功能梯度材料的平面断裂力学分析

针对材料参数在厚度方向可能按任意连续变化的梯度材料，给出了一个新的分层模型．利用该模型求解了面内加载下梯度界面层和涂层中的界面裂纹问题．借助 Fourier 积分技术和传递矩阵方法，将该问题化为个 Cauchy 型奇异积分方程．通过数值求解，得到感兴趣的应力强度因子．对不同形式的杨氏模量和泊松比，计算了界而裂纹应力强度因子．结果表明泊松比的变化形式对应力强度因子影响不大，可当作常数处理，而杨氏模量的影响则很大．

材料力学性能退化的超声无损检测与评价

材料性能退化总是伴随着某种形式的材料非线性力学行为,从而引起超声波传播的非线性,即高频谐波的产生.基于此,材料和结构的超声无损检测与主人技术发展成起来.首先介绍固体介质内的非线性超声波动方程的基础,并综述了利用超声波传播的非线性特性对结构材料和粘结面的力学性能退化进行无损检测与评价的研究进展.之后对材料在疲劳、拉伸以及蠕变载荷作用下,其力学性能退化进行超声无损检测与评价的试验研究进行了介绍;综述了超声波传播非线性的机理研究,以及利用超声波对粘结面的粘结强度及其力学性能退化评估所开展的研究.最后指出了今后该领域需要进一步研究的问题.

镍基单晶高温合金定向粗化行为及高温蠕变力学性能研究进展

镍基单晶高温合金是一种广泛应用于航空发动机和工业燃气轮机的两相叶片材料,由软的γ基体相和均匀镶嵌在其中的立方状γ′沉淀强化相组成.它有个显著的特征,即在高温施加应力条件下,γ′沉淀相会发生定向粗化,形成筏状.这种筏化行为直接影响了合金的蠕变疲劳寿命,是镍基单晶高温合金强化机制研究的重点.此外,镍基单晶高温合金无晶界,不存在高温晶界弱化、纵向晶界裂纹等问题.因此,γ/γ′相界面的位错运动、微观结构以及在载荷和温度作用下的演化决定了其蠕变力学性能.本文从镍基单晶高温合金的微观强化机制出发对定向粗化行为及蠕变力学性能进行了综述.重点介绍了定向粗化行为发生的微观机理、驱动力、影响因素和蠕变过程中界面微结构演化、蠕变力学模型以及定向粗化对高温蠕变力学性能的影响,指出了高温蠕变力学性能研究的发展方向和仍待解决的问题.

双层超材料板的带隙特征与隔声性能研究

通过设计槽形双环共振单元,构造正方点阵、三角点阵双层超材料板,采用有限元法计算他们的弯曲波低频带隙,而局域共振产生负的动态质量密度的频率段与带隙很好地吻合。对于相同晶格常数和材料组分条件下,在弯曲波带隙频率范围分析正方点阵、三角点阵双层超材料板的双环旋转角β、声波入射角θ对隔声量STL的影响。与常见同质量均质双层板比较,这种新型双层超材料板具有频率低、结构简单、体积小等优点,在减振降噪工程领域有着广阔应用前景。

SMA增强复合材料力学特性的细观力学模型

基于细观力学的理论,将SMA增强复合材料视为三相等效系统进行分析,即基体相、奥氏体相和马氏体相;求解了SMA增强复合材料的有效热膨胀系数和有效相变应变系数的一般表达式,该表达式适用于各种形状的纤维增强复合材料。在整个相变和逆相变过程中,奥氏体相和马氏体相都表现为弹性特性,避免了传统方法的强非线性问题。该模型计算过程简单,同时还考虑了奥氏体、马氏体和基体间的相互作用,理论分析更接近实际。并分析了纤维的含量、形状和尺寸等因素对宏观模量的影响,通过比较可知,所得结果可靠,为SMA增强复合材料的设计和使用提供理论依据。

形状记忆聚合物热力学本构模型研究进展

形状记忆聚合物是一种新型的智能材料,与记忆合金相比它具有密度低、高恢复率、易生产和低成本等优点。由于这些特性,它广泛应用于医疗和航天等领域,其理论研究逐渐得到人们的重视。形状记忆聚合物主要通过热致变形来实现形状记忆和恢复效应,因此热力学本构模型是其材料的形状记忆和恢复功能的关键因素。文中介绍了形状记忆聚合物热力学本构模型的一些理论研究成果,并对其中存在的一些问题作了简要地讨论。

