利用努氏硬度表征金属的弹性模量和屈服强度

为利用努氏硬度表征金属材料弹性模量和屈服强度,提出了Marshall和Conway的修正模型表征弹性模量,以及Lockett、Yu、Marsh、Johnson和Vandeperre的修正模型表征屈服强度,开拓了努氏硬度表征金属材料力学性能的新应用。选取35种金属进行努氏硬度试验,利用Meyer定律、弹塑性变形模型、Hays-Kendall模型和比例试样模型对努氏硬度的正压痕尺寸效应(硬度随载荷的减小而增大)进行了分析,可以用大载荷下趋于稳定的硬度值代表材料的真硬度。首次考虑金属材料在努氏压痕短对角线处材料堆积的影响,Marshall模型和Conway模型进行了修正:Marshall模型中原有的常参数α修正为b/d(努氏压痕短对角线与长对角线的比值)的二次函数;Conway模型引入了与b/d的平方呈线性关系修正系数β。通过比较文献中与原模型计算的屈服强度,引入修正系数k,首次获得了基于努氏硬度利用Lockett、Yu、Marsh、Johnson和Vandeperre模型计算金属屈服强度的修正模型。结果表明:除Ti6Al4V和Sn外,修正模型与仪器化压入得到的弹性模量一致,置信度不低于0.94;除60Si2Mn弹簧钢外,修正后得到的屈服强度与文献值一致,置信度不低于0.90。

明胶/氧化纳米纤维素高弹性模量高孔隙皮肤支架的3D打印工艺

背景:在采用主动修复治疗手段应对皮肤创伤时,需要使用组织工程技术生成新的组织来代替坏死组织,皮肤支架在创伤修复领域具有良好的应用前景。皮肤支架需要呈现具有一定力学强度的三维多孔结构,以满足细胞增殖分裂的需求,而目前使用的明胶基生物材料力学强度弱,无法达到皮肤支架的使用要求。目的:针对明胶/氧化纳米纤维素复合材料制备组织工程皮肤支架时使用的3D打印工艺进行研究,重点研究不同工艺参数下制备皮肤支架的孔隙率与其力学强度之间的关系。方法:从葎草中提取10%浓度的氧化纳米纤维素晶须,再与5%的明胶复合得到明胶/氧化纳米纤维素复合材料,检测明胶与明胶/氧化纳米纤维素复合材料的弹性模量。以明胶/氧化纳米纤维素复合材料为基材,采用3D打印挤压成型方法制备皮肤支架,通过对材料进行力学性能测试和流变特性测试确定挤压成型工艺参数(填充间隙1.5-2.5 mm,0.1 mm均布;气压160-200 kPa),并以此制备具有三维多孔结构的皮肤支架。对皮肤支架进行了抗压性能的测试并与有限元分析结果相对比,论证了支架打印时的填充间隙与支架孔隙率及力学强度之间的关系。结果与结论:①通过实验得出,加入10%浓度的氧化纳米纤维素晶须使5%明胶的弹性模量度提升了8.84倍;在气压160 kPa下挤出成型可以得到1 mm直径的丝状凝胶,此时填充间隙从1.5 mm增大到2.5 mm会使支架的理论孔隙率从33%上升到60%,但抗压强度从230000 Pa降低到95000 Pa;②结果显示,使用2 mm填充间隙制备得到了理论孔隙率为50%、弹性模量160000 Pa的皮肤支架,该支架具有清晰的三维多孔结构。

可视化金属丝弹性模量测量平台设计

设计的可视化金属丝弹性模量测量平台,利用干涉法测量光程差原理,开发了一套干涉光斑测量装置,准确地测量出了金属材料拉伸过程中的微小形变量。引入机器视觉方法,实现了金属材料截面积的可视化测量。所搭建的传动结构可连续、稳定地施加拉力,为平台所开发的图形化操作界面,使测量过程可视化,通过观察材料表面形貌特征位移来验证拉伸变化。平台提高了实验测量精度,测量结果相对误差为3.3%。该测量平台可作为综合性实验仪器应用于大学物理实验教学当中。

