SiC/AZ31反贝壳结构复合材料的拉伸性能

结合机械球磨和热变形工艺制备具有反贝壳结构的SiC/AZ31复合材料,通过工艺控制对复合材料微观结构进行有效调控。采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)等对材料的微观结构进行表征,通过准静态拉伸实验测试材料的力学性能,并结合其微观形貌对强韧化机理与失效机制进行初步分析。结果表明:通过热变形工艺获得的反贝壳结构可以明显提升镁基复合材料的拉伸性能;当反贝壳结构复合材料基体的应变硬化能力得到提升时,能更好地补偿硬相中裂纹增殖带来的软化效应,复合材料的应变硬化能力得到提升。通过调控反贝壳材料软相片层尺寸,可以实现对拉伸性能的调控。软相片层较大时,材料拥有更好的韧性;软相片层较小时,材料拥有更高的强度。反贝壳结构复合材料良好的强韧性与其结构特点密不可分,其连续的硬相很好地起到了承载作用,而弥散的软相片层则有助于提升复合材料的韧性。该材料的主要强化机制包括弥散强化、细晶强化与异构形变诱导强化,而韧性的提高则归功于软相片层诱导的裂纹钝化和偏转。

改进有限条法在平壳条振动特性研究中的应用

针对平壳条结构的振动特性问题,通过分析有限单元法的特点和应用,将改进的傅里叶级数法与有限单元法结合实现了任意边界条件的模拟,解决了平壳条结构对其梁函数边界条件的依赖性,从而提出一种高效、准确的半解析半数值方法—改进有限条法。根据Hamilton能量变分原理,推导出有限条元的刚度矩阵和质量矩阵并进行了平壳条结构自振特性分析。通过上机编程完成数值计算,并与商业有限元软件计算得到的结果进行对比分析,验证了该方法的有效性和准确性。进一步分析了截断级数、边界弹簧刚度系数、尺寸参数对系统频率的影响规律。

某机载PCB动态特性等效建模分析及实验验证

针对某机载PCB上元器件的分布以及其结构特点,提出一种基于元器件局部质量刚度等效的PCB动态特性等效建模方法。该方法以PCB基板的原始几何尺寸为基础,将元器件的刚度和质量等效地应用到基板和元器件的连接处,以模拟实际PCB上元器件对整体基板的影响。通过模态试验得到PCB基板和等效建模区域的杨氏模量和泊松比,然后将得到的等效模型用于有限元仿真,计算获得等效模型的模态频率和振型。最后将仿真结果与模态试验结果进行对比,以验证等效建模方法的可行性。结果表明,该等效建模方法在工程需求上满足要求,为以后类似的PCB产品快速等效建模以及获取动态特性提供了借鉴思路。

基于响应面-遗传算法的印制电路板参数识别

印制电路板装配件(Printed Circuit Board Assembly,PCBA)在航空航天设备中有广泛应用,分析和优化航空设备中电子设备振动可靠性的必要前提是建立准确的PCBA有限元模型。针对PCBA有限元模型物理参数难以通过实验获取的问题,本文以某机载电子设备PCBA为案例,首先通过最小分辨率V(Minimum Run with Resolution V,MRRV)的中心复合设计(Central Composite Design,CCD)建立多因素模型响应面函数样本点;然后根据最小二乘法确定响应面函数系数并完成响应面精度检验,构建响应值与模态试验结果误差的多目标函数;再采用快速分类的非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-Ⅱ,NSGA-Ⅱ)进行多目标参数识别,将识别后的参数代入ABAQUS有限元模型进行仿真分析,最后与模态试验和随机振动试验结果进行对比。结果表明:模态频率平均误差减少到2.70%,随机振动响应平均误差为5.83%,验证了此方法对机载振动环境下PCBA模型参数识别的有效性。

