非均质材料力学研究进展：热点、焦点和生长点--ICHMM2008的观察和启迪

本文结合第二届国际非均质材料力学会议(ICHMM2008,黄山)专题讨论会和部分特邀报告的情况,以及2011年5月22～26日在上海崇明岛举行的ICHMM2011国际会议的内容,对该领域的研究进展及其热点、焦点和生长点进行了综合性的评述.重点讨论了多物理场与多尺度模拟、材料结构与力学行为从原子到连续介质的分析、随机微结构演化与退化、真实材料微结构的模拟、生物材料力学与仿生设计、在位实验和模型验证、功能梯度材料结构力学、微纳米功能器件开发等前沿性课题.其中特别用较多的篇幅讨论了多物理场与多尺度模拟的背景、目标、必要性、现有方法的优缺点、障碍、应用例子与其他前沿研究领域的联系及其发展态势,并阐述其研究焦点与值得注意的进展.

水泥基复合材料中倾斜钢纤维细观桥联模型

主要从细观尺度研究水泥基复合材料中倾斜钢纤维的桥联行为。对纤维在基体中的埋入部分采用杆元近似,基体之外的部分,根据其弹性或塑性状态分别作悬臂梁或塑性铰近似,从而简化为两种构形。结合这两种构形和杆元近似,并采用经典的描述轴向行为的Naaman剪滞模型,同时引入纤维的侧向有效承载面积来描述基体局部失效效应,推导了描述高模量倾斜钢纤维桥联行为全过程的解析模型。模型预测的桥联行为与实验有较好的一致性。

低应变速率下形状记忆合金的特性实验研究

形状记忆合金以其特有的形状记忆效应和超弹性,被广泛应用于医学、航空和建筑防震。在耗能性机构中,需要形状记忆合金能够在变速率条件下工作。为了获得非静态条件下的行为特性,比较静态和非静态条件下形状记忆合金的行为特性的差异,本文采用一种新的分析方法,即以形状记忆合金的特性参数为对象,来分析不同应变速率对形状记忆合金特性的影响。在不同的应变速率(0.0005/s,0.001/s,0.005/s,0.01/s,0.05/s,0.1/s)下,对50.8at%-Ni-Ti记忆合金丝的形状记忆效应和超弹性特性进行了实验研究。在低应变速率范围内,由实验结果得到:随应变速率增大,两种特性行为中的各纯相的杨氏模量保持不变;拉伸过程相变起始和终了临界应力会增大,卸载过程相变起始和终了临界应力会减小,滞后环面积增大;相变硬化系数在形状记忆效应行为中会增大,而在超弹性行为中基本不变。

磁流变阀控制行波壁的实验研究

对于在流体中运行的航行器,为了降低能量消耗和提高运行速度,减少流体的阻力至关重要。由于理论上可以将阻力降为零,行波壁减阻受到了广泛关注。但是目前所有的行波壁都是使用复杂的机械装置实现,因为这些机构体积大,耗能多而且不能适应不同的航行器的外形表面,所以难以应用于实际的航行器。本文中设计并制造了使用磁流变阀控制的二维行波壁,并且将样机在水槽中进行了实验研究。发现当C/U为0.309时,在波谷处可以形成稳定的涡。这种系统结构简单并可以布置在任意形状的表面上。该研究为行波壁在实际航行器上的应用提供了可行性。

伪弹性形状记忆合金杆屈曲行为研究

对不同长细比伪弹性TiNi合金矩形截面杆进行了压缩试验,通过应变片和热电偶来捕捉杆中间截面表层材料的相变演化,采用热电偶测量杆中间截面受拉侧的温度,分析了长细比和材料相变对杆件承载能力的影响。结果表明:加载和卸载阶段,两端夹支TiNi杆的载荷-应变曲线随着长细比的改变发生明显的变化,对于短杆,相变会提高其承载能力;对于长杆,其极限承载能力取决于长细比,相变的影响集中在后屈曲阶段;对于低长细比杆件,加载阶段温度持续升高,而高长细比构件,应变达到最大值时温度已开始下降,所有杆件在卸载结束时的温度均低于加载初始时刻。

石英晶体多路微天平等效电路和相关实验研究

从AT切的石英晶体等效电路出发,利用电路理论推导单片石英晶体上耦合电极的相互影响.相互耦合作用用复电阻描述,然后通过实验观察复电阻的频率特性,分析其具体的形式.同时通过实验初步观察了MQCM(multi-channelquartzcrystalmicrobalance)对石英片谐振频率的影响,以及不同电极尺寸对耦合的影响.

