几种高性能纤维束的冲击动力学性能实验研究

利用直拉式Hopkinson装置研究了碳纤维、无碱E玻璃纤维、Kevlar 4 9/96 4 /96 4c、Twaron2 0 0 0、DyneemaSk6 6等纤维的动态拉伸性能。与准静态加载条件下相比 ,纤维束的拉伸强度基本与应变速率无关(玻璃纤维除外 ) ,而纤维束的弹性模量和失效应变随应变率的升高而明显变大。从高分子物理以及两种无机纤维的内部微观结构特征对纤维的力学性能与加载速率的关系进行了初步的物理阐释。讨论了实验数据的发散原因。

原子力显微镜的生物力学实验方法和研究进展

作为微纳尺度的力学工具,原子力显微镜技术被越来越多地应用于生物力学实验研究,推动了该交叉学科领域的发展。利用多种测量模式与改进的探针,原子力显微镜可以在液体中对亚细胞、细胞、组织等多个尺度的生命物质进行力学测量,研究其在衰老、癌变等生命过程中力学性质的动态变化。本文综述了原子力显微镜的力学测量原理、生物力学的实验方法,以及在单细胞的整体与局部、液-液相分离液滴、上皮囊泡组织等力学测量中的应用,分析了复杂流体与微纳尺度流动对实验测量的影响,并对该领域的发展进行了展望。

固体塑性实验室时间尺度的分子动力学模拟概述

随着超级计算机软硬件的飞速提升,基于经验势函数的分子动力学模拟在解析固体塑性的微观机制方面发挥着关键作用。但是,由于传统分子动力学基于牛顿运动方程数值积分,积分时间步长通常为飞秒量级,其模拟的时间尺度通常限于纳秒量级,从而为模拟长时间尺度固体塑性机制带来了巨大的挑战。本文从分子动力学模拟的时间尺度限制切入,介绍目前国际流行的几种实验室时间尺度原子模拟技术,并以晶体位错塑性与非晶态物质扩散和剪切转变塑性为例,阐述实验室时间尺度和原子精度计算机模拟的思想与实施步骤。最后,展望了目前加速分子动力学方法普遍存在的问题,并提出可能的解决方案。

水中悬浮隧道锚索的非线性涡激振动研究

建立了水中悬浮隧道锚索在波流场中涡激振动的非线性数学模型,考虑了锚索的几何非线性对其涡激振动的影响,并应用有限差分法求解了锚索的运动控制方程。计算结果表明:锚索在顺流向和横向2个方向运动的耦合作用特别是几何非线性作用的引入,抑制了部分高阶模态的激发,使锚索横向涡激振动的振幅减小,顺流向振动的振幅增大;在悬浮隧道的振动引起的强迫激励和参数激励作用下,锚索顺流向涡激振动振幅显著增大,横向涡激振动出现"拍"的现象。

移动接触线的物理力学研究

移动接触线,指两种互不相溶的流体在固体表面形成移动的三相接触区域.移动接触区域跨越多个尺度,其中三相物质之间的相互作用影响着整个流场的动力学特征.由于在能源、航天、生物等领域中的重要应用和迅速发展,移动接触线在新的应用背景下发展了新的难题.标度分析是度量接触线自相似扩展的重要手段.本文以移动接触线的标度关系为主线,介绍了"力–电–热–化学"多场耦合环境下,亲水内角、微柱阵列、可溶解固体、水力压裂滞后区等复杂几何结构的刚性/柔性固体表面,采用物理力学方法对于移动接触线动力学属性研究的进展.通过跨尺度实验研究、大规模分子动力学模拟和分子动理论/水动力学理论相结合的方法,发现了类固体前驱膜、单分子前驱水链、锯齿形接触线等新现象.从原子尺度的界面结构到连续尺度的流动特性,讨论了移动接触线自相似扩展的标度关系,以及其驱动来源、能量耗散、边界条件等物理机制和规律,为多物理场中的"Huh-Scriven佯谬"探索了解答,为移动接触线的前景和应用提出了展望.

