经编间隔织物增强硅橡胶基复合材料压缩行为的数学模型

为研究经编间隔织物增强硅橡胶基复合材料(silicone-rubber-matrix composite reinforced by warp-knitted spacer fabric,SWSF)在20%变形内的压缩机理,基于Euler-Bernoulli梁理论和Spence不变量本构理论,建立了SWSF的压缩细观力学理论模型,该模型由硅橡胶的力学模型和经编间隔织物(warp-knitted spacer fabric,WSF)的压缩模型组成。根据相应力学试验的结果,在MATLAB软件中计算了SWSF压缩细观力学理论模型的参数。利用复合材料的压缩试验,验证压缩细观力学理论模型的可行性。结果表明,建立的细观压缩力学理论模型能够较好地模拟SWSF试样在20%变形内的压缩行为。此外,该理论模型有助于理解SWSF的压缩机理,优化SWSF的产品设计。

玉龙雪山西麓原状冰碛土CT扫描试验研究

冰碛土是冰川行进融化过程中漂石、碎石、砂砾、粉土和黏土在毫无分选的条件下快速混杂堆积生成的一种特殊岩土材料,由其引发的工程问题日益受到岩土工程界关注。砾石颗粒细观组构是冰碛土独特沉积历史的反映,直接影响土体的岩土力学性质,但迫于原状冰碛土样极难取得,岩土工程领域迄今罕有研究。对此,采用人工精细切削的方式,成功取得了玉龙雪山西麓原状冰碛土样,并对取回的6块冰碛土原状样进行了CT扫描,首次获得了冰碛土内部真实细观组构图像。借助Matlab对CT图片进行二值化和消噪处理后,运用常规统计方法对冰碛土内砾石颗粒的面含石量、颗粒定向以及颗粒形状等剖面组构指标进行了描述。结果表明,垂直剖面之间的统计数据差异较小,但垂直剖面与水平剖面之间差异较大。

饱和砂土液化过程中细观组构的模型试验研究

采用室内振动台模型试验对液化过程中饱和砂土颗粒的细观组构进行研究.分析了砂土颗粒在液化破坏过程中颗粒长轴方向、平均配位数、孔隙率的演化规律及其与宏观现象之间的联系.应用表征上述量的组构参数分析了砂土的诱发各向异性,指出在循环荷载的作用下,砂土颗粒不断重新排列定向以适应新的应力状态,导致累积配位数的丧失、孔隙率增大,继而导致液化的发生.研究成果对于揭示砂土变形(液化)的细观机理以及建立砂土的细观力学模型都具有重要意义.

基于模型试验的散装铁精矿流态化细观规律

利用室内振动台模型试验,对散装铁精矿流态化细观规律进行了研究.基于细观图像采集分析系统,研究了铁精矿在流态化演化过程中颗粒间及颗粒与水分间的相互作用,分析了颗粒长轴方向、平均接触数、平面孔隙率等演化规律,探讨了铁精矿流态化细观规律及其与宏观现象间的联系.结果表明:水分迁移在铁精矿流态化演化过程中至关重要,其宏观表现是水液面上升;细观组构是控制铁精矿宏观力学行为的重要参数,其所反映的规律与宏观现象一致.

宏-细观结合的砂土单剪试验非共轴特性分析

针对传统本构理论无法描述土体单剪试验非共轴变形的不足,采用非共轴修正模型进行改进。模型基于材料状态相关临界状态理论,采用宏-细观结合的方法,将1个新的各向异性状态变量引入本构模型来描述砂土的各向异性。考虑细观组构张量和应力张量的几何关系的变化,模型可以描述砂土在主应力轴旋转条件下材料状态的变化,材料状态变化直接导致模型的硬化规律和剪胀性发生变化,因此,模型可以描述该条件下原生向异性对砂土变形的影响。引入非共轴理论对本构模型进行修正,建立了三维非共轴各向异性模型。单剪试验的加载条件会造成主应力轴相对土体沉积面发生旋转,修正模型不但能够描述砂土在主应力轴旋转条件下其原生各向异性对变形的影响,而且可以描述主应力轴旋转造成的应力诱发各向异性对土体变形的影响,因此,该模型能够对整个单剪试验的变形规律进行描述,而且物理意义清晰。通过铝棒堆积体和Toyoura砂单剪试验验证表明,非共轴修正各向异性模型能对单剪试验的整个变形过程进行较好的模拟。