TA7钛合金拉伸和压缩加载时的孪生变形行为

在低温和常温下,使用准静态试验机和分离式霍普金森杆试验设备对具有较弱织构特征的TA7钛合金棒材进行准静态和动态的单向拉伸和压缩加载试验,并对加载后的试样进行EBSD观察和分析,考察了材料在加载时的孪生行为。结果表明:TA7钛合金的力学行为具有显著的应变率相关性和温度相关性,且其宏观力学行为表现出拉压不对称性。加载过程中,在低温和高应变率条件下孪晶更容易形成,这种温度和应变率相关性在压缩加载时更加显著。相对于多晶纯钛,TA7钛合金中的孪晶密度较小,这是由于铝原子的加入使得孪晶的形成较为困难。TA7钛合金孪晶形成的难易程度和种类具有拉压不对称性,孪晶更易于在压缩加载时形成。低温拉伸加载下形成的主要为{1122}孪晶,常温拉伸变形中形成的主要为{1012}孪晶;高应变率压缩加载下形成的主要为{1121}孪晶,而低应变率压缩变形中形成的主要为{1012}孪晶,这与材料的织构是密切相关的。

数字图像相关中亚像素位移测量的曲面拟合法

曲面拟合法求解亚像素位移是数字图像相关亚像素位移定位中的一种重要方法,它具有抗噪声能力较强、精度高、计算效率高等优点,在实际应用中多被采用。就该算法中影响亚像素位移定位精度的各要素进行了详细讨论,并用计算机生成的模拟散斑图和金属试件的刚体平移实验进行了验证,结果表明,整像素搜索时选取不同的计算窗口对计算结果的影响最大,而文中所列的几种相关函数的选取对计算结果的影响则可以忽略。

硅橡胶基磁流变弹性体的研制

磁流变弹性体是一种新型的智能材料,它的力学性能可以受磁场控制,在需要变刚度的器件等方面有着广泛的应用前景。本文总结了一些制备高性能磁流变弹性体的基本方法,尝试采用不同的组份制备了以硅橡胶为基体的高性能磁流变弹性体。并使用改进的动态机械分析仪来测试分析所制样品的磁致剪切储能模量和损耗因子等性能。结果表明,所制备的磁流变弹性体在600mT磁感应强度下的剪切储能模量相对变化可达到501%。

乳化炸药中空功能微囊的制备方法及性能表征

针对传统乳化炸药在工程应用中存在的含能添加剂安全性问题和"压力减敏"问题,分别研制了乳化炸药中空含能微囊和中空耐压微囊。中空含能微囊将含能添加剂和敏化剂合二为一,中空耐压微囊具有"自敏化"和"化学敏化"功能。采用扫描电镜、光学显微镜和激光粒度分析仪,对制备的中空含能微囊和中空耐压微囊微观结构进行了表征,采用热分析实验、爆轰性能测试实验、相容性实验,对中空含能微囊敏化的乳化炸药热安全性、爆轰特性和储存稳定性进行了表征,利用光学显微镜对中空耐压微囊受压后,敏化气泡的再生现象进行了验证。实验结果表明,中空含能微囊和中空耐压微囊具有球形形貌且粒径分布均匀,中空含能微囊能够显著提高乳化炸药的爆炸威力且不影响其安全性和储存稳定性,其敏化乳化炸药的猛度为23.20 mm铅柱压缩量,爆速为4797 m·s^-1;当外界压力将中空耐压微囊压垮时,微囊内外壳所含物质会发生反应并生成新的敏化气泡,为避免乳化炸药的压力减敏现象提供了双重保障。中空功能微囊结合了敏化剂和功能添加剂的双重特点,能够有效解决传统添加剂存在的问题。