NiTi形状记忆合金纤维拔出中的力学问题

对NiTi形状记忆合金纤维拔出的力学模型进行了探讨。在恒温状态下,考虑纤维和基体间的界面摩擦力,分别用两种本构理论,即Tanaka的指数模型和C.Liang的余弦模型,讨论了形状记忆合金纤维在变轴力作用下的拉伸问题。推导了形状记忆合金纤维拔出量的表达式,并给出数值计算结果。由指数模型和余弦模型得到的结果非常吻合,证明了这种理论方法是正确的。

双层超材料板的弯曲波超低频带隙特性研究

针对局域共振型双层超材料板,利用有限元法研究了几何参数与材料组分参数对弯曲波带隙的影响。通过优化计算得到较合理的参数,进而设计了附加钢质量块的ABSPMMA材料双层板,结果表明其在亚波长尺寸可以打开超低频54-65 Hz弯曲波带隙。将该超材料板建立等效弹簧质量系统,求解等效动态质量的负密度频率段与弯曲波带隙宽度很好地一致,并进一步阐述带隙产生机理。考虑板的隔声性能,分析了不同声波入射角对传声损失的影响,在带隙频率范围内的57 Hz点传声损失(STL)幅值均能取得最大值,这表明超低频带隙能够起到良好减振降噪效果,由此显示这种新型双层超材料板在工程领域具有广泛的应用。

失谐周期结构中振动局部化问题的研究进展

周期结构在工程中有很多应用实例，其具有频率通带和禁带等特殊力学性质。失谐可使周期结构的力学特性产生本质变化，即失谐周期结构中存在振动局部化现象。局部化破坏了周期结构模态的规则性，在外激励下会使结构某些部位的响应幅值过大，产生能量积聚，甚至导致结构发生疲劳破坏。因此分析失谐周期结构中振动和能量的传播方式与规律具有重要的理论与实际意义，可以为重要子结构的振动控制和减振设计提供理论依据。针对一维直线型周期结构、循环周期结构以及二维周期结构等，综述了其中的振动局部化问题的研究现状，主要集中于力学模型的建立、振动局部化问题的研究内容、分析方法和主要研究结果等，并提出了值得进一步研究的问题。

45#车轴钢疲劳性能试验研究

通过非金属夹杂物检验和室温拉伸试验,在确保材料的冶金质量和力学性能符合标准要求的基础上,进行旋转弯曲疲劳试验和断口分析,对45#车轴钢的疲劳性能进行研究。结果表明:与光滑试件相比,带有深度为0.75mm缺口的试件,其疲劳极限应力降低44%,其S—N曲线左段部分的斜率更大;其缺口敏感系数为0.79;表面应力集中是导致光滑试件萌生疲劳裂纹的原因;在有缺口的试件断口截面上存在多个疲劳源区,裂纹萌生在缺口的前缘,而且主要是由于缺口处应力集中所致;较大尺寸的非金属夹杂物也是导致车轴钢可能产生疲劳裂纹的启裂源。

失谐压电周期结构中波动的局部化

针对压电周期结构中弹性波的局部化问题进行了研究。采用传递矩阵方法推导了结构中相邻单胞间的传递矩阵,采用W o lf方法给出了结构中局部化因子的表达式,给出了数值算例,并分析了压电材料各参数对局部化因子的影响。分析表明,对于不同的压电材料,结构中的频带性质和局部化程度有很大不同,可以通过调整结构的材料特性来改变弹性波的局部化程度,从而改变波动在结构中的传播特性。

U71Mn和U75V钢轨钢疲劳短裂纹的扩展行为

在扫描电镜下对U71Mn和U75V钢轨钢的Ⅰ型低周疲劳加载和准静态加载下裂纹扩展的过程进行了观察。研究发现,从整体上看材料没有产生明显的宏观塑性变形,属准解理断裂。但从微观上看,裂纹的微观扩展路径曲折、不连续,常伴有分枝裂纹的形成。可观察到局部有韧窝、滑移线等典型的韧性断裂特征。尤其是U71Mn钢轨钢中还伴有局部的撕裂等更强烈的变形。钢轨钢U71Mn比U75V的抗疲劳裂纹扩展性能和韧性略优。

类正方阿基米德格子声子晶体的声学能带结构特性

利用平面波展开法计算了类正方阿基米德格子水/水银声子晶体能带结构。结果表明:与正方晶格水/水银声子晶体对比,单胞含有4个"原子"类正方阿基米德格子声子晶体存在各向同性带隙和高频带隙;在低频范围内,讨论归一化半径对类正方阿基米德格子和正方晶格水/水银声子晶体带隙相对宽度的影响,并比较它们带隙相对宽度,选择合适归一化半径值,这些类型声子晶体能够得到最宽的带隙。

蜂窝材料的弹性波传播特性

通过研究蜂窝材料的弹性波频散关系,分析了其弹性波传播特性.采用基于小波理论的分析方法,将材料参数和位移均展开为双正交周期小波基函数的形式,利用Bloch定理将波动方程转化为特征值方程,求解该方程得到3种典型结构——正方、三角与六角排列的铝(Al)和聚丙烯(PP)蜂窝材料的频散关系,并进行了比较分析.结果显示:结构形式的不同显著地影响其波动特性,而制作材料的不同则没有影响;3种结构形式都不存在完全带隙,但正方和三角形结构在一定的传播方向范围内存在方向带隙,而六角形结构则在任何方向都不存在方向带隙;与正方结构相比,三角结构在相同孔隙率下,在更广的传播方向内和更低的频率下,能产生较宽的方向带隙.

