基于机器学习的增材制造合金材料力学性能预测研究进展与挑战

增材制造是现代高端装备制造领域的革命性突破技术之一.其中,增材构件的大批量生产和高可靠应用,关键在于制造可重复性、质量可靠性与性能可预测性.而在各向异性组织、广域分布缺陷、深部残余应力和复杂表面粗糙度等诸多因素的共同影响下,基于传统经验模型和有限数据的增材制造金属力学性能预测效率与准确性面临着严峻挑战.近年来,作为大数据与人工智能发展到一定阶段的必然产物,机器学习(machine learning,ML)方法为有效处理高维物理量之间的复杂非线性关系提供了契机,在增材制造合金材料力学性能预测领域得到持续关注.文章综述了机器学习在增材制造材料及构件力学性能预测中的国内外研究进展.首先简述了常见的机器学习算法和通用的机器学习流程,重点分析了融合物理信息的机器学习(physics-informed machine learning,PIML)方法的特点与构造方式;然后概述了增材制造合金材料力学性能4大影响因素的形成原因及机器学习在这些影响因素预测中的应用现状;重点介绍了ML和PIML在拉伸性能和疲劳断裂性能预测中的代表性研究成果;最后指出当前机器学习在力学性能预测中的局限性,并探讨了发展趋势和技术前景.

第十三届全国周培源大学生力学竞赛“理论设计与操作”团体赛的设计方案与经验总结

本文主要介绍第十三届全国周培源大学生力学竞赛“理论设计与操作”团体赛竞赛题目,西南交通大学代表队在比赛中的解题思路、装置设计和原理介绍,并简要总结此次参赛获得第一名的经验,以供参考。

基于车辆动力学的铁路轨道曲线啸叫时域模型

曲线啸叫是轮轨切向黏滑接触、轮轨动力学和通过曲线时车辆运行状态的综合结果。为综合研究曲线啸叫的影响因素,基于整车车辆多体动力学,并采用改进的轮轨接触力计算方法,建立了曲线啸叫时域模型。在接触力计算中,使用了离散接触模型,为引入下落摩擦机理,在切向力计算中使用迭代方法确定摩擦系数和接触力,使用模态叠加法计算车轮振动响应,采用无限元方法计算车轮声辐射。研究不同曲线半径和通过速度下,曲线段轮轨间接触力的变化及接触区的黏着-滑动状态,对车轮振动特性进行分析,并研究了车轮声学响应。研究发现,在下落摩擦和整车车辆运动状态的共同作用下会出现啸叫现象;曲线段轮轨间的法向力和切向力均会出现振荡,接触区呈现黏滑振荡状态;车轮振动速度谱的峰值频率与车轮特征模态相近,车轮轴向和径向模态的高幅振动是高频啸叫的原因之一。啸叫现象主要出现在前轮上,相同工况下,前后轮声压级相差近20 dB,车辆速度和曲线半径对啸叫程度有明显影响,当车辆的曲线通过速度为60 km/h时,小曲线半径会出现严重啸叫现象;当曲线半径由200 m增大到400 m时,最大声压级降低34 dB;曲线通过速度由60 km/h降至40 km/h时,最大声压级下降13 dB。

弹性环挤压油膜阻尼器支撑下的柔性转子系统动力学分析

弹性环挤压油膜阻尼器(Elastic ring squeeze film damper, ERSFD)具有良好的支撑作用和减振效果,但由于其结构和流场耦合行为极为复杂,使得已有的物理模型难以完整表现出ERSFD的力学特性.为了进一步探究ERSFD的力学机理,本文借助有限元仿真平台,采用双向流固耦合的计算方法,剖析弹性环与油膜之间的相互作用,获取ERSFD中油膜压力的分布规律.在此基础上,利用最小二乘法进一步拟合出ERSFD等效刚度、等效阻尼与转子轴颈扰动位移的映射关系,并将其分别引入柔性转子系统动力学模型中.通过数值计算研究了ERSFD支撑下柔性转子系统的振动响应,分别给出了不同转速下转子系统的响应分岔图、轴心轨迹等.同时,通过对比分析,进一步揭示了ERSFD所诱发出的转子系统丰富的非线性动力学行为,有助于对ERSFD轴承支撑特性的理解.

