基于机器学习的材料弹性性能预测及可视化分析

在工程材料的应用中,弹性模量是重要的性能参数,找到特定弹性性能的材料是新材料合成领域的热点问题,如何快速且准确的预测弹性在工程上具有重要意义.通过实际实验测量大量材料的弹性性能并不现实.因此,通过计算机模拟筛选材料数据,选出候选材料,再通过实际实验进行验证,是一种理想的新材料发现方法.目前材料性能预测的主要计算方法是基于第一性原理的高通量计算,这类方法效率低下,难以高效地完成大批量的材料筛选任务.而基于材料统计学的机器学习预测方法,可通过大数据挖掘,快速预测材料性能,成为一种有可能替代高通量计算的方案.本文将特征选择方法和机器学习模型进行组合,从中选择最有效的弹性模量预测组合方案,并设计交互界面对输入特征和材料弹性性能的关系进行可视化分析.实验表明Pearson/RFE和GBDT的组合模型性能最好,同时通过可视化分析发现每原子能量、熔点、密度等特征对于预测结果的影响较大.这些重要的特征可以从特征–目标关系中初步预测弹性模量的范围,目标属性值也可反过来估计材料的重要特征.这些研究成果可应用于探究弹性的影响因素、预测大批量材料性能和可视化分析指导材料合成.

从纳米水化硅酸钙到水泥净浆弹性性能多尺度递推模型

混凝土具有多尺度结构特征,其力学性能受到不同水化产物组分及微观结构的影响。基于分子动力学方法、化学计量法和均质化方法,建立了从纳米尺度水化硅酸钙(C-S-H)到水泥净浆弹性性能多尺度递推模型,其计算结果与实验数据吻合较好。基于该模型的计算结果可得:C-S-H凝胶中44%的孔隙率致使其体积模量、剪切模量和杨氏模量分别降低了约66%、53%和55%。当水灰比从0.3变化至0.5时,水泥净浆的体积模量、剪切模量和杨氏模量分别降低了约39%、30%和32%;LD C-S-H和毛细孔的体积分数分别增大了13%和20%。水化产物中C-S-H的体积分数越大,或水泥熟料中硅酸三钙的质量分数越大,水泥净浆的弹性参数越大。该模型为水泥基材料微观调控提供了指导。

针刺碳/碳编织复合材料的弹性性能

为研究针刺碳/碳(C/C)编织复合材料的编织结构和针刺密度对整体力学性能的影响,根据针刺C/C编织复合材料的细观结构、组成成分的体积参数和编织角度,提出带有针刺区域和编织结构的平行四边形单胞模型。建立针刺C/C编织复合材料细观结构模型,研究编织角度和针刺密度对整体复合材料弹性性能的影响。结果表明:针刺区域与纤维区域的接触处存在应力集中,纤维周围的基体也出现明显的应力集中现象;编织角对针刺C/C编织复合材料的弹性模量的影响较大。采用GB/T33501—2017标准进行复合材料轴向拉伸试验,发现模型预测的弹性模量与试验数据吻合良好,预测结果的误差为2.27%。研究针刺C/C编织复合材料的细观结构可为后续复合材料细观结构的设计和力学性能的探讨提供依据。

高温环境下陶瓷材料弹性性能测试技术分析

近几年,陶瓷材料在我国的各大领域得到了广泛应用,正在不断拓展,对陶瓷制品的规整度等方面的要求,也在日益提高。要想更好地解决当前陶瓷材料变形问题,测量与评估陶瓷材料在高温下的弹性性能非常重要。一般情况下,在高温度、参数恶劣环境下,要选择轻质、低密度和抗氧化强的陶瓷材料,才能够达到理想的要求。基于此,从陶瓷材料的研究背景、现状和弯曲度等角度,对其在高温下的弹性性能情况进行了测试与分享。

扇形内凹负泊松比结构弹性性能研究

文章提出了一种基于泊松比在笛卡尔坐标,对柱坐标系的等效转换下的扇形内凹负泊松比结构。建立了扇形内凹负泊松比胞元结构参数化模型,通过参数相关性分析结构各参数对结构弹性力学性能的相关影响程度,并通过有限元仿真分析,讨论了扇形内凹负泊松比胞元结构的弹性力学性能以及各参数间的对比影响,验证了胞元的负泊松比特性。设计了整体扇形辐射结构,通过有限元仿真分析验证了整体结构的弹性变形性能以及胞元设计的有效性,最后讨论分析了整体结构最终变形结果与胞元泊松比设计值差异产生的原因。

