COVID-19疫情中的生物力学问题

新型冠状病毒肺炎自爆发以来,已成为全球关注的焦点。由于疫情来势迅猛,给医疗制度体系、医疗资源、应急处置、医疗器械等提出了严峻的挑战,也暴露出其中诸多不足。以病毒的体外活性规律研究、气溶胶传播的生物力学问题、呼吸性疾病对心血管疾病影响的研究、公共交通和公共场所中通风方式的改进、医疗器械的生物力学研究为例,应用生物力学的原理、观点和方法,认识和剖析其中所存在和亟待改进的问题,期望生物力学能在疫情防控中发挥学科优势和力量,以此促进生物力学学科发展。

FRP约束玄武岩纤维再生混凝土圆柱力学性能试验研究

为在力学性能方面对再生混凝土进行优化,综合分析纤维混凝土和FRP约束混凝土的性能特点,利用玄武岩纤维这种具有优良化学稳定性、热稳定性、性价比高、抗拉强度高、抗裂性能和与混凝土兼容性好等优点的材料,分别分析0、50%、100%再生骨料取代率和约束方式对于玄武纤维再生混凝土圆柱力学性能的影响及其可能的破坏模式,比较了CFRP约束再生混凝土和玄武岩增强再生混凝土圆柱的力学行为,结合ABAQUS模拟进行了约束试件破坏模式和承载力方面的对照研究。结果表明,利用玄武岩纤维增强和FRP约束对再生混凝土的力学性能具有明显的优化作用,其中50%取代率玄武岩纤维再生混凝土试件的约束效果最明显。

激光熔化沉积制造翅片热管管壳

为了提高核电热管的散热效率,采用激光熔化沉积技术在316热管的冷凝段管壳上制造了316散热翅片。用扫描电镜(SEM)观察了热管及翅片的显微组织,用能谱仪(EDS)进行元素分析,并测试了显微硬度和散热性。结果表明,激光熔化沉积的316翅片外形精度符合要求;翅片的平均硬度为280.92 HV0.5,比不锈钢管的平均硬度(209.9HV0.5)高33.8%,且硬度均匀性好;翅片热管的低温效率提高了16.7%,高温散热效率提高了32.9%。翅片晶粒主要有2种结构:等轴晶粒,柱状或枝晶状晶粒;翅片硬度提高的主要原因是细晶强化和位错强化;基材与翅片之间、翅片每层之间结合良好,精度高,是热交换量增大的保证。

不同热源作用下钢/铝异种金属对接接头的焊缝成形和性能分析

采用三种热源(激光-MIG复合、单MIG、单激光)实现2 mm厚的SUS304不锈钢板和6061铝合金板的对接连接,对比了不同热源下钢侧的湿润铺展情况、焊缝中心组织、钢/铝界面层化合物和接头的拉伸性能。结果表明,激光-MIG复合热源下焊缝的正背面铺展效果最好,而单激光热源下熔融金属很难铺展到钢侧。激光-MIG复合热源和单MIG热源下,焊缝中心组织为α-Al基体上分布着短棒状的Al-Si共晶体,钢/铝界面处有连续分布的锯齿状金属间化合物,界面层厚度分别约为3.6、3.3μm;单激光热源下焊缝中心组织为等轴晶上弥散分布着很多小块状的析出相,钢/铝界面层化合物呈针叶状并沿着铝焊缝生长,厚度约为5.7μm。复合热源下接头的抗拉强度最高,为226.5 MPa,达到铝合金母材的53.8%,断口有少量河流花样;单激光热源下的焊接接头的抗拉强度最低(67 MPa),断口大部分区域呈河流花样,属于典型的脆性断裂。