瞬态加速液柱的流体力学问题研究

介绍了用激波和压缩气体加速液柱时的流体动力现象的实验研究,实验中采用了高速摄影技术。研究分为两部分:第一部分,液柱在被加速后在管内的气/液两相流的发展以及流出管外后喷雾流的形成,喷雾流自下而上产生;第二部分,气/液界面上的流体力学不稳定性,即Rayleigh Taylor(RT)不稳定性及Richt myer Meshkov(RM)不稳定性,液柱自上而下运动。实验发现,用此方法产生的喷雾具有流量大、射程远、覆盖面积大等特点。液柱在管内的加速过程中,上端面保持平面,下端面在经历了初始的不稳定性之后形成弹状流。在本实验的驱动压力及马赫数的范围内,RT和RM不稳定性的后期的发展过程比较接近,尽管两者的增长率不同。在RT不稳定性的初始阶段,高密度流体的尖钉先伸入低密度流体中;但是,在RM不稳定性的初始阶段,低密度的气泡先伸入高密度流体中。

平面可压基频涡卷非线性演化行为数值研究

采用高精度迎风／对称紧致混合差分算法，对可压自由剪切层转捩区中的几种典型展向 大尺度涡作用型态进行了直接数值模拟．通过施加给定来流条件下的线性最不稳定动性基频扰 动及其亚谐扰动，以被动守恒标量技术给出了基频涡卷的饱和、撕裂、融合以及三涡对并等细 节结构．分析显示，亚谐扰动相差是促生基频涡卷不同非线性演化过程的重要因素之一，可对 扰动能量的发展变化，以及剪切层厚度和混合效率产生直接影响．计算结果同实验流动显示图 像十分相似，表明了主导线性扰动的非线性耦合效应与一些实际涡作用行为间的内在联系．

利用损伤力学模型研究地震前兆现象

在地震等灾变破坏发生之前会出现一定的前兆现象,本文通过损伤力学模型,运用数值计算的方法对此进行了研究.从计算结果可以看到,在灾变破坏发生之前,由损伤所释放的能量(能量释放)和加卸载响应比值Y都发生了异常明显的变化,这表明二者具有相同的物理机制,在一定程度上都能够较为定量地刻画出系统的损伤演化过程.如果把二者相结合则可能对地震等灾变破坏做出更为准确的预测,本文结合实际震例对此也进行了一定的研究.

壁虎粘附微观力学机制的仿生研究进展

本文针对壁虎粘附系统最小单元的真实形状,类似于有限尺寸纳米薄膜的铲状纤维,综述了对其微观粘附力学机制主要影响因素的多个研究,主要考虑了有限尺寸纳米薄膜长度、厚度、撕脱角等对撕脱力的影响;物体表面粗糙度以及环境湿度等对粘附的影响因素;包括实验、理论及数值模拟的研究及结果比较.最后给出仿生粘附力学方向仍然存在的主要科学问题及进一步的研究展望.

石料力学性能分析在旧石器考古学研究中的应用

石料是石器制作过程中的重要因素,石料本身的力学性能不仅与古人类的原料利用方式密切相关,还会影响到石器打制方法、器物组合、甚至石器工业面貌。长期以来,旧石器考古学界对于石料力学性能的判断多基于简单的岩石矿物硬度和结构特征,实际上岩石的力学性能涵盖的内容远远超过其硬度和结构的范畴。本文使用力学研究的方法,通过对石料的单轴抗压强度测试,了解不同原料的力学性能,并将其与遗址出土石制品进行比较研究,尝试探讨岩石本身力学性能与石制品面貌之间的关系。

新型可控坍塌芯片连接技术(C4)及芯下材料力学性能研究进展

可控坍塌芯片连接 (C4)技术可以实现高速、高密度、小外形的封装 ,因此日渐得到关注和发展。然而 ,随着C4技术的普及 ,C4封装内由于芯片和基板间热膨胀系数 (CTE)的不匹配而引起的可靠性问题将日益突出 ,为此研究者在C4封装中引入芯下材料来提高C4封装的可靠性。文中侧重于制造工艺、可靠性以及最新进展对C4技术进行介绍 。

微孔泡沫塑料力学行为的研究综述

摘 要 对微孔泡沫塑料力学行为的研究文献进行了综述,简单介绍了微孔泡沫塑料的制备和表征方法,重点介绍了微孔泡沫塑料力学性能的研究工作,其中也包括作者近期在该领域的一些工作.这些工作主要讨论了微孔泡沫塑料的压缩、拉伸、冲击、疲劳和劲弹性效应.最后,给出了对该领域工作的一些讨论和展望.

