软质聚氯乙烯分子网络及其Gaussian模量

采用应力松弛实验及Haward模型,研究了增塑剂含量、填料[CaCO3、炭黑(CB)]和丁腈橡胶(NBR)对软质聚氯乙烯(PPVC)的分子链缠结网络结构、分子链滑移及Gaussian模量的影响.结果表明,在PPVC主网络达到极限伸长之前,PPVC材料的粘弹行为能很好地符合Haward模型.增塑剂、CaCO3和CB虽然不改变主网络的缠结结构,并且主网络的极限伸长不变,但增塑剂可以降低主网络的网链密度,而CaCO3和CB可以提高主网络的网链密度;同时增塑剂可减弱次级网络,增大PVC分子链滑移,使材料的Gaussian模量下降;CaCO3和CB可增强次级网络,减小PVC分子链滑移,使材料的Gaussian模量增加.NBR的加入可以改变主网络的缠结结构,增加主网络的极限伸长;既可降低PPVC主网络的缠结密度,又可减弱次级网络,使Gaussian模量降低.

单双向循环荷载作用下砂砾料动模量和阻尼比试验研究

通过大型振动三轴试验,研究了单双向循环荷载作用下砂砾料动弹性模量和阻尼比的变化规律,分析围压和径向循环动应力对砂砾料动力参数的影响。研究结果表明:在双向振动三轴试验中,砂砾料的轴向动应变受径向动应力的影响较小,动应变主要与施加的轴向动应力大小有关;单双向振动下砂砾料的动弹性模量均随着动应变的增大而逐渐降低,双向振动时砂砾料动弹性模量随动应变的衰减速率基本不变,在相同动应变下双向振动的动模量均低于单向振动;砂砾料在双向振动时的阻尼比大于单向振动,双向振动时消耗的动应变能更大。通过对两种试验条件下的最大动弹性模量、动模量比进行分析,建立了表述单双向试验条件下最大动弹性模量的换算关系式和双向振动试验中动模量比和动应变的修正模型。

高模量改性沥青的零剪切黏度研究

零剪切黏度(Zero-shear Viscosity, ZSV)是表征沥青抵抗永久变形能力的高温性能评价指标。为明确不同测试方法及计算模型对高模量改性沥青的ZSV计算值的影响及适用性,以推广高模量改性剂在道路工程的应用,采用动态剪切流变仪对基质沥青(Base Asphalt, BA)和含不同质量分数改性剂的高模量改性沥青(K1-HMB)进行60℃频率扫描试验和60℃稳态流动试验,并采用Cross流变模型及Carreau流变模型分别拟合沥青的ZSV,最后采用灰色关联分析法探讨ZSV与软化点之间的关联程度。结果表明:BA及K1-HMB属于伪塑性流体,在加载频率作用下均呈现剪切变稀的特征;含0.6%改性剂的K1-HMB具有最高的弹性恢复能力,K1-HM改性剂的建议质量分数为0.4%~0.6%;60℃频率扫描试验结合Cross模型计算的ZSV拟合值具有最高的可信度,可作为高模量改性沥青高温性能的评价指标。

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。

基于双模量理论的连续配筋混凝土复合式路面沥青层表损伤分析及Top-Down开裂控制

基于连续介质损伤力学和双模量理论,建立单一模量和双模量2种疲劳损伤本构,采用数值模拟的方法,对2种疲劳损伤本构模型进行了简单分析对比,并采用双模量损伤本构分析沥青层(AC)厚度、模量、拉压模量比以及AC层与连续配筋水泥混凝土层(CRC)摩擦系数4个因素对沥青层表面损伤的影响,在单因素分析的基础上通过响应面法对CRC+AC复合式路面抗Top-Down开裂性能进行优化设计。研究表明:AC层在单模量下的最大压应力比双模量下大0.1MPa,但AC层在单模量下几乎未产生拉应力,而双模量下的最大拉应力为0.08MPa;单因素分析得到AC层厚度、模量、拉压模量比、层间摩擦系数推荐最大取值分别为8cm、1700MPa、0.8、7;3个参数中,对AC层表面疲劳损伤度综合影响从大到小的组合为:AC层厚度和拉压模量比,AC层拉模量和拉压模量比,AC层厚度和拉模量;针对不同拉模量的AC层材料提出了不同AC层厚度下的拉压模量比控制标准。