梯度算子选择对基于梯度的亚像素位移算法的影响

基于梯度的亚像素位移算法中不同的灰度梯度计算方法对计算结果的影响进行了研究,列出了几种常用灰度梯度计算方法,并用对相邻5像素点的离散灰度进行三次样条插值的方法推导出两种灰度梯度算子。然后对计算机模拟生成的散斑图像对用各种梯度算子计算得出的亚像素位移与预先设定的真实值做了比较,给出了相应的均值误差和均值相对误差。最后的真实试件的刚体平移和单向拉伸实验结果表明,Barron算子是所列的几种梯度算法中最为精确、稳定的梯度算子。

磁流变弹性体调频吸振器的研制

传统的动力吸振器吸振频带较窄,限制了稳定性和吸振效果的提高,影响了其应用范围。而磁流变弹性体是一种剪切模量可由外加磁场可控的智能材料。本文利用磁流变弹性体作为动力吸振器的弹性元件和阻尼元件,并采用移频调谐的控制方法,设计了一种可调频的动力吸振器。对其进行的动力特性的研究表明,该吸振器移频范围较宽,在较宽的吸振带宽内具有较好的吸振效果。

主动移频式动力吸振器及其动力特性的研究

动力吸振器是振动控制中比较有效的减振装置,只要吸振器(子系统)的振动固有频率与振动物体(主系统)的振动频率相同,即可有效地消除主系统的振动。但传统动力吸振器的控制频率带宽较窄,限制了其稳定性和减振效果的提高。本文通过独特的机械设计,研制了一种可以通过调节自身的几何参数,使得其固有频率随几何参数线性变化的主动移频的新型动力吸振器,并初步设定了相应的控制方法。文中还对其动力学特性进行了理论分析和实验测试,分析了它的机理,评估了它的实际减振效果。研究结果表明该吸振器可以大范围调节自身固有频率,有效拓宽吸振频带,具有良好的减振性能和稳定性。

磁流变弹性体若干物理量的数值分析

应用有限元方法,考虑了颗粒的磁化饱和过程与非线性磁化过程,计算得到了磁流变弹性体中的磁场分布,进而研究了在不同磁场大小、不同颗粒体积比浓度下磁流变弹性体在成链方向的相对磁导率,计算结果和实验结果取得了一致。利用Maxwell应力张量,计算了磁场引起的磁流变弹性体的附加剪切模量。分析了颗粒体积比浓度、外加磁场对磁流变弹性体的磁致剪切模量的影响。研究了颗粒为旋转椭球形状时,颗粒的放置方式与其长短轴之比对磁流变弹性体的磁致剪切模量的影响。计算结果表明,磁流变弹性体的相对磁导率随颗粒体积比浓度的增大而增大,随磁场强度的增大而减小,颗粒的形状和放置方式对磁流变效应有很大的影响。

柱状和层状结构磁流变弹性体剪切模量的数值计算

从颗粒间的磁相互作用能出发,计算了磁流变弹性体的磁致剪切模量。考虑了链内颗粒和相邻链中颗粒的影响,修正了磁流变弹性体的磁偶极子模型。构建了体心立方结构和简单立方结构计算模型,分别考虑了柱和层状聚集结构的大小以及其间距,对含柱状结构和层状结构的磁流变弹性体的力学性能进行了计算。计算结果表明,单层模型的磁流变弹性体磁致剪切模量比单链模型的预报值高约48%。在提高磁流变弹性体的磁致剪切模量方面,层状结构优于柱状结构。

烧蚀模式激光推进的数值模拟

采用针对高温气体(等离子体)电离度的一种近似计算方法,以及具有五阶精度的广义Godunov差分格式-加权本质无振荡格式WENO(weighted essentially non-oscillatory schemes),给出了高温气体状态方程的简便描述,并考虑激光与等离子体的相互作用,模拟了强激光与固体靶相互作用时激光支持靶面等离子体流场的动态物理过程,并给出了不同参数条件下激光烧蚀固体靶的推进效应参数(冲量耦合系数等)。计算结果及与实验结果的对比表明,靶材料和激光参数(功率密度、波长、脉冲宽度等)是影响推进效应的主要因素,并且计算结果具有较高的精确度。

