西安交通大学无损检测实验室2022年度进展

1概要西安交通大学航天航空学院无损检测实验室创立于2005年,现有教授3名(陈振茂博士/东京大学、李勇博士/英国纽卡斯尔大学、解社娟博士/日本东北大学)、副教授1名(裴翠祥博士/东京大学)、高级工程师1名(陈洪恩博士)、助理研究员1名(方阳博士)和40余名硕博研究生。团队具有鲜明的国际化特色,学校依托团队建成了陕西省无损检测与结构完整性评价工程中心,有力支撑了西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室和力学学科的实验力学和工程力学方向研究。

西安交通大学无损检测实验室——2020年度进展

西安交通大学航天航空学院无损检测实验室创立于2005年,现有教授1名(陈振茂博士/东京大学)、副教授3名(李勇博士/英国New Castle大学、解社娟博士/日本东北大学、裴翠祥博士/东京大学)、高工1名、助理研究员2名和近40名博士硕士研究生。实验室团队国际化特色鲜明,是陕西省无损检测与结构完整性评价工程中心的核心团队,支撑机械结构强度与振动国家重点实验室实验力学和工程力学研究方向,是西安交通大学连续资助的优秀科研团队。

西安交通大学无损检测实验室2021年度进展

1概要西安交通大学航天航空学院无损检测实验室创立于2005年,现由1名教授(陈振茂博士/东京大学)、3名副教授(李勇博士/英国纽卡斯尔大学、解社娟博士/日本东北大学、裴翠祥博士/日本东京大学)、1名高工(陈洪恩博士)、2名助理研究员(蔡文路博士、方阳博士)和近50名博士、硕士研究生构成。团队国际化特色鲜明,是陕西省无损检测与结构完整性评价工程中心的核心团队,团队依托机械结构强度与振动国家重点实验室,是西安交通大学的优秀科研团队。

非定常流场降阶模型及其应用研究进展与展望

非定常流场模型降阶技术的出现,为CFD/CSD耦合数值模拟方法在工程设计中的广泛应用提供了新机遇.在对非线性系统模型降阶理论与方法进行概述的基础上,全面系统地介绍了非定常流场降阶模型的国内外研究进展.按基于系统辨识的降阶模型和基于流场特征结构的降阶模型两大类进行评述,比较了各种降阶模型的优缺点并指出了进一步改进的思路.最后对非定常流场降阶模型的发展趋势和应用前景进行了展望,并指出自适应鲁棒降阶模型是下一代模型降阶技术的发展方向.

Ni／Al层合结构热传导性能的非平衡分子动力学研究

采用非平衡分子动力学方法研究了[111]方向的Ni/Al层合结构的热传导性能.首先模拟了温度为300 K下[111]方向Ni/Al层合结构的热传导,通过分析界面处的声子态密度,发现交换热冷浴位置之后,层合结构的热参数基本没有变化,说明热冷浴的位置对结果影响不大.其次讨论了300 K下单层的Ni/Al层合结构的尺寸效应,计算结果表明随着系统尺寸的增大,界面热阻值逐渐减小并趋于平缓,并分别讨论了Ni和Al的热导率的尺寸效应;采用外推法计算了无限大系统下Ni和Al的声子热导率以及声子平均自由程,结合Wiedeman-Franz定律计算了Al和Ni的电子热导率,得到了Al和Ni的总热导率,并与实验值进行比较,结果与实验值在同一量级.然后讨论了传导方向为[001]和[110]时层合结构的界面热传导性,并和[111]方向的结果对比,发现界面热阻具有明显的各向异性.最后讨论了双周期层的Ni/Al层合结构的热传导性能,结果表明最靠近热浴的界面温度跳跃值最大,对应的界面热阻值最大,即对层合结构的热传导性能影响最大;与相同长度的单周期层结构对比,发现双周期层结构的热导率明显要小,因此可以通过增加材料的层数来提高隔热效果.

悬臂梁挠曲电俘能器的力电耦合模型及性能分析

挠曲电效应指应变梯度在电介质中引起的电极化现象,是一种普遍存在的力电耦合行为.应变梯度与材料的尺寸成反比,因此挠曲电效应有望在纳米尺度主导材料的物理性质,尤其是力电耦合性能.论文建立了悬臂梁挠曲电俘能器的理论模型,基于哈密顿原理得到了悬臂梁挠曲电俘能器的控制方程和相应的边界条件;进一步,得到了悬臂梁挠曲电俘能器的输出电压频率响应和功率密度频率响应随悬臂梁的振动频率、外电路阻抗、挠曲电层厚度以及弹性层模量的变化规律.聚偏氟乙烯和环氧树脂层合挠曲电悬臂梁俘能器模型的数值结果表明输出电压频率响应和功率密度频率响应在共振频率点取得最大值,且随着各阶模态对应的共振频率的增加悬臂梁挠曲电俘能器的输出电压和功率密度均增加.此外,计算结果还表明悬臂梁俘能器存在最佳匹配阻抗,在匹配阻抗附近悬臂梁俘能器的输出功率密度随挠曲电层厚度的减小而增大,表现出明显的尺寸效应.并且输出电压随弹性层模量的增大而减小.论文工作提供了一种基于挠曲电效应的悬臂梁俘能器的理论模型,为悬臂梁俘能器的设计提供了理论依据.