基于分布位错法对涂层裂纹力学行为的研究

目的在单轴拉伸载荷下,用理论方法求解弹性涂层中裂纹的力学性质和相互影响。方法根据叠加原理,将问题分为2个子问题,使用分布位错原理求解裂纹问题,将裂纹建模为沿裂纹线分布的位错阵列,叠加后使用数值求解方法进行求解。结果得到了不同涂层模量、不同裂纹长度下表面裂纹尖端的应力强度因子(SIF)和涂层界面应力。涂层与基底模量相差越大,表面裂纹越长,其界面应力越大。计算了不同方位下的微裂纹对表面裂纹的影响,给出了60°倾角微裂纹、2l/h=0.2和2l/h=0.04表面裂纹以及2a/h=0.01和2a/h=0.018表面裂纹的影响区域。分析了涂层内部倾斜裂纹对表面裂纹应力强度因子和扩展角的影响。内部倾斜裂纹尖端对表面裂纹尖端的等效应力强度因子(ESIF)有增强作用,两侧有减弱作用。结论较硬涂层对表面裂纹的扩展有增强作用,裂纹越长,受涂层模量对其应力强度因子的影响越大。微裂纹对表面裂纹的影响跟微裂纹位置、方向、长度和表面裂纹长度有关。表面裂纹附近的倾斜裂纹对表面裂纹的扩展具有吸引作用。

激光焊接近α型Ti60合金高温力学行为

针对高温钛合金焊接结构在大推力、高推重比飞行器中的高可靠性服役需求,研究了激光焊接钛合金高温力学性能及变形机制。结果表明,受焊接热循环影响,焊接接头各区域的组织类型及形态、稀土相分布、晶粒尺寸、再结晶组织体积分数等存在显著差异。室温和600℃条件下维氏硬度由大到小依次为焊缝区、热影响区、母材区,焊缝区高硬度主要源于其内部形成的细小针状α′相。高温导致接头各区域的硬度值下降约20%。室温和600℃条件下接头拉伸试样均断裂于母材区,断口呈现出韧窝生长的穿晶断裂模式。接头试样的屈服强度和抗拉强度与母材相当,而延伸率有所降低,其源于焊缝区和热影响区的变形量较少。高温下母材和接头试样的强度均降低,高温塑性变形以回复和再结晶致应变软化为主。

基于Timoshenko梁模型的变截面体心立方梯度点阵结构力学特性研究

针对由变截面杆构成的体心立方(Body-Centered Cubic, BCC)梯度点阵结构,推导了BCC线性变截面弯折杆弯矩的分布表达式,应用于Timoshenko梁理论,得到了梯度点阵结构的力学特性参数化理论预测模型;采用六面体实体单元建立了BCC变截面单胞单元和梯度点阵结构的有限元模型,完成了仿真分析,验证了理论预测模型的有效性.对于梯度点阵结构则采用3D打印技术并选择316L金属粉末制备试样,开展了准静态压缩力学试验,同时也完成了同样工况下的有限元仿真分析,验证了Timoshenko梁模型对于长径比10以下梯度点阵结构力学特性研究的适用性,最后通过理论模型讨论了不同长径比、单胞尺寸、单胞数量和梯度方向等各种梯度点阵结构力学特性的变化规律.研究结果表明:对于线性变截面弯折杆,文中所推导的弯矩分布更加精确,能有效降低理论解的误差;采用本文中的理论预测模型,若长径比在3.5~8.7区间内,BCC变截面单胞单元及梯度点阵结构的等效弹性模量解的误差在3%以内.