内压法锆合金薄壁管弹性模量试验研究

薄壁管内压加载下的弹性模量测量具有较大难度,通常采用拉伸法测得的弹性模量来近似代替。该研究基于弹性力学理论,推导薄壁管受内压时的应力和应变公式,进而建立薄壁管受内压时的弹性模量分析模型。完成某型锆合金薄壁管在20~400℃下的内压试验和拉伸试验,对比分析两种方法得到的弹性模量差异。研究结果表明,该锆合金薄壁管20~400℃的弹性模量在67~96 GPa之间,且弹性模量随温度的增加而减小;基于内压法和拉伸法得到的锆合金薄壁管弹性模量趋势一致,且该变化趋势符合指数函数规律。两种方法所得锆合金薄壁管的弹性模量存在3%的差异,该差异在核电等精密领域不可忽视。因此,该研究建立的基于内压法的弹性模量试验方法具有良好的可行性,可更准确地描述薄壁管在内压状态下的力学性能。

椎间隙注入不同弹性模量骨水泥对邻近上下椎体应力的影响

背景:近年来,针对腰椎间盘退变和椎间隙变窄所引起的腰部反复疼痛病症从国外引入了椎间隙注入骨水泥的治疗方法,但部分患者在治疗后出现椎体骨折的情况,原因可能是骨水泥弹性模量不佳。目的:通过腰椎三维有限元模型分析椎间隙中注入不同弹性模量骨水泥对上下椎体表面最大应力的影响。方法:招募1名脊柱正常志愿者获取CT数据,利用Mimics、Geomagic、SolidWorks、Ansys建立腰椎L_(2)-L_(5)有限元模型,随后建立L_(3)-L_(4)椎间隙注射不同剂量(1 mL与4 mL)骨水泥模型,每种剂量下赋予骨水泥4种弹性模量(1000,2000,4000,8000 MPa),在L_(2)椎体表面施加压力与弯矩,分析L_(3)椎体下表面与L_(4)椎体上表面的应力。结果与结论:①在骨水泥注入量相同的情况下,随着骨水泥弹性模量的增大,L_(3)椎体下表面与L_(4)椎体上表面的应力增加,其中弹性模量1000 MPa骨水泥对L_(3)椎体下表面与L_(4)椎体上表面的应力影响最小,弹性模量8000 MPa骨水泥对L_(3)椎体下表面与L_(4)椎体上表面的应力影响最大,不同弹性模量骨水泥对整个腰椎活动度的影响较小;②结果说明,在满足治疗要求的情况下注入较低弹性模量的骨水泥可以降低术后骨折风险。

基于紧密堆积理论的混凝土弹性模量与徐变控制

为降低连续刚构桥跨中下挠幅度,针对弹性模量与徐变2种影响因素,提出一种基于骨料紧密堆积理论的配合比优化控制方法,并对比原配合比研究了优化控制方法对不同龄期与环境下的弹性模量与徐变的影响;结合SEM(scanning electron microscope)与MIP(mercury intrusion porosimetry)试验,从混凝土微观层面分析优化机理,以CEB-FIP(1990)模型为基础,提出考虑弹性模量成熟度的修正模型.结果表明:优化控制方法对早龄期混凝土弹性模量具有明显的控制效果,但界面过渡区面积的增加限制了后期弹性模量的发展;相同条件下,优化后混凝土徐变系数较原配合比降低了12%~23%;环境对混凝土徐变影响与优化控制方法相比占主导作用,不同环境下混凝土徐变变化幅度在45%~60%;混凝土徐变随加载龄期延长而减小,且优化后混凝土在较小加载龄期时,徐变仍比较大加载龄期的原配合比混凝土徐变降低3%~13%;优化后混凝土早龄期内部孔隙与微裂缝数量减少,改善了混凝土内部结构;修正后的CEB-FIP(1990)模型对徐变预测精度更高.