饱和砂土液化特性的可视化试验研究

针对目前散粒体液化细观机制研究的局限性,对C.K.C型动态三轴仪进行改进,研制了可用于研究散粒体细观组构特征的动三轴可视化试验系统。利用该系统对循环荷载作用下标准砂的颗粒运动规律及细观组构特征进行初步探讨,从颗粒的运动规律、定向性、配位数和孔隙率等细观角度分析了循环荷载作用下饱和砂土发生液化的细观机制,认为液化的发生是土体在循环荷载作用下颗粒不断运动、重新排列的结果,指出颗粒长轴方向、配位数和孔隙率等细观组构参量是反映循环荷载作用下饱和砂土液化宏观响应的重要参量。

宏细观结合考虑主应力轴旋转的砂土破坏特性

采用宏细观结合各向异性破坏准则对主应力轴旋转条件下砂土的破坏特性进行分析。该准则是加载应力、组构各向异性程度和应力与组构几何关系3个因素的函数,可描述细观特性对任意应力旋转角度条件下破坏特性的影响。根据空心圆柱扭剪试验的特点推导一般正交坐标系下主应力轴旋转条件下的破坏关系式,考虑应力与砂土细观组构的几何关系,推导的关系式即可分析该条件下破坏特性。材料为各向异性时,主应力轴旋转造成破坏特性发生变化,细观各向异性程度越小变化越小;材料为各向同性时,则不会造成砂土破坏特性的变化。该式表明主应力轴旋转条件下不同破坏特性存在的根本原因是砂土各向异性的存在。采用空心圆柱试验结果进行验证,结果表明建立的关系式能较好描述不同应力加载角度条件下砂土的破坏特性。初步验证了由于砂土各向异性的存在使得主应力轴旋转造成了不同的破坏规律。

等应力比加载路径下堆石料力学特性的细观数值分析

堆石料的力学特性与应力路径相关,而常规三轴试验的应力路径与堆石坝工程填筑期坝体内的应力路径差别较大,因此本文采用考虑颗粒破碎效应的随机颗粒不连续变形分析(SGDD)方法进行等应力比加载路径下堆石料三轴试验的细观数值模拟,研究固结应力和加载应力比对堆石料强度和变形特性的影响.模拟结果表明:固结应力和加载应力比对堆石料的力学特性影响较大,随着固结应力的增加、加载应力比的减小,应力应变曲线由应变软化型向硬化型转化,试样也由低压剪胀向高压剪缩转变;p-q平面内的强度包络线具有明显的非线性;细观组构量的演化规律与堆石料的宏观力学特性密切相关.

平纹织物三维细观几何模型和织物防弹实验的有限元模拟

建立了平纹织物的三维细观几何模型,利用LS-DYNA有限元软件模拟了弹丸冲击的条件下,单层芳纶织物的响应过程。模型的几何形状参考了平纹织物的截面显微镜照片,使建立的模型更加准确,更接近平纹织物真实的结构。纱线模型选用正交各向异性材料,材料参数和失效条件均参考真实的Kevlar织物,并考虑纱线和纱线之间以及纱线和弹丸之间的摩擦。模拟中,通过设定弹丸的撞击速率Vs,得到剩余速率Vr,并由此计算单层织物的弹道极限速率V50。结果表明:织物的变形过程和失效形式在模拟中得到细致的显现,模拟所得结果V50和织物的失效形式与实验结果的一致程度较好。