基于机器学习的软土压缩模量预测及沉降分析

目前,常规土体试验及预测方法都难以准确获得压缩模量E_(s)。现基于机器学习理论建立一种非参数集成优化法计算E_(s),并与传统回归模型对比分析。从昆明地铁5号线会展中心场地选取203组泥炭质土物理力学指标样本,结合工程经验,选取其中8个重要的物理指标作为输入集,利用遗传算法优化BP神经网络输入层、隐含层及输出层之间的权值及阈值,采用相关系数R、正确率ACC及均方根误差RMSE多个评估指标优化确定算法的重要参数,将建立好的模型应用于多种土体,并与目前应用较多的方法对比分析,最后比较经验公式与本文方法预测地基沉降的性能。结果显示,GA-BP神经网络方法对分析样本适应性强、算法收敛快、所得结果精准可靠,具有较大优越性。该方法对软土场地多参数预测具有一定的指导意义。

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。

纳米材料杨氏模量的尺度依赖性

【目的】纳米材料杨氏模量与其对应的大块材料的杨氏模量完全不同,并且具有明显的尺度依赖性,然而纳米材料杨氏模量随尺度的变化却是多样且复杂的。一些金属纳米材料杨氏模量随着尺度减小而增大,并高于块体杨氏模量值;而一些半导体纳米材料的杨氏模量却随尺度的减小而降低,且低于块体杨氏模量值。这种相反的变化趋势的原因却并不清楚。【方法】基于纳米热力学理论,以纳米材料结合能为基础,从原子势函数与材料杨氏模量的内在关系出发,引入反映材料原子键本质的参数,详细推导了纳米材料杨氏模量定量解析过程,阐述了金属、非金属等纳米材料杨氏模量值和其随尺度的变化规律;揭示了纳米材料表面模量、内部模量对体系杨氏模量的贡献,并利用材料参数阐明纳米材料杨氏模量与尺度、原子键的物理关系。【结果】所构建的理论解析模型对零维纳米颗粒、一维纳米线和二维纳米薄膜的杨氏模量都进行了成功的预测。

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。

南水北调中线北京段岩体隧洞围岩变形模量分析研究

岩体力学参数是影响地下工程围岩稳定的重要因素,确定合理的岩体变形模量对隧洞设计至关重要。结合南水北调中线北京段西甘池试验洞工程,对岩体进行静载荷试验分析研究,详细介绍试验点岩体的加卸载变形关系曲线,获得西甘池隧洞岩体变形模量参数建议值,为工程设计提供依据,并以期为类似工程的设计和施工提供参考。研究结果表明:试验压力较小时,各试点岩体变形或弹性模量的变化曲线有的升、有的降,试验压力大于0.4 MPa以后,各试点的变形模量和弹性模量逐渐趋于稳定;隧洞围岩变形控制及支护结构设计时,应根据各段围岩的岩性(大理岩、滑石片岩)、结构完整性、节理裂隙的空间展布方式以及发育充填情况等综合考虑,结合工程类比和地质经验最终确定岩体弹性参数的基本代表值。研究的方法和结论可为类似条件下隧洞工程的设计、施工提供参考和借鉴。

橡胶混合黏土小应变剪切模量特性试验研究

为了研究橡胶混合黏土(混合土)的动变形特性,对不同橡胶掺量、橡胶粒径和围压的混合土开展共振柱试验,分析动剪切模量G和阻尼比λ的发展规律,并基于二元介质模型,提出了表达混合土接触状态的骨架孔隙比e_(sk)计算方法,进一步依托骨架孔隙比e_(sk)对混合土的最大动剪切模量G_(max)进行评价。结果表明:掺入橡胶颗粒后,混合土的G减小,λ增大,且橡胶掺量增大时,混合土的G减小、λ增大;围压增大时,混合土的G增大、λ减小;橡胶粒径增大时,混合土的G增大、λ减小。随着橡胶掺量增大,骨架孔隙比e_(sk)增大,G_(max)降低;在相同橡胶掺量时,随着橡胶粒径的增大,e_(sk)增大,G_(max)升高。在Hardin公式的基础上,基于骨架孔隙比e_(sk)提出了考虑橡胶掺量和橡胶粒径的G_(max)表征模型,该模型具有较好的准确性,可为评价橡胶混合黏土G_(max)提供依据。

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。

大学物理实验课程的通识教育探究——以“拉伸法测定弹性材料的杨氏模量”为例

“大学物理实验”课程是理工科学生较早接触的实验操作类课程,涵盖了力学、热学、电学、磁学、光学等多个分支领域。华东师范大学大学物理实验教学团队在实验教学中坚持将学科知识和通识元素有机融合,将综合育人的理念贯穿始终。本文以“拉伸法测定弹性材料的杨氏模量”为例,从“实验背景、目标要点、通识融入、案例挖掘”入手,探讨如何在大学物理实验教学过程中实施通识教育,以期兼顾“授业解惑和传道育人”,践行立德树人的教育初心。

