对完善页岩渗流机理理论和现场应用具有重要意义。

TC4钛合金的力学性能分析和本构模型的构建

构建TC4钛合金本构模型,可以更精确地描述和预测TC4钛合金的力学行为,为其生产应用提供更加准确、可靠的理论依据。文章通过高温压缩实验,得到TC4钛合金流动应力与应变、应变速率以及温度之间的关系,并建立了初始的Johnson-Cook(JC)本构模型。根据应变量、变形温度、应变速率之间的相互联系,修正了本构模型并拟合数据;比较了拟合、实验结果,并借助误差用相关系数R定量评价不同本构模型对流动应力预测的准确性。结果表明:最终构建的钛合金本构模型的预测值误差相关系数R值可达到0.999,比原始的JC模型能更准确地预测材料的力学行为。

复杂流场下对焊燃油管路流固耦合特性分析

飞机燃油管路内部流体流动特性复杂,油液与管壁相互作用产生的流固耦合作用严重影响管路安全,深入研究流固耦合特性对减少管路振动和磨损具有重要意义。通过金相检测和微拉伸试验获得焊接接头区域具体尺寸和力学性能参数,建立带有90°弯管的对焊燃油管路流固耦合模型。采用Realizable k-ε湍流模型开展研究,综合分析在恒速流场下不同入口流速对流体域流动特性及固体域应力响应规律的影响和在脉动流场下不同区域等效应力的响应结果。结果表明:恒速流场下,出口弯管段最大等效应力受流速影响显著;脉动流场下,焊接接头处的最大等效应力出现在焊缝区且应力水平较为集中。可为改善飞机燃油管路的构型设计和系统性能提供重要参考。

珊瑚礁冠层水动力学问题研究综述

珊瑚礁冠层水动力学的研究不仅对维护珊瑚礁生态系统的健康以及生态修复具有指导意义,还能为在台风浪等极端波浪影响下的海岸带防灾减灾提供决策依据,也对预测珊瑚礁上的泥沙输运和珊瑚礁海岸线演变具有重要的参考价值。本文回顾了珊瑚礁冠层水动力学的研究现状,从冠层内外流动特性、冠层阻力特性及冠层阻力的模拟方法3个方面对当前该领域的研究进展进行了系统的综述,并提出未来冠层内外流动特性的研究可关注更复杂的波浪或波流共同作用下的水动力特性,冠层阻力特性应充分考虑冠层骨架结构的各向异性,冠层阻力的模拟可采用直接求解基于Navier-Stokes方程来复现冠层尺度下的精细化流场。

外负载对径向柱塞泵滑靴副流场特征和强度的影响

针对高压大排量径向柱塞泵在重载领域出现的滑靴副失效问题,在考虑油液黏温黏压特性的基础上,对滑靴副流体域展开数值计算和流固耦合仿真分析,探讨外负载对滑靴副流体域压力、流速、泄漏以及滑靴结构强度的影响。结果表明:当外负载从1.1×10^(8)N增加到1.2×10^(8)N时,吸油区滑靴副流体域的压力分布和数值基本不变,排油区滑靴副中心油腔压力增大1.5 MPa,流体域油膜的高压区面积增大,油液压力增大了0.05 MPa,油液流速稍有增加;滑靴副油液泄漏主要位于滑靴副边界处,高、低阻尼孔泄漏较小,随着外负载的增大,3处泄漏量都增大,单个滑靴副总泄漏量增大0.05 mL/s;外负载对滑靴强度影响较小,在排油区滑靴最大应力与变形发生在中心油腔处,此处是滑靴结构强度较为薄弱的地方。