二维声子晶体微腔能带结构的有限元分析与设计

本文基于ABAQUS建立了二维声子晶体体波能带结构的有限元计算方法。该方法首先利用周期性边界条件和Bloch定理,将周期结构的有限元离散特征方程化归到一个周期单胞内的复系数特征方程,然后将其分为实部和虚部两组方程,并在周期单胞边界上应用Bloch定理,求解得到的实数特征方程,获得频散曲线。与已有计算方法相比,该方法在适用性、计算速度、精确度和收敛性等方面具有明显的优越性。在此基础上使用发展的有限元方法分析研究了不同形状的声子晶体微腔的能带结构特性。结果表明这些晶体结构对于特定频率的声波可以将其限制在声子晶体微腔内,在一定环境下有着较好的吸声降噪功能。

类正方阿基米德格子声子晶体带隙稳定性实验研究

基于平面波展开法和超声浸水透射技术,理论和实验研究了二维(32.4.3.4)格子钢/水声子晶体带隙性质。与正方晶格钢/水声子晶体相比,类正方(32.4.3.4)格子能够打开高频带隙,并进一步讨论了第一布里渊区Γ-X、Γ-M方向层厚和方向带隙稳定性关系,这为设计有限尺寸隔声材料提供依据。结果表明:带隙的频率范围和理论计算很好吻合。

基于基面力概念的余能原理任意网格有限元方法

利用基面力概念,给出一种任意形状网格都可以使用的柔度矩阵表达式的具体形式,运用拉格朗日乘子法得到以基面力为基本未知量的余能原理有限元支配方程,提出计算节点位移的表达式,编制出相应的任意网格有限元计算程序。该文对不同形状的单元网格以及畸变网格进行了计算分析,并与理论解和传统的有限元进行了对比和讨论。结果表明:该方法可以适用于任意形状的有限元网格,对网格的畸变不敏感。

脉冲强激光辐照下材料响应的非傅里叶效应

研究了在多脉冲强激光辐照下靶材的热传导与热冲击特性。基于非傅里叶导热定律和热弹性理论,推导出多脉冲激光辐照下靶材温度场和热应力场的解析式;结合适当的边界条件,以不锈钢靶材为例,利用有限差分法和Matlab计算得到了多脉冲强激光辐照下靶材内部过余温度随时间和深度演化情况以及内部热应力的演化规律。计算结果表明:多脉冲激光辐照下靶材热响应在离边界不同截面处温度波形变化出现延迟性,其滞后性能与弛豫时间有关;非傅里叶解中应力波的波前十分陡峭,具有明显的热冲击性。

功能梯度涂层中的Ⅲ型周期裂纹问题

利用分层模型研究功能梯度涂层中的Ⅲ型周期裂纹问题 ,借助Fourier级数及传递矩阵技术 ,可将该边值问题化为求解Hilbert奇异积分方程 ,数值求解该方程即可得到应力强度因子。数值结果表明 ,当裂纹较密且裂纹相对较短时 ,裂纹之间的相互作用比较明显 ;

基于晶格效应的光子晶体带隙特性研究

对10种类型阿基米德晶格按不同晶格点阵进行分类,利用平面波展开法数值计算了光子晶体的能带结构,讨论归一化半径对其带隙的影响,比较了低频带隙相对宽度值.计算结果表明:单胞含多个"原子"的类正方晶格和类三角晶格光子晶体均存在TM模各向同性带隙和低频带隙,还容易产生TE模和TM模的完全带隙,进一步分析发现(32.4.3.4)晶格和(3.6.3.6)晶格打开TM模的低频第1带隙下边界值为最小;选择合适归一化半径分别为0.2和0.26,类正方晶格和类三角晶格光子晶体都能够得到较宽TM模低频带隙的最大值,(32.4.3.4)晶格和(3.6.3.6)晶格获得低频带隙为最宽.典型复式晶格空气环/硅光子晶体能够获得较宽的完全带隙.研究结果为设计新型光学器件提供了理论依据.