软相尺寸对反贝壳复合材料压缩性能的影响

文章采用一步球磨结合真空热压工艺制备了由Al_(2)O_(3)/Al纳米复合材料(硬相)和纯铝(软相)构成的反贝壳结构复合材料,研究了软相尺寸(从微米级到亚微米级)对复合材料压缩性能的影响,并对其变形失效机制进行了分析。结果表明:在保持高失效应变的前提下,抗压强度随软相尺寸的减小而逐渐提高,尤其是从微米级减小到亚微米级时,抗压强度达到494 MPa,比微米级时至少提高60%;当软相尺寸为微米级时,复合材料中的裂纹萌生于软硬相界面处,并沿着界面-硬相-软相扩展,最终形成沿着与加载方向呈45°的宏观主裂纹。同时,软相可有效阻挡二次裂纹的扩展,当软相尺寸减小到亚微米级别时,裂纹萌生于软相变形带附近并沿着变形带-硬相扩展,逐渐演变成与加载方向呈±45°的均匀分散于整个复合材料的微裂纹,即软相尺寸从微米级减小到亚微米级时,增韧机制由软相对裂纹的阻挡转变为微裂纹的增殖和均匀分散。该研究结果为制备高强韧铝基复合材料提供重要参考价值。

超临界温度下Inconel 617B的力学行为

针对Inconel 617B合金,分别完成了常温、700℃下单轴拉伸试验和等幅应变疲劳试验。基于漏斗试样有限元辅助测试(Finite-element-analysis Aided Testing,FAT)新方法获得了Inconel 617B合金在两种温度下直至破坏的单轴拉伸真实应力-应变试验关系,给出了材料临界破断应力、破断应变、应力应变描述新方程与参数;研究了两种温度下Inconel 617B合金的循环应力演化行为、循环本构关系、应变幅与寿命关系和超超临界服役温度效应。研究结果表明,超超临界温度使Inconel 617B合金的弹性模量、屈服强度、极限强度、临界破断应力、破断应变和试样颈缩后漏斗根部横截面中心点应力三轴度等力学性能降低显著;提出的真实应力-应变关系新方程对FAT获得的结果曲线描述良好;有限元辅助分析得出,试样漏斗根部横截面中心的应力三轴度最大,700℃下破断时最大应力三轴度远低于常温结果;Inconel617B合金在两种温度下均表现出明显的循环硬化特征,超超临界温度使得Inconel 617B合金的循环稳定寿命比例明显减小、抗疲劳性能显著降低;Manson-Coffin模型可良好描述两种温度下Inconel 617B合金的低周疲劳试验寿命结果。

改进傅里叶级数法在Winkler地基薄板振动分析中的应用

基于Winkler地基模型,采用弹性组件及其参数设定模拟约束边界类别与状态,结合Hamilton原理,建立一种适应各类参数全局性变化的土-结构相互作用的振动分析方法。求解过程重点利用改进傅里叶级数法,给出能够满足各类边界条件的振型函数统一表达式,有效地解决振型函数在任意边界条件下的选取以及不能严格满足角点条件的难点。通过数值计算与文献对比,检验方法的准确性,并验证其快速收敛特性;在此基础上,探究系统频率与地基基床系数、地基上矩形薄板尺寸参数的相互影响关系和规律。

不同体积分数纳米Al_(2)O_(3)颗粒增强铝基复合材料的力学性能探究

复合材料高强度和高塑性不可兼得的难题限制了其广泛的运用,因此如何制备高强度和高塑性的复合材料是使其具有更广泛运用的关键。采用高能球磨和真空热压烧结技术制备不同体积分数纳米Al_(2)O_(3)颗粒增强铝基复合材料。采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)等方法对复合材料的微观结构进行分析,通过准静态压缩测试复合材料的力学性能,并对复合材料的失效方式进行了初步分析。研究结果表明纳米Al_(2)O_(3)颗粒在铝基体中分散均匀,没有发生团聚现象。随着纳米Al_(2)O_(3)颗粒体积分数的增加复合材料的强度提升明显,其中15vol.%-Al_(2)O_(3)/Al复合材料的最大压缩强度达到741 MPa,同时具有23.5%的失效应变,复合材料的失效方式也由脆性-韧性混合断裂转变为脆性断裂。研究结果对铝基复合材料的研究以及工业运用具有一定的参考价值。