磁场对钛合金热浸铝涂层的组织和性能的影响

针对TA15钛合金表面热浸铝涂层的裂纹问题,研究了在热浸铝涂层成形凝固过程中施加交变电磁场及后期热扩散处理对涂层组织和性能的影响。采用能谱仪(EDS)、扫面电镜(SEM)和XRD分析镀层的形貌、微观结构以及微区元素分布,利用显微硬度计测试了涂层的显微硬度,探讨了交变电磁场对金属间化合物涂层组织结构的影响。试验结果表明:该工艺制备的涂层厚度较传统涂层未发生变化,但是与基体结合良好,裂纹明显减少或消失。施加较强交变电磁场后,当电流强度为8A时,涂层裂纹明显减少;当电流强度为10A和12A时,涂层与基体结合良好,未发现明显裂纹,组织和性能得到改善,可获得质量较好的涂层。

时效热处理对选区激光熔化成形18Ni300摩擦磨损性能的影响

目的通过研究选区激光熔化(SLM)成形18Ni300时效热处理前后摩擦磨损性能及磨损机制,为SLM技术在模具中易磨损部位的应用提供理论支撑。方法采用扫描电镜对热处理前后试样进行微观组织观察,采用X射线衍射仪对原始粉末和试样进行物相分析,并测试试样时效热处理前后的硬度、密度和抗拉强度,采用球盘摩擦磨损试验机测试在不同载荷下时效热处理前后试样的摩擦磨损行为,采用3D轮廓仪和扫描电镜对磨损后试样和磨球表面进行观察,并对磨损区域进行能谱分析。结果时效热处理后试样“鱼鳞状”熔道组织弱化,主要为板条状马氏体组织。原始粉末及成形后试样的物相主要为马氏体,原始粉末和时效热处理后试样中含有少量残余奥氏体。时效热处理后试样硬度由37.6HRC升高到54.4HRC,密度变化不大,抗拉强度由1107 MPa升高到2031 MPa,伸长率由14.4%降低至4.5%。随着摩擦磨损试验载荷的增大,时效热处理后试样摩擦因数降低,体积磨损率增大,但均低于热处理前试样。结论当载荷为10 N时,磨损机制主要为磨粒磨损;当载荷为15 N时,磨损机制过渡到氧化磨损和黏着磨损;当载荷为20 N时,主要为黏着磨损。

Q345B母材及其焊接接头的低周疲劳行为

对Q345B及其光滑焊接接头的低周疲劳行为进行了试验研究。采用轴向对称应变控制方法,保持恒定应变速率为0.005 s-1,在0.3%~0.7%的应变范围内,在电液伺服疲劳试验机上测定了Q345B及其光滑焊接接头的低周循环应力响应特征、应变-寿命、应变-能量关系,并进行了对比分析。结果显示,Q345B母材在应变幅度低于和高于0.4%时分别呈现明显的循环软化和硬化现象,而焊接接头出现显著的硬化现象。与母材相比,焊接接头的低周转变寿命、疲劳强度和疲劳寿命明显减小。通过试验数据确定了Q345母材及其焊接接头Coffin-Manson关系的合理参数,建立了应变幅度-疲劳寿命及能量-寿命关系式。力学不均匀性引起的循环硬化趋势增加是导致焊接接头低周疲劳性能减低的主要原因。

基于有限元的波纹钢腹板组合箱梁疲劳损伤分析

针对波纹钢腹板组合箱梁(以下简称箱梁)的抗弯性能进行有限元分析,分析箱梁的静力位移、应力和应变结果,建立箱梁破坏损伤机理并得到应力薄弱点。同时,根据有限元分析结果,进行箱梁局部应力应变分析,得到箱梁不同水平下的疲劳寿命。最后,结合疲劳损伤和疲劳断裂理论进行箱梁的疲劳裂纹扩展行为及破坏过程和寿命预测研究,分析了正弦波疲劳荷载作用下箱梁中的钢腹板、PBL剪力连接件以及钢板翼缘等部件的疲劳裂纹萌生及寿命,预测结果与试验结果吻合较好。研究表明:根据美国规范AASHTO2004中C类标准进行工程设计和疲劳寿命估算,与试验符合较好,同时采用Palmgren-Miner线性累积损伤疲劳准则能有效地计算变幅疲劳载荷下箱梁的疲劳损伤及断裂破坏过程,为实际工程中箱梁疲劳性能设计提供参考。