GFRP-RPC组合双层交通梁桥的弹性性能试验研究与有限元分析

设计了一种面向双层交通的GFRP-RPC组合梁桥,该梁桥由GFRP材质的两榀桁架及带肋平板通过胶栓混合连接而成,通过浇筑自密实RPC混凝土形成组合梁桥整体。对组合梁桥缩尺模型(1:8)进行多工况的拟静力加载试验和有限元分析,并对其弹性工作性能进行研究。结果表明:浇筑RPC后,梁桥的刚度约提高2.6倍,表明此类GFRP、混凝土组合形式有利于结构合理受力,下部加载时,梁桥变形约增大10%,对结构较不利;弦杆受力符合平截面假定,组合结构受力合理;上、下弦杆分别为压弯、拉弯受力状态,上、下部加载时,下弦杆拉应力分别约为上弦杆的1.5倍和2.5倍,下弦杆为薄弱弦杆;斜腹杆受拉,直腹杆基本呈受压状态,上、下加载方式影响直腹杆的受力形式,下部承载设计时需考虑局部拉、压应力较大的情况;顶板侧面混凝土受压,底板侧面混凝土受拉,腹杆设置有利于板面混凝土均匀受力。

界面范德华作用对石墨烯/聚乙烯复合材料弹性性能的影响

本文结合细观力学和有限元法,采用代表体积单元研究石墨烯/聚乙烯复合材料的弹性性能,分析界面范德华作用对复合材料弹性性能的影响。有限元模型中,石墨烯的碳碳键采用弹簧单元模拟,基体采用实体单元,界面范德华作用采用刚度为Lennard-Jones势函数的二次导数的弹簧单元模拟。其中,范德华数量通过一个简单数学模型确定,弥补了已有研究忽视范德华数量的缺陷。本文采用三明治和嵌入式代表体积单元模型讨论了不同石墨烯尺寸和体积含量下,界面范德华作用对石墨烯/聚乙烯复合材料杨氏模量和泊松比的影响,研究表明界面范德华作用对石墨烯/聚乙烯复合材料杨氏模量影响较大,尤其对沿石墨烯厚度方向的杨氏模量提升显著,对泊松比影响较小。

负泊松比蜂窝结构的选型和等效弹性性能分析

对负泊松比多胞蜂窝结构性能进行分析,得到更加准确的等效弹性性能预测公式。使用ANSYS软件对4种负泊松比蜂窝结构进行压缩模拟实验和三点弯曲模拟实验,选取出等效弹性性能最佳的蜂窝结构为椭圆型蜂窝结构。用有限元分析和孔隙率修正2种方法,分别求得椭圆蜂窝结构的等效弹性模量、等效泊松比、等效剪切模量在孔隙率为0.1~0.7的曲线变化,得出有限元拟合的等效性能误差较小,使用有限元拟合公式预测等效弹性性能结果较为准确。

2.5维编织复合材料弹性性能的理论研究

以2.5维编织复合材料细观几何结构的深入研究为基础,详细分析了其单元体模型。采用圆形纤维束截面和经纱沿正弦曲线分布的假设,建立了基于刚度平均的2.5维编织复合材料弹性性能分析预报模型,并采用M atlab编程用于计算该类材料的力学性能。在材料经向纱线密度不变的情况下,预测了弹性性能随纬向纱线密度的变化规律。通过理论计算结果与实验值对比,验证了该方法的正确性。

缝合复合材料弹性性能的三维有限元细观分析与试验验证

建立了缝合复合材料代表单元体的三维有限元模型,模型中考虑了缝线的实际形状,以及缝线与层合板之间的位置关系,并把层合板的每层视为有一定厚度的体,全面考虑缝合层板在3个方向上的性能。模型所取的单元体为全厚度方向,相对实际细观结构简化较少,分析结果与试验数据的比较表明,分析模型所得的结果可信,可以用于工程设计,为缝合复合材料的分析和减少试验件提供了理论分析方法。

2.5维机织结构复合材料的弹性性能预测

基于经纱矩形截面及纬纱双凸透镜截面假设,重点考虑了该结构表层经纱与内部经纱密度的不同及相同机织结构合成不同厚度和纤维束截面的情况,建立了2.5维机织复合材料的弹性性能预测模型.同时,试验测定了6种结构62个试件的弹性模量.数值预测与试验结果对比表明:研究建立的弹性性能预测模型可以较好地反映2.5维机织复合材料的内部结构;在2.5维机织复合材料弹性模量预测中,表层与内部经纱的差异不可忽略.