振荡热压烧结温度对WC-6Co微观组织与力学性能的影响

采用振荡热压烧结工艺(HOP)制备了WC-6Co硬质合金,研究了烧结温度对WC-6Co硬质合金致密化、微观组织和力学性能的影响。结果表明:采用HOP工艺在固相烧结温度(1200℃)时即可制得致密样品;随着烧结温度的提高,尽管WC晶粒尺寸逐渐增大,但在固相烧结温度区间依然保持超细晶;Co相分布逐渐均匀;硬度先急剧增大而后出现略微降低,在1200℃时达到最大值22GPa;断裂韧性逐渐增大,在1200℃时即达到11.7MPa·m^(1/2),随后出现略微增大。总之,在1200℃时合金获得最优的综合力学性能,这得益于振荡压力能够促进颗粒重排、塑性变形和晶界扩散等致密化机制的发生,实现快速致密化,降低晶界迁移速率从而抑制晶粒生长,同时促进Co相的均匀分布,并触发新的韧化机制(裂纹桥联和裂纹分叉)。

基于超声导波波束成形的缺陷反演方法研究

利用超声导波对板结构中的缺陷进行反演可以确定缺陷的位置和形状信息,针对走时成像方法在低频范围内效果不佳的问题,提出一种基于波动场的超声导波缺陷反演成像方法。根据波动方程推导出波束成形成像原理,利用Born近似下的散射场数据对成像区域像素点的值进行相干叠加,得到缺陷的位置和形状。再通过波束成形与傅里叶衍射定理在频域的映射关系,将波束成形的结果转化为衍射层析成像图像,得到了更为清晰的反演图像。针对衍射层析成像中存在伪影和噪声的问题,利用二维变分模态分解(Two-dimensional variational mode decomposition,2D-VMD)方法对图像进行降噪处理,有效去除了伪影和缺陷轮廓边缘的毛刺,进一步提高了成像分辨率。反演结果表明该方法可以较为准确地重构出铝板上减薄缺陷的位置、大小和形状,具有较高的分辨率。

仿生叠层原位铝基复合材料的弯曲性能与增韧机制

受贝壳的珍珠层结构启发,本文开展了铝基复合材料的构型设计,采用片状粉末冶金工艺制备了具有仿生叠层结构特征的原位Al-O结构增强铝基复合材料,研究了复合材料的弯曲性能及断裂特征,并讨论了叠层结构的特征尺寸对弯曲性能的影响。当仿生叠层原位铝基复合材料中的软相平均厚度为0.83μm时,弯曲强度可达402.6MPa,断裂韧性值为11.8MPa∙m^(1/2),实现了良好的强韧性匹配。通过对裂纹扩展路径的观察,揭示了仿生叠层结构在抑制裂纹扩展,促使裂纹偏转,以及形成分层裂纹等方面的作用。本文的研究结果为高强韧铝基复合材料的构型设计和性能优化提供了新思路。

改进有限条法用于矩形薄板的振动分析

工程应用中的薄板可视为由条状薄板组成的结构,如矩形薄板、蜂窝薄板结构等。各类解析法精度较好但应用不够灵活,有限单元法在计算较为灵活但过大的矩阵致使求解效率低下。结合有限元法和解析法的优点,建立矩形形状的有限板条。采用一维离散、一维解析的半解析函数构造薄板的位移函数,其中离散方向采用Hermite插值构造来满足薄板的位移连续和转角连续,解析方向通过改进的傅里叶级数描述相应边界的梁函数。以矩形薄板的振动为研究内容,通过将得到的薄板固有频率与有限元软件计算结果进行对比,验证了基于有限条法所建立的计算模型的有效性,分析边界弹簧刚度和傅里叶级数截断值对计算结果收敛性的影响。