压板加固全隐框玻璃幕墙面板的受弯承载力试验及有限元分析

为了研究铝合金压板对既有全隐框玻璃幕墙面板的加固效果,通过堆载法研究了7块由单层钢化玻璃制成的全隐框玻璃幕墙面板的受弯承载力。结果表明:全隐框玻璃幕墙面板无论是否进行加固,其抗弯刚度在加载过程中均由小变大。采用压板在全隐框玻璃幕墙面板长边通长布置的加固方法,可以有效提高全隐框玻璃幕墙面板的受弯承载能力和抗弯刚度。运用ANSYS有限元软件对试验模型的受力性能进行数值模拟,发现全隐框玻璃幕墙面板的抗弯刚度会随着长宽比的增大而减小,且加固前长宽比对抗弯刚度的影响比较大。加固后的有限元模拟结果,与反向受荷时的全隐框玻璃幕墙面板试件较为吻合。试验结果还表明:现行国家规范关于全隐框玻璃幕墙面板位移的计算值远大于试验值,计算偏于保守。

受损木梁的抗弯加固试验与承载力计算分析

针对雅安地震中大量受损的木结构,统计了木梁的主要损伤情况,研究了受损木梁的抗弯加固试验,分析了裂缝和木结对梁和加固梁在受弯过程中的载荷、位移的影响,建立了加固木梁的极限承载力与梁参数、裂缝形式与分布,以及CFRP(carbon fiber reinforced polymer)加固率影响的理论计算公式。试验结果表明:抗弯加固木梁的整个变形过程符合平截面假定,碳纤维布能有效提高梁极限承载力,提高幅度可达到25.2%;受木结和初始裂缝的影响,随着CFRP加固层数的增加,其承载力提高幅度反而下降;裂缝和木结对木梁极限承载力影响很大,是木梁破坏的主要原因,新裂缝的萌生点位于木节处,木梁破坏的主要位置为木结处。同时,基于最大有效应力建立的木梁承载力计算模型,计算值与试验值符合较好,其误差在8%以内,符合工程计算要求。

激光选区熔化成形工艺对304L不锈钢冲击韧性的影响

目的了解激光选区熔化(SLM)成形工艺参数对304L不锈钢冲击韧性的影响,从而得到304L不锈钢的最佳成形工艺参数。方法对激光功率300~340 W,激光扫描速度800~1500 mm·s^(‒1)条件下的激光选区熔化成形304L不锈钢开展冲击试验,通过表面硬度、微观组织及断口形貌观察对冲击韧性的影响规律进行分析。结果SLM成形304L不锈钢微观组织为跨越熔池生长形成的不规则柱状晶粒,成形工艺参数对试样表面硬度影响不显著;随着激光功率的增大和激光扫描速度的降低,304L不锈钢断面致密程度提高,孔洞类缺陷尺寸减少且数量减少,冲击韧性增大,冲击功最大值为141.9 J。结论基于冲击试验结果,在激光体能量密度为100~140 J/mm3的条件下,304L冲击韧性稳定在138 J左右,为SLM成形304L材料的最佳成形参数区间。

螺栓连接装配式墙板抗侧刚度研究

螺栓连接装配式墙板体系具有连接简单、建造快速的优势,近年来工程应用逐渐增多。本文以钢板拼接式螺栓连接和穿缝式螺杆连接两种常见的螺栓连接装配式墙板为研究对象,进行7片墙板的拟静力试验。结果显示:螺栓连接装配式墙板由于水平缝处张开,墙体发生刚性转动,导致抗侧刚度低于现浇墙板。通过弹性理论分析和有限元数值模拟,揭示了螺栓连接装配式墙板的水平变形特性,分析了影响墙体抗侧刚度下降的因素,提出了相应的抗侧刚度计算公式。通过对比数值分析结果与试验结果,验证了本文公式的可靠性。基于参数分析的研究结果,回归了考虑螺栓节点配钢率、墙体的高宽比、轴压比和节点相对位置4个参数的干式螺栓连接装配式墙板抗侧刚度降低系数的简化计算公式,该简化公式的计算结果与数值模拟的结果误差在±20%之内,表明预测结果较为准确。提出的抗侧刚度计算公式可为建立低多层螺栓连接装配式墙板结构体系的设计理论提供参考。