固体电介质中的挠曲电效应

挠曲电效应通常描述为非均匀变形如应变梯度引起的电极化或者电场梯度引起的变形.应变梯度能够局部破坏晶体的反演对称从而在材料中诱导电极化,因此挠曲电效应是固体电介质材料中普遍存在的一种力电耦合效应.应变梯度和电场梯度均随材料尺寸的减小而迅速增大,在宏观尺度通常被忽略的挠曲电效应在微纳尺度反而起着非常重要的作用,会显著影响材料的物理性能.与压电效应和电致伸缩效应相比,挠曲电效应具有独特的尺寸依赖特征,其不受材料对称性和铁电材料居里相变温度的限制.论文综述了固体电介质中的挠曲电效应,并重点从理论、材料和应用方面综述了固体电介质中挠曲电效应的研究进展,对挠曲电效应的独特性能进行了详细地讨论,最后论文展望了固体电介质中挠曲电效应相关研究的开放性问题和发展方向.

基于数字图像相关的金属材料低温裂尖张开位移试验测量方法

随着金属材料,尤其是天然气管线钢在高寒低温环境下的广泛应用,研究金属材料的低温断裂失效规律具有重要的科学意义和工程价值。在研究断裂失效规律的指标中,裂尖张开位移(Crack Tip Opening Displacement,CTOD)是预测裂纹扩展的重要断裂参数之一,可用来表征金属材料抵抗裂纹扩展的能力。传统上,裂尖张开位移主要通过载荷-裂纹端部张开位移曲线间接获取而无法直接测量,此外测量裂纹端部张开位移所用的引伸计在低温环境下容易导致漂移,造成测量不准确。针对上述情况,本文基于数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)技术开发了一种金属材料低温断裂韧度CTOD试验测量方法,针对0℃、-20℃、-40℃、-60℃低温环境下,某天然气管线钢材料的裂尖张开位移,进行非接触试验直接测量。将数字图像相关系统和低温试验系统结合使用,透过真空双层玻璃视窗,利用专用摄像机采集低温下三点弯曲断裂试件表面位移数据;运用VIC-2D分析软件,将采集的图片数据与像素之间建立对应关系,在裂纹位置设置几处虚拟引伸计,提取起裂时虚拟引伸计所测量的裂纹张开位移曲线,并运用最小二乘法线性拟合,根据相似关系得到裂纹尖端张开位移临界值,即断裂韧度CTOD;在不同温度下进行试验,得到了不同温度下金属材料断裂韧度CTOD随温度的变化曲线和规律,试验结果表明,三点弯曲试样断裂韧度随着温度的降低呈现明显的下降趋势。本文工作基于DIC技术的金属材料低温CTOD测量,方法直接,准确度高,尤其适用于低温环境,可实现金属材料CTOD的非接触试验测量。本研究获取的管线钢材料CTOD临界值在不同温度下的变化规律,可为天然气输送管道的工程设计和优化提供参考。

金属材料三维断裂韧度厚度效应的有限元模拟

随着金属材料大壁厚结构件在工程中的广泛应用,对其断裂韧度的厚度效应研究具有重要的科学意义和工程价值.该研究基于有限元和实验相结合的方法,对金属材料断裂韧度的厚度效应进行预测.首先,通过一组薄壁厚金属材料标准三点弯曲试验得到试样失效时的临界载荷值,并利用内聚力模型与基于虚拟裂纹闭合技术的裂纹扩展模拟方法得到裂纹扩展时的单元临界能量释放率.随后,以此临界能量释放率作为裂纹扩展的启裂准则门槛值,通过有限元计算得到不同试样厚度下裂纹启裂时的裂尖断裂参数随着厚度的变化规律.最后,为了验证有限元模拟结果的准确性,该研究进行了另外两组不同厚度下三点弯曲试样的断裂韧度试验,并将试验结果与有限元结果进行了对比,验证了有限元所模拟的断裂韧度厚度效应的准确性.该研究旨在,通过薄壁厚三点弯曲试样的实验结果结合有限元模拟工作,即可实现金属材料断裂韧度的整个厚度效应曲线,为任意厚度下金属材料断裂韧度预测提供一种可靠的研究方法,有益于缩减试验成本,为大壁厚工程结构件的失效预测提供依据.

相变滞后对裂纹屏蔽效应的数值分析

论文针对奥氏体-马氏体双相材料,研究裂纹尖端区弥散分布的奥氏体颗粒在应变诱发时发生的相变对裂纹的屏蔽效应.鉴于实验中已发现的不同相变滞后对裂纹屏蔽效应的不同影响,研究通过在裂纹尖端区不同位置嵌入相变颗粒,考虑到裂纹尖端区应力应变场的奇异分布及其诱发的相变,将裂纹尖端区相变滞后问题转化为相变颗粒在裂纹尖端区的位置问题.计及奥氏体-马氏体相变的体积膨胀效应进行了平面应力裂纹问题数值模拟,得到了单个相变夹杂对裂纹屏蔽效应的影响规律.结果表明:裂纹尖端区相变夹杂的位置对裂纹的屏蔽效应在距裂尖2倍夹杂直径以内影响极大,且以裂尖86度方向为界.其影响规律与McMeeking和Evans理论预言的60度方向不同.

基于构型力内变量的界面损伤问题研究

论文基于材料构型力的基本理论和损伤力学中含有内变量的热力学框架,提出了新的损伤变量定义方式,为研究界面损伤问题提供了一种新思路.首先,基于双相弹性体的能量分析,给出材料构型力表达式,通过构型力的离散化方法,实现了其在有限元中的数值计算.其次,定义构型力为界面损伤内变量,进而提出一种新的损伤演化模型,并采用刚度劣化的方法,对该界面损伤模型进行数值实现.最后,通过对复合材料界面损伤问题（有裂纹或无裂纹）进行数值模拟,分析了其界面损伤发展趋势,探讨了此模型的合理性和优越性.基于构型力内变量的界面损伤模型,可为复合材料的界面损伤失效问题提供一种新的研究方法.