基于电测法测量弹性模量和泊松比的实验研究

测量材料的弹性模量和泊松比是材料力学实验的一项重要实验项目。为了丰富材料力学实验教学手段和教学内容,把理论计算、有限元仿真技术和电测法测试技术有机地融合在一起。分别通过电测法、ABAQUS软件模拟和理论计算方法得到低碳钢的弹性模量和泊松比。结果表明:模拟结果和理论计算结果几乎相等,但是电测法实验测试结果与理论计算结果之间的误差相对较大,主要是由于电阻应变片在试样表面的粘贴质量不高和试样的几何尺寸测量不精确造成的。

蓝宝石高温弹性模量的理论计算和实验测量

蓝宝石因其良好的透光性和高温稳定性而成为光纤式高温压力传感器的理想结构材料。蓝宝石在高温下弹性模量的变化与其高温压力测量的准确性密切相关,因此获取高温条件下蓝宝石的弹性模量是设计和制备高温压力传感器的必要前提条件。基于高温原位XRD测试得到不同温度下蓝宝石的晶胞参数,然后利用第一性原理对蓝宝石的弹性性能进行了理论计算,得到蓝宝石高温情况下的弹性刚度矩阵和柔度矩阵。同时基于脉冲激振法,测量了室温至1200℃范围内不同取向蓝宝石样品的弹性模量,验证了理论计算结果的准确性。理论计算及实验结果均表明:随着温度的升高,蓝宝石的弹性模量减小,并且不同晶向之间存在显著差异。所获取蓝宝石的高温弹性模量数据可为相关高温压力传感器的设计提供基础数据参考。

循环荷载下双裂隙砂岩弹性模量及裂纹动态演化

为研究不同岩桥倾角砂岩在循环荷载作用下的弹性模量变化和裂纹动态演化规律,对裂隙倾角固定为45°,岩桥倾角分别为15°,45°,75°,90°,105°的砂岩试件开展了单轴循环加、卸载试验和PFC^(2D)模拟.结果表明,不同裂隙砂岩的弹性模量随循环荷载作用得到了明显的强化;在循环荷载作用下,应力-应变曲线与离散元模拟得到的试件瞬时微裂纹演化曲线存在对应关系;岩桥倾角对砂岩的破坏模式有影响,PFC^(2D)模拟的裂纹动态演化可以合理地反映岩石中裂纹的萌生位置、扩展方向.基于微裂纹数目所定义的损伤与破坏模式很好地对应,岩桥倾角为45°时原始损伤是最大的.

非饱和膨胀土脱湿过程中的弹性模量研究

现有的理论与测试方法通常没有考虑非饱和作用对膨胀土弹性模量的影响,在处理降雨问题时会产生较大的误差。针对这一问题,本文研究了膨胀土在脱湿过程中的收缩变形特征,同时采用弯曲元以及应变控制仪获得了在小变形条件和有限变形条件下膨胀土的弹性模量与含水率的变化关系。结果表明:随着土样饱和度降低,膨胀土发生了明显的收缩变形;小变形弹性模量远大于有限变形弹性模量,且土样的小变形弹性模量随着饱和度的降低迅速增大,而有限变形弹性模量则随着饱和度的降低变化幅度很小;含水率或基质吸力对非饱和土弹性模量的影响趋势与应变水平密切相关。