高温后钢骨再生混凝土柱的加固疲劳行为

针对大量建筑物在火灾中损坏急需修复的问题,进行高温(500℃)后钢骨再生混凝土柱进行纤维复合材料(CFRP)加固前后的静力轴压试验和加固后的疲劳试验。通过对破坏模式、承载力、荷载-位移曲线和荷载-应变曲线进行分析,结果表明:CFRP能有效提高高温后钢骨再生混凝土柱抗压强度、刚度和延性,承载力提高幅度最高可达141%;当再生混凝土取代率为50%时,CFRP加固短柱取得最大承载力;加固试件破坏形式为CFRP拉断、内部混凝土压碎及钢骨上部屈曲,未加固试件的破坏形式为钢骨上部屈曲,外部混凝土剥落;加固后的钢骨再生混凝土柱305RF能够在上限为50%承载力的荷载下经过2×106次疲劳试验,2×106次后试件最大竖向位移接近相同试件静力破坏时的对应位移。

高温后钢骨再生混凝土柱的加固行为分析

针对高温环境对钢骨混凝土受力性能影响的问题,进行高温(500、700℃)作用后钢骨再生混凝土柱的轴压性能试验,分析碳纤维布(CFRP)加固对其力学性能的影响,得到高温后钢骨再生混凝土柱及加固试件的失效模式、极限承载力和位移响应与不同骨料取代率的关系曲线。结果表明:500和700℃高温作用后钢骨试件出现干缩裂缝,且温度越高干缩裂缝越多,极限承载力越低;对于高温后加固试件,极限承载力和位移得到较大提高,然而其破坏模式变为没有预兆性的脆性破坏;相对于0%和100%取代率的钢骨试件,高温后50%取代率试件加固后的极限承载力提高幅度达到最大的141%。最后,利用ABAQUS有限元模型模拟钢骨试件的位移和应变发展曲线,与试验结果符合较好;同时针对CFRP对钢骨试件的加固机理进行分析,揭示钢骨、再生混凝土和CFRP在受压时的变形协调机理。

粉煤灰基地质聚合物混凝土和普通混凝土温室气体排放量的对比研究

因普通混凝土用水泥作为胶凝材料致使其温室气体排放量高。粉煤灰在碱激活剂的作用下可以作为辅助胶凝材料替代水泥拌制地质聚合物混凝土,该种混凝土具有降低温室气体排放量的潜力。对比研究生产1 m3粉煤灰基地质聚合物混凝土和普通混凝土的温室气体排放量。研究表明:地质聚合物混凝土的二氧化碳当量要比普通混凝土低15%,地质聚合物混凝土的温室气体排放主要集中在碱激活剂的制备和后期高温养护,约占总排放量的90%。

循环荷载作用下高强螺栓端板节点抗震耗能性能

为研究高强螺栓端板节点的抗震耗能性能,进行了7个连接件的循环加载试验,分析了钢管和螺栓的两种典型破坏模式以及钢管柱壁厚、螺栓直径、螺栓孔横向间距、螺栓个数,以及钢管柱截面尺寸对连接件耗能能力的影响。研究结果表明:高强螺栓端板连接件的破坏模式与钢管管壁厚度和螺栓强度有关;增大钢管柱壁厚、螺栓直径和截面尺寸以及增加螺栓个数和减少截面尺寸均能提高节点的耗能能力,增大钢管柱壁厚对节点的耗能性能的提高最为显著。