压力性尿失禁女性患者尿动力学的影响因素分析

目的 探讨影响压力性尿失禁女性患者尿动力学检查结果的相关因素。方法 选取2017年10月至2019年10月首都医科大学附属北京妇产医院妇科门诊收治的压力性尿失禁女性患者141例为研究对象,尿动力学检查采用重量-时间法(承重法)和导尿管导尿法测量尿流率参数,包括最大尿流率、平均尿流率、排尿时间、尿流时间、最大尿流率达峰时间、残余尿量。尿动力学检查过程中若有尿液自尿道口不自主流出视为阳性。在141例压力性尿失禁患者中,将尿动力学检查结果阳性的93例患者作为阳性组,检查结果阴性的48例患者作为阴性组。比较两组患者的年龄、尿流率参数、尿流率曲线是否起伏,探讨其与尿动力学检查结果阳性的关系。结果 单因素分析结果显示,与阴性组患者相比,阳性组患者的年龄更大,最大尿流率、平均尿流率和尿流率曲线不起伏比例更高,尿流时间更短,差异均有统计学意义(P<0.05)。两组尿量、排尿时间、最大尿流率达峰时间、残余尿量比较,差异均无统计学意义(P>0.05)。多因素logistic回归分析结果显示,年龄和尿流率曲线是影响检测结果阳性的独立危险因素(P<0.05),年龄大、尿流率曲线不起伏的患者检测结果阳性的风险较高。结论 压力性尿失禁患者年龄和排尿方式为主要影响尿动力学检查结果的因素。

侧式进/出水口偏流出流下的大涡模拟

实际工程中受地形地质条件影响,引水洞在水平上存在转角,导致出流工况来流不均,进/出水口内部紊流特性的复杂程度显著提升。利用大涡模拟对某带水平弯段抽水蓄能电站侧式进/出水口进行数值计算,其流速、概率密度分布与模型试验吻合较好。结果表明:偏流出流下进/出水口各流道分流比分别为0.64、0.81、1.26和1.29,水平方向流速分布极为不均;垂直方向主流靠近中下部,垂向雷诺切应力在扩散段内呈一正一负峰值分布,该现象主要由中上部的流动分离和底部的壁面剪切造成;两中间流道的回流区高度大于两边流道,导致中间流道的拦污栅更易受到反向流速影响;流动分离使拦污栅附近存在三轴漩滚,靠近过水断面中上部和底部产生2处能量集中的低频脉动,且各流道在偏流条件下的紊动强度相比均匀来流的紊动强度分别提高11%、25%、29%、3%,不利的水流流态和较高的紊动强度可能对拦污栅造成威胁。

剪切来流下风力机后掠叶片的模态及静力学特性研究

以NREL 5 MW风力机后掠叶片为研究对象,结合复合材料铺层在ANSYS APDL中设计叶片有限元模型,通过CFD方法求解剪切指数为0.2时直叶片和两种后掠叶片(后掠2 m和后掠4 m)在0°和180°方位角下的气动载荷发现后掠4 m叶片在后掠段有明显的降载功能,随后使用ANSYS静力学模块对各叶片进行模态、静力学计算,分析不同后掠叶片的结构特性。结果表明:相较于直叶片,后掠4 m叶片有较好的降载性能,在0°和180°方位角下轴向力在0.8R处最大可降低7.5%和9.1%;随着后掠量的增加,一阶模态频率逐渐减小,一阶频率与3倍基频3P分别相差13.4%,11.9%及10.2%,因此不会发生共振;同一方位角下,后掠4 m叶片的叶尖位移最大,直叶片次之,后掠2 m叶片叶尖位移最小。

生态浮床根系密度及过流流量对矩形明渠水力特性的影响

针对河道中生态浮床对水力特性的影响不明确、不利于河道行洪排涝等问题,研究了生态浮床对矩形明渠水力特性的影响。首先,基于ANSYS-fluent软件,利用多孔介质概化生态浮床,构建了含生态浮床的矩形明渠三维水动力数值模拟模型;然后,用水槽试验验证了该模型的可行性,在此基础上探索了生态浮床根系密度、过流流量对矩形明渠水流水动力特征及其变化规律的影响。结果表明,生态浮床段的流速在垂线上呈“S”型三区分布,且根系密度及过流流量的增大使流速的三区分布更显著;紊动能和雷诺应力与生态浮床根系密度和过流流量成正比,可见生态浮床根系密度和过流流量对明渠水力特性影响较大。