循环加卸载下黑云母石英片岩的弹性模量与能量演化特征研究

黑云母石英片岩是一种典型的各向异性岩石,为研究其损伤演化规律及各向异性表现特征,针对含0°,45°,90°3种片理角度的试样,开展了等塑性应变循环加卸载试验。结果表明:不同片理面角度试样的破坏模式有所不同,0°片理面试样中的张拉破裂现象与45°片理面中的剪切破坏现象尤为明显。随着塑性应变增加,黑云母石英片岩的弹性模量表现出先强化、后弱化的现象,这一现象在高围压下更为明显。在弱化阶段中,弹性模量演化的转折点与裂纹起裂强度σci稳定时对应塑性应变一致。弹性模量作为岩石损伤劣化过程的评价指标较完整性系数受片理面角度的影响更小。在岩石内部能量演化过程中,耗散能大小与片理面角度的关系为0°>90°>45°,耗散能、弹性能下降的速率大小关系为45°>90°>0°,其降至稳定时与岩石损伤强度σcd稳定时对应塑性应变一致。该研究借助弹性模量和能量演化规律分析,探究了黑云母石英片岩的损伤演化力学行为。

不同分子亚型浸润性乳腺癌乳腺X线摄影、弹性模量和超声特征差异及浸润性乳腺癌发病危险因素分析

目的探究不同分子亚型浸润性乳腺癌的乳腺X线摄影、弹性模量和超声特征,并分析浸润性乳腺癌发病的危险因素。方法回顾性选取2020年1月至2022年1月在深圳市龙岗区妇幼保健院进行诊治的123例浸润性乳腺癌患者纳入研究,作为病例组。根据患者病理学分子亚型结果分组:管腔A型33例(Luminal A组),管腔B型42例(Luminal B组),三阴型26例(三阴组),人类表皮生长因子受体2(HER-2)过表达型22例(HER-2过表达组)。对各组的乳腺X线摄影(肿块形态、肿块边缘、肿块密度、微钙化及钙化分布情况)、弹性模量[面积比、应变率比值、最大弹性模量(Emax)、最小弹性模量(Emin)、平均弹性模量(Emean)、Eradio值]和超声特征(边界特点、回声类型、形态是否规则、有无钙化、后方回声表现、有无高回声晕、生长方向及血流信号方面)进行记录和对比分析,另选择同期在本院进行健康体检的50名志愿者作为对照组,探究浸润性乳腺癌的发病危险因素。结果各组经乳腺X线摄影检查结果组间比较,差异无统计学意义(P>0.05)。对各组间患者的乳腺X线摄影特征进行比较,4组在肿块形态、肿块边缘、肿块密度、微钙化及钙化分布情况方面差异均有统计学意义(P<0.05)。Luminal A组与Luminal B组相比较,两组间面积比、应变率比值、Emax、Emin、Emean、Eradio值差异均无统计学意义(P>0.05);HER-2过表达组的上述指标均较Luminal A组、Luminal B组、三阴组高,三阴组较Luminal A组、Luminal B组低,差异均有统计学意义(P<0.05)。4组间多普勒超声特征在边界特点(毛刺状、清晰、微分叶)、回声类型、形态是否规则、有无钙化、后方回声表现、有无高回声晕、生长方向及血流信号方面比较,差异均有统计学意义(P<0.05)。单因素分析发现文化程度、绝经状态、职业、生育史及流产史等均可能会影响浸润性乳腺癌的发病(P<0.05)。多因素Logistic回归分析显示文化程度低及未生育为影响患者发生浸润性乳腺癌的危险因素。结论不同分子亚型浸润性乳腺癌患者的乳腺X线摄影、弹性模量和超声特征表现均存在差异,患者文化程度低及存在生育史会增加患者发生浸润性乳腺癌概率,应予以重视。

空心玻璃微珠低密度水泥有效弹性模量计算与分析

空心玻璃微珠低密度水泥是典型的高水灰比、低胶凝相、多掺杂的多相多层次非均质复合材料,在弹性阶段其宏观力学性能由细观、微观乃至纳观尺度下的组成与结构决定。为探究材料的细微观结构对宏观力学性能的影响,在细微观力学框架下,基于Mori-Tanaka法、自洽法和四相模型,建立了考虑界面与微珠相互作用的微珠-低密度水泥弹性模量的多尺度均匀化理论模型,根据实验验证结果进行了影响因素拓展和分析。结果表明:水泥养护龄期越长,其弹性模量越高,但随着时间增长,弹性模量增大的趋势逐渐放缓,到28 d时趋于平稳;ITZ(界面过渡区)厚度是水泥弹性模量的重要影响因素,厚度的增加会使水泥的弹性模量极大地减小;微珠的密度与弹性模量共同影响水泥的弹性模量。