玻璃幕墙中铝合金立柱螺钉连接节点抗拉性能试验

为研究玻璃幕墙中铝合金立柱螺钉连接节点的受力性能,通过一套自主设计的加载装置进行了20个连接件的单钉抗拉连接静力试验,分析了立柱和螺钉的3种典型破坏模式以及螺钉种类、螺杆直径、螺钉螺距和腐蚀条件等因素对连接件承载性能的影响,根据试验结果拟合出了铝合金立柱螺钉连接的极限抗拉承载力的计算公式。研究结果表明:铝合金立柱螺钉立柱连接节点的典型荷载-位移曲线上升段可分为弹性、强化、滑移3个阶段,可将强化阶段的强化极限点作为工程设计破坏阶段之用;在相近直径系列试件中,盘头螺钉的延性系数和极限刚度普遍大于自攻螺钉;螺钉类型、螺杆直径和腐蚀条件对节点的极限承载力和刚度影响最为显著,试件极限承载力随螺杆直径的增长而呈增大趋势,自攻螺钉试件的极限承载力大于盘头螺钉,而当自攻螺钉公称直径超过立柱型材局部厚度后,相对于盘头螺钉表现出承载力大幅下降的试验现象;通过回归分析得到的极限抗拉承载力计算公式与试验值比较,两者吻合良好。

覆冰八分裂导线舞动过程中的次档距振动研究

为了给覆冰八分裂输电线路的舞动特性和防振提供参考,通过数值分析的方法分析了八分裂导线的次档距振动现象和特征,对比数值模拟结果,寻找各子导线间的运动轨迹及舞动幅值的异同。结果表明:覆冰八分裂输电线路各子导线在不同风速下舞动的方向均相同,但因受尾流干扰和气动载荷的影响,子导线在不同的风速下振动的幅值不相同,其舞动时程图极限为一个斜椭圆形。可见覆冰八分裂导线舞动过程中的次档距振动,可能会导致子导线发生碰撞,从而对特高压(ultra-high voltage,UHV)输电线路的安全运行造成危害。研究成果对特高压输电线路的舞动原理和防振的后续研究有一定的参考意义。

TC17合金电子束焊接接头高周疲劳失效行为研究

电子束焊接构件广泛应用于航空发动机关键部位,其需要满足长寿命与高可靠性的设计要求.针对TC17合金电子束焊接接头,采用旋转弯曲疲劳试验方法,获得焊接接头的高周疲劳性能,同时利用电子扫描电镜对疲劳断口进行微观观察,探明焊接接头的高周疲劳裂纹萌生和扩展机理.结果表明,TC17合金电子束焊接接头在10~7周次的疲劳强度为450 MPa,约为母材强度的81%,试样失效位置均位于焊缝区;试样表面最大应力与内部气孔缺陷处应力集中形成竞争机制,在10~5~10~7周次内,裂纹萌生于内部气孔,在10~7周次后,裂纹萌生于试件表面;试样断口显示出明显的穿晶断裂区和沿晶断裂区,疲劳寿命随沿晶断裂区的应力强度因子下降而增加;气孔面积及真实应力为影响疲劳寿命的主要因素,气孔处应力强度因子与疲劳寿命呈线性下降关系.

基于EM算法和模态形式的状态空间模型自降阶工作模态分析

工作模态分析具有试验简单、经济可行等优点,在工程实际中有广泛的应用。在基于状态空间模型的模态分析中,模型阶次的确定是获得准确和稳定的模态参数的关键问题之一。该文结合期望最大(EM)算法和模态形式状态空间模型来实现模型自降阶和模态参数估计。将状态空间模型变换到模态形式,使待估计参数量得到精简的同时,可直接估计各阶模态响应。引入表征各阶模态响应在实际响应中占比的模态贡献作为模型降阶的指标,在EM求解模型极大似然估计时实现模型降阶。同时结合频谱图分析和阻尼比阈值剔除虚假模态,以获得实际的结构模态信息。通过数值结构模拟和现场结构实测的数据分析,结果表明该文方法具有较好的适用性和有效性。