基于间接热力学方法的变换应力方法推导

金属等没有剪胀性的连续材料在根据试验结果建立屈服函数后,可以由Drucker公设及其相关联流动法则推论直接唯一地确定出与屈服函数一致的塑性势函数。但大量试验结果与理论分析都表明Drucker公设对于土材料这种有剪胀性的颗粒材料并不适用,所以更具普适性的热力学成了正确描述土材料塑性流动方向的必要条件。然而塑性流动方向无法只由热力学这一描述材料特性的必要条件唯一地确定,因此便出现了先由试验确定屈服面与塑性流动方向再对其进行热力学验证的间接热力学方法。此外,由于土材料在三维应力空间中不同洛德角对应子午面上的应力应变规律并不一致,因此一般会通过三维化方法来描述土材料在三维应力空间中的力学特性。三维化方法会使得不同子午面上的屈服面及塑性流动方向与三轴压缩状态下所建立的本构模型有所不同,导致三维化后的本构模型是否符合热力学原理成为新的问题。所以本文利用间接热力学方法推导了符合热力学原理的三维化方法,并通过构建变换应力空间将其整理为更有实用性的变换应力方法。

基于SHPB技术测试典型金属动态压缩性能的尺寸效应分析

为探究金属材料在SHPB动态测试中的尺寸效应问题,该文选用3种具有典型晶体结构的金属材料2A12铝合金(面心立方,FCC)、45钢(体心立方,BBC)以及TC4钛合金(密排六方,HCP),分别加工成具有相同长径比(0.8)、不同尺寸(Φ10 mm×8 mm,Φ5 mm×4 mm,Φ2 mm×1.6 mm)的圆柱形压缩试样,并采用三组不同杆径的SHPB装置(杆径分别为Φ19 mm、Φ12.7 mm、Φ5 mm)进行动态力学性能测试。结果表明:在金属材料的动态压缩力学性能测试中,所用试样的尺寸在满足一定要求时方可获得其稳定的塑性流动应力,对于绝大多数金属建议采用直径大于5 mm的试样进行测试;采用微型SHPB装置配合小尺寸试样所测得材料的塑性流动应力偏低;对应变率敏感的材料,其尺寸效应也更为显著;被测试样的塑性流动应力或与试样的应力三轴度(即一维应力程度)相关。该文意在分析SHPB测试中的尺寸问题以期对相关学者和工程技术人员准确地获取金属材料的动态实验数据提供参考。

1060Al/Al-Al_(2)O_(3)/1060Al层状铝基复合材料热变形模型对比分析

采用Gleeble-3500热模拟试验机在变形温度为25~400℃、应变速率为0.01~10s^(-1)和真应变为0.85的条件下,对1060Al/Al-Al_(2)O_(3)/1060Al层状铝基复合材料进行了热压缩试验,研究其热变形行为,建立了应变补偿的Arrhenius (SCA)、修正的Johnson-Cook (MJC)和修正的Zerilli-Armstrong (MZA) 3种本构模型,并对流变应力的预测值与实验值进行对比。结果表明,层状复合材料流变应力呈加工硬化型,并随温度升高或应变速率降低而降低;在100℃/0.5s^(-1)、200℃/0.1s^(-1)和300℃/0.1s^(-1)条件下,层状复合材料组元层间变形较为协调;3种本构模型中,MZA模型的相关系数最高,R为0.99085、平均绝对相对误差最低,e_(AARE)为0.046966,更适合描述1060Al/Al-Al_(2)O_(3)/1060Al层状铝基复合材料的热变形行为。

Cu-2Ti-0.3Zr合金的热变形行为及组织演变

通过真空熔炼技术制备了Cu-2Ti-0.3Zr合金,在变形温度为750~900℃及应变速率为0.001~1 s^(-1)的条件下,采用Gleeble-1500D热模拟试验机对Cu-2Ti-0.3Zr合金进行了热变形试验。通过分析合金的热变形行为,构建了其本构方程和热加工图,并分析了其在不同变形条件下的微观组织演变。结果表明:合金的流变应力随变形温度的降低而增加,随应变速率增加而上升。通过绘制热加工图,得到了Cu-2Ti-0.3Zr合金的最佳热加工工艺:变形温度为825~900℃和应变速率为0.010~0.050 s^(-1)。在较优的工艺条件下,合金的组织主要由变形晶粒和等轴亚晶组织组成。