固废粗集料平均弹性模量与混凝土弹性模量的相关性

试验研究了12种不同固废粗集料压碎值试验中σ-ε曲线与配制混凝土的静态弹性模量之间关系,进行了压碎值试验固废粗集料变形的离散元数值模拟,分析了国内外主要标准中公式计算固废粗集料混凝土弹性模量误差偏大的原因。研究结果表明:基于中国、美国和欧洲标准的普通密度固废粗集料混凝土弹性模量计算值分别高出实测值45.5%、15.8%和52.5%;固废粗集料在压碎值试验σ-ε曲线的线性区间主要发生弹性变形;建立的固废粗集料σ-ε曲线指数模型拟合度高,R^(2)均大于0.99;通过在传统的压碎值试验中引入粗集料平均弹性模量、含水系数等参数,回归建立了固废粗集料混凝土弹性模量半经验公式,R^(2)为0.867。利用已有文献数据对半经验公式的普适性进行了检验,高判定系数(R^(2)=0.895)实测值与预测值的比较表明模型具有有效性,为快速、可靠预测固废粗集料混凝土弹性模量提供了依据。

弹性模量对框架预应力锚杆支护边坡坡面变形影响分析

基于强度折减法,通过实际工程案例对三种弹塑性模型下边坡失稳过程进行数值分析,探究边坡坡面变形规律,研究不同弹塑性模型下土体粘聚力和内摩擦角对边坡坡面变形的影响.结果表明:对边坡坡面变形影响最大的为变模量弹塑性模型,最小的是理想弹塑性模型;采用变模量和弹性模量线性增加弹塑性模型计算的变形更加趋近实际的变形.通过变形突变点对应的折减系数得到安全系数,为变形和边坡安全系数建立关系提供思路、为边坡监测预警系统的建立提供借鉴,对未来边坡工程信息化的进展有着重要意义.

基于脉冲回波法的反应烧结碳化硅弹性模量预测

为了快速准确地检测反应烧结碳化硅(RBSC)的弹性模量,基于材料超声声速与弹性特性之间的关系,采用脉冲回波法检测不同密度RBSC材料的超声纵波声速与横波声速,结合密度计算得到材料的弹性模量。建立了弹性模量与密度之间的直接模型,并将模型预测值与实测值、传统经验模型所得值分别作对比;进一步,研究了不同密度RBSC材料的面孔隙率和游离硅含量随密度的变化规律,并建立了密度与游离硅体积百分含量的经验公式。结果表明,建立的弹性模量预测模型可以无损、简单、快捷地得到RBSC材料的弹性模量,密度与游离硅体积分数的经验公式还可辅助调节RBSC材料的制备工艺,对碳化硅等复合材料的研制和检测具有重要意义。

高眼压作用下大鼠小梁网组织弹性模量的变化

目的探究高眼压持续作用不同时间下大鼠小梁网组织弹性模量的变化情况,为深入研究小梁网组织的力学特性与房水外流阻力之间的关系提供基础。方法选取18只SD雄性大鼠,体重控制在260~300 g。右眼通过烙闭上巩膜静脉建立高眼压实验组模型,左眼不做任何处理作为对照组,并分别在2周、3周、4周取下眼球后制作小梁网组织横截面冰冻切片,利用原子力显微镜对小梁网区域进行纳米压痕实验,使用Sneddon接触模型对压痕曲线进行拟合,得到高眼压作用持续不同时间下小梁网弹性模量的变化情况。结果实验组与对照组眼压差异具有显著性,说明成功建立了高眼压动物模型。2周、3周、4周实验组的小梁网弹性模量分别为(20.55±5.68)kPa、(23.98±4.42)kPa、(28.56±5.94)kPa,明显大于各自的对照组,且不同时间点3个实验组的小梁网组织弹性模量也存在统计学上的差异。结论随着高眼压的持续作用,小梁网组织弹性模量明显增大,且与作用时间呈正相关。这一发现一定程度上考虑了高眼压对小梁网力学性质的影响,为深入了解高眼压对眼球生理机制的影响提供了重要线索,所得结果对房水外流阻力增大机制的研究具有参考意义。