随机激励作用下船舶横摇运动的奇异非混沌动力学

基于一类规则横浪作用下的单自由度船舶横摇运动模型,考虑恢复力矩和阻尼力矩的非线性因素,以一低干舷船模为例,利用龙格库塔法求解了横摇运动方程,通过时间庞加莱截面绘制了系统的分岔图;考虑其受随机风荷载扰动下不同周期吸引子演变成奇异非混沌吸引子的具体过程,发现周期激励系统在随机激励扰动下同样存在奇异非混沌吸引子,且当分岔参数离混沌区域越远,所需要随机激励的幅值越大才能诱发奇异非混沌吸引子.通过最大李雅普诺夫指数验证吸引子的非混沌性;采用奇异连续谱和分形图刻画吸引子的奇异性.

材料力学在线考试技术的研究与实践

单元测验和期中考试可采用在线考试技术来进行。为了保证在线考试与传统考试的“实质等效”,材料力学等理工科专业的基础课除了采用选择题之外,应保留相当数量的计算题。计算题应采用随机已知条件,以使每个学生获得的数据均不相同,来提高学生抄袭或作弊的成本和难度。为了减少误操作和输入错误造成的争议,可以要求学生主要提供数值类型的中间计算结果和最终计算结果。为了适应在线考试所产生的并发访问量大的情况,需要配置性能良好的服务器,或者采用分时登陆的方式来缓解服务器的压力。

力学专业课程思政教育的探索与实践——以“复合材料力学”为例

在专业课程中融入思政教育,是落实立德树人根本任务的战略举措。以“复合材料力学”课程为例进行了探索和实践。结合工程力学专业的人才培养目标,深度挖掘提炼课程中所蕴含的思想价值和精神内涵,合理拓展课程的深度和广度。通过一系列的教学设计,结合学科前沿和工程实际,在课程教学中将知识传授、能力培养和价值观塑造三者融为一体;重点培养学生的爱国主义情怀、对科学不懈追求的精神以及严谨务实的工程精神;力求在“复合材料力学”这一专业课程将显性的知识传授和隐性的思政教育相统一,充分发挥该课程的育人作用。

基于课程思政的《材料力学》教学设计与实施路径

如何开展课程思政建设已经成为了每一个高校和教师都应该关注和思考的问题。本文结合教育部印发的《高等学校课程思政建设指导纲要》,以《材料力学》的实际教学过程为例,对《材料力学》课程思政建设过程中存在的问题进行了分析,并根据这些问题探讨了《材料力学》课程思政建设实施的具体措施。力求推进《材料力学》课程思政落地生根,将学生培养成专业基础知识扎实、心理素质过硬、身心健康的高素质人才。

真空管道磁浮交通车体热压载荷分布特征及其非定常特性

基于SST κ-ω湍流模型和IDDES方法,采用三维数值模型对800 km/h的真空管道磁浮交通系统在雍塞状态(阻塞比为0.3和0.2)和非雍塞状态(阻塞比为0.1)下进行瞬态模拟,得到列车车体热压载荷时均分布特征及其波动特性,并利用跨声速风洞凸块试验数据验证了数值方法的准确性。基于本征正交分解提取流场重要相干结构,识别列车表面载荷非定常较强区域,揭示其时空演化规律。研究结果表明:列车上表面载荷分布特征与拉瓦尔喷管相似,雍塞/非雍塞状态下载荷分布差异主要位于扩张段;列车下表面载荷分布因悬浮架腔体的截面突变而变得复杂,气流突入到第一个悬浮架腔体形成局部滞止点,造成车体压力大幅度振荡,同时热量在列车底部聚集,尾车下洗气流和上洗气流相互作用差异导致了雍塞/非雍塞状态下温度峰值的位置不同;列车表面压力非定常较强区域主要位于底部悬浮架处,且存在14 Hz的特征频率,雍塞状态下尾车激波处也是一个非定常源;中间车、尾车温度载荷一阶模态体现了热量累积过程。