人体皮肤等效材料弹性性能的测试方法研究

针对皮肤等效材料力学性能的特异性,我们对人体皮肤等效材料弹性性能的测试方法进行了研究,提出静载压入试验法进行等效材料的弹性测试,并设计实验装置进行实验,实验结果表明该测试方法正确可行。

特定弹性性能材料的细观结构设计优化

针对具有特定弹性性质的两相复合材料 ,研究了特定性能材料优化设计问题的数学模型 ,提出了基于形状优化的材料设计方法。该方法利用形状优化技术 ,设计两相复合材料的细观结构形式 ,以使复合材料具有特定的弹性性质。材料的宏观性质由均匀化方法确定。

基于细观结构的三维机织复合材料弹性性能的分析

三维机织复合材料具有复杂的细观结构，通过采用双凸透镜的几何形状来描述被压扁的纤维束横截面，引入细观结构和几何参数，建立了基于织物细观结构预测三维机织复合材料的纤维体积分数和弹性常数的方法。通过参数分析预测了结构和几何参数对三维复合材料弹性性能的影响。开发了一个具有友好界面的三维机织复合材料弹性性能的分析软件，为复合材料结构设计者选定适合的织物增强结构提供了有效的计算工具。理论计算结果与实验值的比较，表明了分析方法的正确性。

HMX/TATB复合材料弹性性能的MD模拟

用分子动力学(MD)方法COMPASS力场,分别在正则系综(NVT)和等温等压系综(NPT)下,模拟计算了著名常用高能炸药HMX(环四甲撑四硝胺)与著名钝感炸药TATB(1,3,5-三氨基-2,4,6三硝基苯)所构成的混合体系在室温时的弹性性能和结合能.结果表明,在NVT和NPT两种系综下模拟所得结果呈平行一致的趋势;与纯HMX相比,HMX/TATB复合材料的拉伸模量、体模量和剪切模量均有所下降;在NVT系综下,还完成了HMX/TATB混合体系的不同温度的MD模拟.发现当温度在245～345 K范围时,体系的刚性和弹性变化很小;但当温度达到395 K时,材料的刚性减弱,柔性增强.

一种计算复合材料等效弹性性能的有限元方法

在最小二乘意义下提出了一种计算复合材料等效弹性性能的有限元方法.这种方法由于考虑了等效弹性张量各分量之间的耦合关系,所求得的等效弹性常数比传统方法更可靠,可适用于求解含任意形状的夹杂和夹杂物问题.通过算例计算了在不同弹性模量对比度下两相复合材料的等效弹性性能,并与相关的理论及数值结果进行了比较,结果表明,利用该方法计算含夹杂复合材料等效弹性常数是可行的.

橡胶类止水材料超弹性性能的研究与应用

考虑橡胶类止水材料性能对水封设计的重要作用,为了全面描述材料的超弹性性能,采用不同的Rivlin公式对橡胶类止水材料的单向拉伸、单轴压缩和纯剪实验数据进行曲线拟合与研究。结合工程实例,将各模型的拟合参数应用于充压伸缩式水封自由外伸量的非线性有限元计算中,并将计算结果与该水封自由外伸量模型实验进行对比研究。结果表明,2阶5项Rivlin模型能较好地反映橡胶类止水材料的超弹性性能,具有良好的工程适用性,将其应用于闸门水封非线性有限元计算能有效提高精度,这为闸门水封结构的设计和计算提供了有益的参考依据。

三维四向编织复合材料弹性性能的理论预测

在对三维四步(1×1)编织物结构分析的基础上,进一步完善了基元、面元和角元的三细胞模型,使修正后的模型实现了空间上的几何连续性,较为真实地模拟了编织预制件的纤维走向。然后,基于修正后的三细胞模型并采用刚度平均法预测了三维编织复合材料的弹性性能,通过与现有实验结果的比较,验证了该模型的适用性。

染整加工对氨纶弹性性能的影响研究

论述了染整加工工艺参数 ,诸碱浓度、双氧水浓度、汽蒸时间、次氯酸钠浓度与处理时间、定形温度与处理时间等对氨纶织物弹性性能的影响 ,得出一些有意义的结论 。

三维五向编织复合材料的弹性性能

根据实际编织工艺和编织预制件的细观结构模型,利用刚度等效的思想,导出了三维五向编织复合材料的刚度矩阵并计算了其弹性常数.在此基础上,对比分析了三维五向和三维四向编织复合材料的弹性常数随编织角及纤维体积分数的变化规律,讨论了编织预制件的截面尺寸对三维五向编织复合材料弹性常数的影响.结果表明,三维五向编织复合材料在保持三维四向编织复合材料良好性能的同时对纵向力学性能进行了增强;编织预制件的截面尺寸只在较小的情况下才对编织复合材料的弹性常数影响较大.