移动接触线的物理力学研究

移动接触线指两种互不相溶的流体在固体表面形成移动的三相接触线．移动接触区域三相物质之间的相互作用影响着整个流场的动力学特征，其核心力学问题是“Huh—Scriven佯谬”：三相接触线处的应力和能量耗散的奇异性问题．由于在能源、航天、生物等领域中的重要应用背景，移动接触线问题已经成为多个领域的共性问题，因而在学术界受到了越来越多的广泛关注．

纳米孪晶铜力学性能和尺度效应的研究

采用基于机制的应变梯度塑性的传统理论(CMSG),对具有不同尺寸的铜纳米晶粒及孪晶的应力-应变关系进行了有限元模拟.在分析中提出了孪晶薄层强化带的概念并用粘聚力模型模拟晶界的滑移和分离现象,给出了在单向拉伸条件下不同厚度孪晶薄层和不同材料参数对孪晶铜总体应力-应变关系的影响,同时也给出了晶粒中孪晶薄层取向分布对孪晶铜应力-应变关系的影响.数值模拟结果显示:随着晶粒尺寸和孪晶薄层间距的减小,应变梯度效应逐渐增强,材料强化效果越明显;孪晶薄层的取向分布对材料整体的力学性能有较大影响,并且随着晶粒及孪晶薄层间距的减小,孪晶薄层取向的影响也越来越小.最后,有限元计算结果与实验数据进行了对比分析.

WFeNiMo高熵合金动态力学行为及侵彻性能研究

为了探究不同应变速率下WFeNiMo高熵合金的变形行为和侵彻性能,采用万能材料试验机、分离式霍普金森压杆开展了高熵合金的静动态力学性能试验,讨论了其在不同应变速率下变形特征微观机制.基于弹道枪试验平台开展了高熵合金与典型钨合金(93W-4.9Ni-2.1Fe,wt%)破片对有限厚钢靶侵彻作用性能试验研究,分析了两种合金破片侵彻作用过程与靶板破坏特征、侵彻穿孔能量消耗与撞击速度间的关系.结果表明:高熵合金、钨合金材料屈服强度与应变率呈正相关,且在相同的应变率下高熵合金具有更高的屈服强度;随着应变率的提高,高熵合金由脆性断裂、韧脆混合的准解理断裂发展至具有黏着特性的破碎变形模式;高熵合金具有较强的局部绝热变形能力,在侵彻薄钢靶时体现出较高的剪切敏感性;相同撞击速度下,高熵合金破片穿靶消耗的能量低于钨合金破片,对于薄钢靶具有更强的侵彻穿透能力.高熵合金具有优异的力学性能和侵彻能力,在高速撞击薄靶板时除了传统的剪切冲塞作用还具有一定的能量释放特性,在预制破片上有较好的应用前景.

多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的动力学响应分析

为了研究均匀/梯度多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的耦合响应过程和多胞子弹对夹芯梁的加载效果,对该冲击过程开展了理论分析、数值模拟和试验研究:通过将泡沫夹芯梁等效为单梁以简化分析,基于多胞子弹的冲击波模型和泡沫夹芯梁的等效单梁响应模型,构建了多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的耦合分析模型,给出了冲击过程中各响应阶段的控制方程,并结合龙格-库塔方法对方程进行了数值求解;基于三维Voronoi技术,开展了均匀/梯度多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的细观有限元模拟;在多胞子弹的冲击测试平台上进行了试验研究,结合高速摄影技术获取了多胞子弹和泡沫夹芯梁的速度响应。结果表明:耦合分析模型可以准确地预测多胞子弹和泡沫夹芯梁的速度历程曲线以及多胞子弹产生的冲击压强;在初始动量相同但密度分布或初速度不同的多胞子弹冲击下,同一构型的泡沫夹芯梁展现出不同的力学响应,这说明多胞子弹的加载不能简单地等效为脉冲加载,多胞子弹与夹芯梁之间的耦合效应不可忽略;相较于均匀多胞子弹,梯度多胞子弹的冲击压力波形更加尖锐,在其衰减过程中展现出更强的非线性特征。