真空管道磁浮交通气动特性的尺度效应

为了探究管道列车的尺度对波系、尾涡以及气动载荷的影响,基于CFD软件建立三种模型尺度(1∶1,1∶5和1∶10),同时考虑两种悬浮间隙关系(车轨相对间隙不变和绝对悬浮高度不变)的模型;采用改进的延迟分离涡模拟(IDDES)湍流模型和重叠网格技术模拟了列车在管道动态运动,并用风洞试验数据验证了数值方法和网格策略的合理性.研究结果表明:列车尺度(雷诺数)增大,车前活塞区域变长,尾流扰动区范围缩短;雷诺数对近尾流区的涡对演化影响较小,但在远尾流区,随着列车尺度减小,涡对脉动变强,涡对强度的差异导致了车后正激波形态的差异;列车表面最大正压值和最大负压值均随着列车尺度增大而增大,悬浮间隙对最大正压值影响较小,但与最大负压值成正相关关系;尺度效应从压差阻力和摩擦阻力两方面共同影响气动阻力,整车摩擦阻力和头、中间车的压差阻力与雷诺数正相关,但是尾车压差阻力受附着激波的强度影响恰恰相反;列车尺度和悬浮高度均对升力影响较大.相对于全尺寸模型,1∶10模型(悬浮高度20 mm)的最大正压值减小3.82%,最大负压值增大3.94%,整车总阻力增大8.64%,头车升力减小101.56%,尾车升力增大15.88%.

闪烧致密Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)复相陶瓷的微观结构及力学性能

以α-Al_(2)O_(3)和氧化钇稳定氧化锆粉体为原料,无压烧结制备致密Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)复相陶瓷,在临界电场下进行热处理后,对Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)复相陶瓷的微观结构和力学性能进行研究。结果表明:在900 V/cm的电场下,烧结致密Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)复相陶瓷的闪烧起始炉温为308℃。在炉温为1200℃、电场为700 V/cm的条件下,闪烧致密Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)复相陶瓷原位合成Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶结构。闪烧陶瓷主要分为复相区、过渡区和共晶区3个区域。复相区的微观结构与烧结陶瓷相似,形状不规则的Al_(2)O_(3)和ZrO_(2)相均匀分布;过渡区晶粒异常长大,粗大的Al_(2)O_(3)和ZrO_(2)相均匀分布;共晶区则呈现典型的Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶结构。共晶区的维氏硬度和韧性分别为17.94 GPa和3.51 MPa·m^(1/2),与采用定向凝固技术制备的Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶陶瓷的力学性能相当。

次表面分岔裂纹的力学行为

在复杂荷载作用下,利用分布位错技术(DDT)对半无限大平面内的分岔裂纹问题进行研究,并进行了正确性验证.根据等效应力强度因子判据,初步解释了裂纹产生分岔的原因;研究了不同埋深、荷载比值、分支长度比值、分岔角度情况下的分岔裂纹尖端的应力强度因子;同时,研究了多分支分岔裂纹,计算结果与有限元结果吻合.结果显示:埋深越深,分岔裂纹扩展越困难,当埋深为d/a=1.5时,分支裂尖应力强度因子削弱程度可达15%左右;较长分支会极大地抑制短分支的扩展,当两分支裂纹长度比达到b/c=2以上时,屏蔽效应可达50%以上;另外,分岔角度和荷载比值会改变分岔裂纹主导的扩展模式.

一类单自由度分段光滑悬索桥模型的动力学研究

悬索桥受自身灵活性高但不够坚固的特性影响,其抗风能力相对较弱,当风速达到一定规模时,桥体可能会发生抖振、颤振甚至坍塌。研究了一类单自由度分段光滑的悬索桥模型受到风载荷作用时的动力学特性,数值模拟出系统在不同参数下的分岔图,吸引子和吸引域,得到丰富的多稳态现象。利用打靶法计算出系统的不稳定周期轨道,观察包括内部激变、边界激变在内的激变动力学现象。数值研究结果说明:同样的系统参数下可能出现多个运动状态,甚至出现从不稳定的周期运动状态直接跳跃到混沌的运动状态的现象,这在实际建造设计、安全性检测以及失效预警过程中需要注意或者避免。