薄镍板上Meso尺度结构的电火花线切割

研究了利用常规电火花线切割技术加工薄镍板微小结构的方法。利用慢走丝电火花线切割加工机床对厚度为0.6mm镍板上的Meso尺度结构进行了加工试验。以机床现有的工艺条件对零件进行试切割,对试切割后的尺寸精度和表面质量进行测量分析,在此基础上通过对放电能量、冲液压力、切割速度等机床参数的调整改进加工工艺。探讨了在200μm缝宽范围内进行多次切割的方法,并对切割次数进行合理优化、合并。试验结果表明:慢走丝线切割加工对小于机床设定厚度的薄板Meso尺度结构仍可进行稳定加工;通过多次切割的方法可提高表面质量。在200μm窄缝范围内进行5次常规切割,加工后的表面粗糙度值Ra为0.54μm;在保证表面质量的前提下,将5次切割合并为3次切割,加工后的表面粗糙度值Ra为0.62μm,加工时间缩短了30%左右。该技术可为电火花线切割加工其他材料薄板微小零件提供支持与参考。

介观压阻效应微陀螺仪的制造问题及改进方法

将利用多势垒纳米膜介观压阻效应的高灵敏度器件应用在陀螺中,提出了介观压阻效应微陀螺仪结构,并论述了其工作原理.研究并开发了多势垒纳米膜及介观压阻效应微陀螺仪的制造工艺,通过对制造后的结构进行测试,发现了制造过程中的缺陷,包括敏感结构多势垒纳米膜制造缺陷、陀螺检测梁和驱动梁制造缺陷、检测信号电磁干扰缺陷和封装缺陷等.分析论述了形成缺陷的原因,提出了克服这些问题的工艺方法,从而改进了隧穿微机械陀螺仪的制造工艺,有利于提高微陀螺的制造成品率.

预浸织物剪切变形时树脂细观分析模型

为了更好地研究在发生剪切变形时预浸织物材料的力学性能,建立了在像框剪切试验时未固化的树脂对织物发生剪切变形时的阻碍作用的细观分析模型.通过对材料的单胞进行分析,得到了织物单胞变形前、后各质点间的运动学关系,进而得到了树脂材料对整个织物单胞的阻力矩,即树脂的阻尼作用.此阻尼作用较好地说明了树脂在预浸织物材料中的作用.此外,通过树脂的流变试验得到其粘性系数,该粘度系数确定,即该材料的阻尼作用确定.

2.5D结构筒状立体机织物细观分析及建模

文章为了探究2.5D结构筒状立体机织物的细观几何关系,通过显微观察和结构分析,提出纬纱截面为双凸透镜截面、经纱截面为扇形截面的假设,并建立了2.5D结构筒状立体机织物实体模型和2.5D结构细观几何结构模型,推导了细观几何表达式和细观微元中纤维体积分数计算公式。结果表明2.5D结构被用于筒状织物时,细观几何结构会发生一些改变。

碳纤维平面三向机织物细观结构分析

采用计算机断层扫描(Micro-CT)技术观察碳纤维平面三向机织物(CFTWF)横截面的细观形貌,获得织物中纱线的屈曲形态,再结合纱线交织规律,构建CFTWF细观结构单胞模型,并基于单胞模型的几何关系推导CFTWF细观结构参数的几何关系式。对比和分析CFTWF基本结构参数的理论计算值与实测值发现,两者的相对误差在8.29%以内,表明该细观结构单胞模型具有较高的准确性,且研究发现CFTWF面内结构实际是以正六边形空洞和正三角形空洞相间规则分布的。

基于微型铣床的非硅材料中间尺度微细切削加工技术研究

在综合考虑各项因素的基础上,研制了一台能够满足三维形貌加工要求的微型铣床,并进行了平面、微槽、微型齿轮、半凹球以及四面体微透镜阵列等各种典型微小特征的铣削工艺试验,体现了该铣床的加工精度和加工能力,证实了微型铣床加工技术的可行性。