CoCrFeMnNi高熵合金冲击波响应与层裂强度的分子动力学研究

高熵合金未来有望应用于航空航天和深海探测等领域,并且不可避免地会受到极端冲击载荷作用,甚至会发生层裂.本文采用分子动力学(MD)方法,研究了CoCrFeMnNi单晶高熵合金冲击时的冲击波响应、层裂强度以及微观结构演化的取向相关性和冲击速度相关性.模拟结果表明,在沿[110]和[111]方向进行冲击时产生了弹塑性双波分离现象,且随着冲击速度的增加呈现出先增强后减弱的变化趋势,但在沿[100]方向冲击时未出现双波分离现象.在冲击过程中,大量无序结构产生且随冲击速度的增加而增加,使得层裂强度随冲击速度的增加而减小.此外,层裂强度也具有取向相关性.沿[100]方向冲击时产生了大量体心立方(BCC)中间相,抑制了层错以及无序结构的产生,使得[100]方向的层裂强度最高;层裂初期微孔洞形核区域无序结构含量大小关系的转变,使得[111]方向的层裂强度在冲击速度较低时(U_(p)≤0.9 km/s)大于[110]方向,而在冲击速度较大时(U_(p)≥1.2 km/s)略小于[111]方向.研究成果有望为CoCrFeMnNi高熵合金在极端冲击条件下的应用提供理论支撑和数据积累.

细胞铺展动力学的研究进展

细胞与细胞外基质之间的相互作用在细胞的迁移、分化、凋亡等生理过程中起着重要的作用,细胞铺展作为细胞与细胞外基质作用的第1步,受到了人们的广泛关注.首先阐述了细胞铺展的关键生物动力学过程,对铺展3个不同阶段的特点进行了总结和归纳,并运用力学的观点阐明了细胞铺展的驱动力及驱动机制,详细讨论了聚合力、黏附力以及细胞张力等3种主要作用力在细胞铺展过程中的作用规律以及相应的物理模型.在此基础上,从细胞的黏性流动及力学平衡两个方面出发,简要综述了已有相关研究结果的不足之处,介绍了当前建立细胞铺展动力学模型的主要思路,并探讨了今后面向细胞生物学需求的相关细胞动力学的研究方向.

一类功能梯度材料表面接触力学研究进展

针对一类杨氏模量梯度变化的功能梯度材料,考虑摩擦、微动磨损和黏附等因素,综述了梯度材料有限尺寸、梯度变化规律、梯度涂层厚度、界面摩擦热、压头形状等对表面接触力学性能的影响;根据不同接触模型中接触界面应力场分布,分析多种因素影响下功能梯度材料表面抵抗磨损的能力;最后给出了功能梯度材料接触力学研究中仍存在的主要科学问题及进一步研究展望.

探索微纳尺度润湿动力学:长针式原子力显微镜的应用与进展

“如何在微观层面测量界面现象”是微纳尺度实验流体力学的关键科学问题,被列入世界前沿125个科学问题名单(Sanders S,Science,2021).由于光学衍射极限的限制,传统光学手段很难直接测量微纳尺度下的流动与界面现象.利用原子力显微镜的精准操控和小尺度力学测量等优势,结合长针式探针组装成的微流变计可以直接测量气-液-固三相接触线上的毛细力,并监测探针在垂直方向运动中力的动态变化.通过该技术手段,可以实现对流体界面的动力学行为以及各类材料在液体环境中力学性质在微纳尺度的精确表征.文章将系统介绍长针式原子力显微镜技术的实验原理和方法,及其在微纳尺度非理想界面润湿动力学中的最新研究进展,包括低能垒表面毛细力的速度依赖性与非对称性、无序粗糙表面接触线黏滑运动的统计学规律、柔性表面接触线动力学的状态与速度定律、以及离子液体-金属界面处电场对接触角迟滞的调控等,最后展望了该技术在新兴领域中的应用.该实验手段为检验各类理论模型与数值模拟提供了可信数据,为探究界面上复杂现象的物理本质提供参考.