Numerical Analysis on Magnetic-induced Shear Modulus of Magnetorheological Elastomers Based on Multi-chain Model

Based on the magnetic interaction energy, using derivative of the magnetic energy density, a model is proposed to compute the magnetic-induced shear modulus of magnetorheological elastomers. Taking into account the influences of particles in the same chain and the particles in all adjacent chains, the traditional magnetic dipole model of the magnetorheological elastomers is modified. The influence of the ratio of the distance etween adjacent chains to the distance between adjacent particles in a chain on the magnetic induced shear odulus is quantitatively studied. When the ratio is large, the multi-chain model is compatible with the single chain model, but when the ratio is small, the difference of the two models is significant and can not be neglected. Making certain the size of the columns and the distance between adjacent columns, after constructing the computational model of BCT structures, the mechanical property of the magnetorheological elastomers composed of columnar structures is analyzed. Results show that, conventional point dipole model has overrated the magnetic-induced shear modulus of the magnetorheological elastomers. From the point of increasing the magnetic-induced shear modulus, when the particle volume fraction is small, the chain-like structure exhibits better result than the columnar structure, but when the particle volume fraction is large,the columnar structure will be better.

低碳钢试件弹塑性边界的白光相关检测

金属试件的弹塑性边界检测对判断该试件是否失效有着重要意义,因此一直是研究人员较感兴趣的研究课题。利用激光和白光作为照明光源的方法都曾被提出以检测金属试件的弹塑性边界以及塑性变形。为避免激光测量的诸多缺点,本文提出一种用白光作为照明光源并结合数字图像处理来检测低碳钢试件弹塑性边界的方法。该方法将数字图像相关和低碳钢试件表面弹塑性变形前后对照明光强的反射特性结合起来以判断试件是否进入塑性屈服。文中通过对加载过程中低碳钢试件表面序列图像的处理,准确地判断了该试件是否进入塑性屈服,验证了该方法的可行性。

智能抛物面桁架天线的建模和模型降阶

设计了一个智能抛物面桁架天线,采用有限元方法得到了它的动力学模型.由于此模型的阶次太高,给以后的振动控制工作带来了极大的困难.采用模态集结法对其高阶模型进行降阶.通过零极点比较、输出曲线比较和将针对低阶模型设计的线性二次型最优控制律加入原高阶模型等方法对降阶结果进行了验证.

一种检测塑性变形的新方法

与仅仅承受弹性变形时不同,当金属试件承受塑性变形或发生疲劳损伤时,内部微观晶粒滑移位错等会导致表面粗糙化。此时其镜面反射能力减弱,漫反射能力增强。据此提出了一种检测试件弹塑性边界和塑性变形程度的新方法。承受均匀拉伸的金属试件被普通光源沿斜向照明,载荷按预定方式逐渐增加。用CCD摄像机沿试件法线方向记录板材试件表面的亮度变化,这些亮度分布摄像机可按一定频率采集以实时图像形式记录下来。我们提出了下述简单直观的方法来分析图像数据。根据实际情况适当选择一个阈值,定义图像中灰度高于阈值的点为亮点,取参数BI为亮点个数的倒数。试验发现在弹性段参数BI基本维持定值;在试件发生屈服时由于表面粗糙化以致漫反射能力增强,图像的亮点数会显著增多,BI参数发生陡然下降的变化,在整个塑性段参数呈单调下降趋势。所以参数BI可以作为描述这一过程的特性参数。由BI的变化可以判断试件塑性变形的发生,也可以作为塑性变形程度的度量。典型的实验结果验证了这一方法,所得结果与用相关搜索方法得到的结果相比较,吻合得相当好。由于这种方法使用白光照明,对环境要求不高,操作过程简单,有望在工程实际中获得广泛的应用。本文还讨论了影响判别精度的阈值选取问题,通过对于所得数据的分析得出阈值选取可以按照误差理论中置信区间的方法来设置,并且置信区间较小时能得到比较好的结果。