基于S_(0)波的正交铺层复合材料板拉伸弹性模量的测量方法

提出了一种基于兰姆波的正交铺层复合材料板弹性模量测量方法。正交铺设层合板相当于具有9个独立弹性常数的单层正交各向异性板。研究了正交各向异性板中S_(0)模态兰姆波(S_(0)波)群速度对9个工程弹性常数的敏感性。研究发现,在低频率厚度积下,S_(0)波的群速度仅与正交各向异性板的拉伸弹性模量和面内泊松比有关。通过分析正交铺设层合板等效工程弹性常数的变化范围,发现正交铺设层合板的面内泊松比变化很小,足以忽略其对S_(0)波群速度的影响。因此,可以用S_(0)波的群速度来估计正交铺层复合材料板的拉伸弹性模量,并建立了S_(0)波群速度与拉伸弹性模量的映射关系。该方法已在碳纤维增强正交铺设层合板上进行了数值模拟和实验验证。数值模拟和传统的静态拉伸实验验证了该方法的有效性。结果表明,该方法得到的复合材料板拉伸弹性模量与实际值的误差小于10%,为航空航天等工业领域相关结构参数的测量提供了方便。

采用纳米氧化铝制备高弹性模量超高性能混凝土的可行性研究

纳米材料具有粒径小、比表面积大、化学活性高等独特性能,能够提升水泥基材料的力学性能和在恶劣环境下的耐久性,在水泥基材料领域具有广阔的应用前景。弹性模量是超高性能混凝土(UHPC)的重要力学参数之一。虽然目前UHPC的抗压强度得到了大幅提升,但是其弹性模量并未随抗压强度同幅度增长。为了探究采用纳米氧化铝(NA)制备高弹性模量UHPC的可行性,本工作利用MAA (Modified Andreasen and Andersen)模型设计UHPC初始配合比,研究不同掺量的NA对UHPC工作性能、力学性能和耐久性能的影响。此外,本工作还探究了NA对UHPC微观孔结构和微观力学性能的影响。研究表明:(1)NA能使UHPC的28 d抗折强度、抗压强度、弹性模量分别提高8.23%~16.31%、8.04%~26.39%、9.44%~16.55%;(2)NA能使UHPC的干缩、氯离子迁移系数分别降低2.54%~13.01%、8.21%~17.28%;(3)NA能够优化UHPC的孔结构,提高其浆体弹性模量;(4)综合考虑NA对UHPC工作性能、力学性能和耐久性能的影响,NA在UHPC中的优选掺量为1.0%。本工作的研究结果对利用NA制备高弹性模量的UHPC具有指导意义。

海斗号全海深水下机器人体积弹性模量建模方法

面向海斗号全海深水下机器人万米深潜对重力与浮力的匹配性需求,研究其跨越万米深度过程中因体积变化而引起其浮力变化的海洋环境因素影响机理,分析各海洋环境因素对海斗号重力与浮力匹配的影响;基于机理分析法,构建海斗号全海深水下机器人综合体积弹性模量数学模型,为面向不同深度的作业任务提供浮力配平依据,实现其对不同深度剖面的环境适应性;利用海斗号不同下潜深度的海上试验数据,验证了本文构建的海斗号全海深体积弹性模量模型的准确性,为全海深水下机器人深度剖面环境适应性实现方案提供了模型参考和理论依据。