磷石膏动模量及阻尼比试验研究

近年来,磷石膏废渣的生产和堆积迅速增长,给库区安全以及环境带来不小的隐患。该文利用英国GDS公司的GDS-DYNTTS型微机控制振动三轴试验系统,对杨家箐磷石膏堆场库区不同取土深度下的磷石膏废渣进行动力特性试验,主要针对其在围压较大、偏压固结条件下的动弹性模量E_(d)、阻尼比λ进行较详细的研究。试验结果表明:密度相同条件下,动弹性模量随着固结比和围压的增加而变大,且在动应变ε_(d)增长初期曲线变化率不大,ε_(d)超过0.01%后动弹性模量会迅速减小,再逐渐趋于平缓;利用Kondner模型发现最大动弹性模量倒数和动应变的曲线呈较好的线性关系;对动模量比(E_(d)/E_(d0))曲线进行归一化分析,可以得出动模量与动应变的变化趋势,并且根据Darendeli模型对磷石膏动模量比的衰变阶段进行划分;利用最小二乘法对阻尼比与动弹性模量比λ-Ed/Ed0分布进行拟合,得到归一性较好的经验模型曲线。

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.

平行级联光杠杆测量金属丝杨氏模量

光杠杆能放大微小变化量,在原子力显微镜,精密天平和杨氏模量测量等领域都有重要的应用。级联光杠杆能够在有限空间内提高传统光杠杆的放大倍数而受到广泛关注,但仍存在不容易确定反射级次,入射光与光杠杆倾斜平面必须有一定初始夹角等问题。平行级联光杠杆通过在垂直于光杠杆倾斜面的平面放置多个光杠杆,形成多次反射提高放大倍数,每个镜面进行一次反射,易确定反射级次,并且入射光与光杠杆倾斜平面可无初始夹角。研究分析了平行级联光杠杆的光路及测量原理,确定了计算公式,并通过测量金属丝杨氏模量进行了实验验证。利用望远镜观测的方法,通过三级平行级联光杠杆,放大倍数可达103.7倍,与单个光杠杆相比,提高了一个数量级。

基于因子分析法的大深度黄土压缩模量影响因素分析

以中平(中卫─平凉)铁路扩能改造项目62个最大深度21.9~93.7m勘探点的625组土工试验数据为依托,根据物性指标分布特征将大深度范围内的黄土划分为三层,基于因子分析法研究了黄土物性指标与压缩模量的相关性,分析了压缩模量的主要影响因素,提出大深度范围内黄土压缩模量的经验预测方法。结果表明:筛选出大于25 m的黄土层、小于等于25 m的黄土层三个影响最大的公共因子分别为孔隙比、饱和度、液限和孔隙比、含水率、液限;所建立模型的预测结果与实测数据误差较小,对三层黄土压缩模量预测的平均误差分别为5.8%、4.3%、5.6%,比视作单一土层拟合模型的12.4%的平均误差减小一半还多;对大深度黄土分层进行土力学分析,可以提高分析的准确度,但压缩模量的主要影响因素相近,浅层范围内含水率和压缩模量的相关性更高,而深层黄土饱和度与压缩模量的相关性更好。

高模量温拌改性剂对沥青基本指标和疲劳性能影响研究

为评价高模量温拌改性剂对基质沥青基本指标和疲劳性能的影响,在70#基质沥青中掺入不同剂量改性剂,采用动态剪切流变仪(DSR)对试验沥青进行动态扫描试验研究。首先制备了不同掺量高模量温拌改性剂改性沥青,随后评价其基本性能,并通过布氏粘度试验分析不同沥青的拌和温度与压实温度;再采用DSR对不同掺量高模量温拌改性剂改性沥青进行线性振幅(LAS)扫描试验和时间扫描试验。通过LAS试验和粘弹性连续损伤(VECD)模型分析不同掺量(0%,2%,3%,4%)改性沥青和SBS改性沥青的疲劳特性;基于动态扫描试验,应用耗散能原理探究不同掺量改性剂对沥青疲劳性能,同时把不同掺量改性70#沥青与SBS改性沥青的试验结果进行比对,并分析了改性剂的作用机理。试验结果表明:随着高模量温拌改性剂掺量增加,软化点增加,针入度和延度减少,3%掺量改性沥青软化点稍优于SBS沥青;改性沥青粘度随着改性剂增加先减后增,改性后沥青的拌和、碾压温度与70#基质沥青相当,均远小于SBS改性沥青,即改性后的沥青有良好的温拌效果;高模量温拌改性剂可不同程度提高沥青的疲劳性能,合适掺量改性沥青疲劳性能可与SBS改性沥青相当,高模量温拌改性剂的建议掺量为3%;研究结果将为高模量温拌改性路面材料工程应用提供参考。

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。