AlMg_(4.5)MnZr合金热变形行为及热加工图研究

在Gleeble-3500热模拟试验机上进行了热模拟压缩试验,对AlMg_(4.5)MnZr合金在变形温度300~500℃、应变速率0.01~10 s^(-1)、变形量60%条件下进行了高温流变行为和组织演化分析,建立了AlMg_(4.5)MnZr合金的热变形本构方程和热加工图,并采用电子背散射衍射技术对热加工后AlMg_(4.5)MnZr合金的微观组织进行了验证分析。结果表明,该合金具有正的应变速率敏感性,在一定范围内,变形温度越高、应变速率越小,合金的动态再结晶特征越明显;运用建立的Arrhenius本构方程对该合金不同变形条件下的流变应力值进行了预测,预测值与实验测试值吻合较好;AlMg_(4.5)MnZr合金的热加工图中仅存在1个失稳区,可加工区间较大,其中最佳加工区域参数为:变形温度440~500℃,应变速率0.01~0.1 s^(-1)。

基于应变的应变硬化指数演化行为研究

为准确描述变形过程中双相高强钢板的应力应变关系,针对3种双相高强钢板应变硬化指数的演化行为进行了试验研究与理论模型预测。借助单向拉伸试验机和自主研发的DIC应变测量系统,获得了3种材料的真实应力-真实应变曲线,基于经典的Hollomon流动应力模型,得到了其应变硬化指数的演化历程,发现3种材料应变硬化指数与真实应变呈非线性变化关系。为了更好地预测应变硬化指数的演化行为,提出了可以描述其值变化的非线性数学模型,并结合经典的Hollomon流动应力模型,提出了基于n值变化的修正的Hollomon-n流动应力模型,最后通过3种材料的真实应力-真实应变曲线验证了所提出模型的有效性。

二维斑点追踪自动功能成像收缩后缩短对缺血伴非阻塞性冠状动脉疾病的诊断价值

目的探讨收缩后缩短对缺血伴非阻塞性冠状动脉疾病(INOCA)患者的诊断价值。资料与方法选取2020年5月—2022年12月辽宁省人民医院临床诊断为INOCA的患者85例,依据经胸腺苷负荷超声心动图,获得用药前后左前降支远端舒张期平均血流速度之比即冠状动脉血流速度储备(CFVR)并分为两组:CFVR<2.0为冠状动脉微血管功能障碍(CMD)组(n=40),CFVR≥2.0为对照组(n=45)。所有入组对象测量常规超声心动图参数左心室舒张末期内径指数(LVEDDI)、左心室舒张末期容积指数(LVEDVI)、左心室收缩末期容积指数(LVESVI)、左心室射血分数(LVEF)、二尖瓣舒张早期、晚期血流速度(E、A)、E/A、二尖瓣环侧壁与室间隔侧舒张早期运动速度平均值(e’)、E/e’,同时应用二维斑点追踪自动成像测得左心室整体纵向应变(GLS)和收缩后指数(PSI)。观察两组间超声心动图参数和超声新技术测得参数的差异。分析CMD组CFVR与PSI的关系。结果对照组与CMD组的LVEDDI、LVEDVI、LVESVI、LVEF、E、A、E/A、e’、E/e’和GLS差异均无统计学意义(t=-0.577~1.472,P>0.05),而PSI升高差异有统计学意义(t=-5.370,P<0.05);CMD组CFVR与PSI有良好的相关性(r=-0.486,P<0.05);受试者工作特征曲线显示PSI对CMD预测的曲线下面积为0.768,敏感度为68.0%,特异度为77.8%。结论PSI在评价INOCA患者左心室收缩功能方面有较好的应用价值,可早期发现此类患者左心室收缩功能损伤。

挤压态WE71镁合金热压缩变形行为

通过热模拟实验研究了挤压态WE71镁合金在变形温度为653~773 K、应变速率为0.001~1 s^(-1)条件下的热压缩变形行为,并采用EBSD对热加工图中的失稳区和可加工区的微观组织、动态再结晶过程进行了分析。结果表明,WE71镁合金属于正应变速率敏感材料,峰值应力随变形温度的升高逐渐下降,随应变速率的增大逐渐升高;在653 K和0.1 s^(-1)条件下开始发生动态再结晶,随着应变速率的降低,动态再结晶分数增加且平均晶粒尺寸减小,随着变形温度的增加,动态再结晶分数增加,但变形温度过高会使平均晶粒尺寸有所增大。挤压态WE71镁合金的变形失稳区主要为低温、高应变速率条件,最佳热加工工艺条件为733 K≤T≤773 K,0.001 s^(-1)≤ε·≤0.01 s^(-1)。