基于自旋梁的压电振动能量采集与动力学分析

为研究轴向载荷及梁上外激励共同作用下自旋梁结构强迫振动的压电振动能量采集问题,文章提出运用格林函数法求解自旋梁压电俘能器强迫振动下的电压解析解.基于Euler-Bernoulli梁理论,采用扩展Hamilton原理及PZT-5A压电本构,建立了自旋梁压电俘能器强迫振动的力电耦合模型.采用Laplace变换法求得耦合振动方程的格林函数解,并根据线性叠加原理和格林函数的物理意义,对耦合的系统方程进行解耦,进而求得强迫振动下自旋梁压电俘能器的电压解析解.数值计算中,通过与现有文献中的解析解以及实验结果进行对比,验证了本文解的有效性,并分别分析了自旋梁压电俘能器的压电响应与电阻、转速等重要物理参数之间的关系.数值分析研究表明:(1)自旋梁俘能器的压电响应随电阻阻值的增大而增大,直至阻值达到最优负载电阻;(2)通过调高转速,可以提高压电俘能器的最大输出电压;(3)通过降低轴向载荷,可在保持俘能器高效工作的情况下改善俘能器的高基频现象.

基于成分与力学性能调控的NbTiMoVHf(Zr)Si系难熔高熵合金优化

高温力学性能优异的难熔高熵合金在航空发动机热端部件制造中展示出广阔的应用前景。首先,采用真空电弧熔炼法制备了20种NbTiMoVHf(Zr)Si系难熔高熵合金,并通过维氏硬度和拉伸性能测试确定了具有较好力学性能的合金样品,随后利用X射线衍射和电子背散射衍射等研究了其微结构特征。结果表明:NbTiMoVZrSi系高熵合金的力学性能更优,维氏硬度可达723 HV,抗拉强度可达219 MPa;随着Si含量增加,合金的晶粒尺寸减小,析出更多硬质硅化物,且硬度最高的样品小角度晶界含量较高。

压-剪耦合冲击下冻土力学行为与能量演化研究

在寒区工程施工中,冻土不可避免地会承受压-剪耦合荷载的作用。为了研究冻土在压-剪耦合冲击加载下的力学性能及其能量演化规律,设计了4种不同倾角(0°、3°、5°和7°)的冻土试样,并利用分离式霍普金森压杆在3组不同冻结温度(-23、-15、-7℃)下对其进行冲击实验。结果表明:压-剪耦合冲击加载下冻土的破坏过程可以分为弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段;随着温度由-23℃升至-7℃,0°倾角下冻土的抗压强度下降了41.4%,表现出明显的温度敏感性,而当倾角由0°增加至7°时,-23℃下冻土的抗压强度降低了21.0%,表现出一定的加载路径依赖性;冻土的破坏面随着温度降低不断向外扩展;冻土的破坏过程伴随着能量积累、耗散和释放,且能量耗散密度随着温度的升高和倾角的增加而降低。

面向航空铝材力学性能试验的平面压入方法

在役结构材料力学性能微损测试是结构完整性评价的重要内容,旨在获取航空铝材基本力学性能的毫微级平面压入试验方法尚需进一步发展。基于平面压入试验获取航空铝材的单轴拉伸力学性能,并建立获取材料洛氏硬度HRB的平面压入试验方法。针对5种航空铝材进行平面压入试验、单轴拉伸试验和洛氏硬度测试,对比结果表明:由平面压入试验预测得到的材料单轴拉伸力学性能及洛氏硬度与单轴拉伸试验及洛氏硬度测试结果密切吻合,单轴拉伸力学性能误差均在6%以内,洛氏硬度误差在7%以内;表明平面压入试验方法可通过单次单调加-卸载试验实现航空服役构件材料力学性能的微损获取。