两种典型地铁受电弓关键部位疲劳失效评价与研究

地铁受电弓在服役条件下承受着复杂的交变应力作用,容易产生疲劳失效,因此有必要对受电弓部件进行疲劳寿命评价。文章通过对两种典型受电弓进行动态应力测试,得到ATO工况下应力时程曲线,实测结果发现当接触网导线高度突变时,某些测点的应力会出现相应的突变,然后回归小幅振荡。文章首先采用雨流计数法对应力时程数据进行循环计数统计,然后用Goodman模型考虑载荷谱中平均应力的影响,并结合材料的外推P-S-N曲线及Miner法则对受电弓部件进行寿命预测。结果显示,A型受电弓的上下臂杆连接部位以及B型受电弓的上框架部位疲劳寿命相对较短,应考虑构件结构改进以提高寿命。

QFP焊点形态模拟及随机振动疲劳寿命预测

针对电子设备中翼型焊点的振动可靠性问题,介绍了电子设备元器件焊点在随机振动载荷下的仿真分析的通用方法。通过Surface Evolver软件得到了某机载电子设备元器件焊点的形态预测模型,然后结合Hypermesh将模型导入到ABAQUS有限元软件中完成有限元模型搭建;在有限元软件中,对模型加载随机振动载荷,采用Steinberg模型,结合Manson高周疲劳经验公式及Palmgren-Miner线性疲劳损伤累计准则;得到了焊点随机振动载荷下的可靠性寿命,研究成果对电子设备元器件焊点的失效分析具有实用价值。

金属材料准静态断裂性能标准测试技术研究进展

准静态断裂性能是评价含裂纹结构完整性的重要力学参量,其测试规范的制修订可反映国家在国际断裂测试领域的技术水平。由于较复杂的断裂力学理论背景以及长期经费投入乏力,我国的断裂性能测试规范自主创新修订工作严重落后于国际水平。自2011年立项至今,历经3年的不懈研究,完成了新版国家断裂测试规范GB/T 21143-2014的修订,且在原规范的基础上取得了许多新进展。主要包括:对基于柔度原理的裂纹长度计算公式进行了简化,完善了原有J积分和CTOD计算式;推荐了考虑断裂试样大角度转动影响的旋转修正新方法;借鉴ASTM E1820-11规范,引入了改良后的单试样规则化法。为了更好地促进新规范的推广应用,本文就新规范修订中涉及的上述技术的研究进展进行详细综述。

考虑裂尖约束效应的小尺寸CIET试样延性断裂行为

应用单试样规则化法完成了压力容器用钢SA-508紧凑拉伸(Compact tension,CT)、三点弯曲(Single edge-notched bending,SEB)和小尺寸含内侧边裂纹C形拉伸(C-shaped inside edge-notched tension,CIET)三类试样的延性裂纹扩展行为试验,获得了J-Δa阻力曲线。结果表明,SA-508钢的J-Δa阻力曲线受试样构形和裂纹尺寸的影响较大,其根本原因在于试样裂纹尖端约束不同而引起延性断裂行为差异。引入J-Q-M三参数约束理论考察断裂试样的裂尖约束效应,采用权重平均法求解与距离无关的约束参数Q。弹塑性有限元分析结果表明,平面应变条件下的Q参数与载荷水平无关,但三维条件下的Q参数却仍受载荷水平的影响。基于J-Q-M三参数约束方法,建立三类试样满足J-Q-M控制的有效尺寸条件。进一步地,结合条件启裂韧度J0.2BL、J0.5BL试验结果和J-Q-M理论,获得了基于Q参数的约束修正J-Δa阻力曲线簇,可用于任意约束试样以及实际含裂纹结构的延性断裂行为预测。

基于D-P准则和西原模型的圆形隧道黏弹-黏塑性解

为了较好地描述圆形隧道开挖后围岩的流变特性,假设围岩本构模型为西原模型,选用Drucker-Prager屈服准则,考虑塑性区的黏性与剪胀特性,推导了圆形隧道开挖后围岩塑性区半径、应力、位移的理论解。当剪胀角ψ=0°时,这些解答转化为体积不变假设下基于Mohr-Coulomb准则和西原模型的黏弹-黏塑性解。通过具体算例,分析了剪胀角对塑性区半径、洞壁位移和应力场的影响。将黏弹-黏塑性位移解和黏弹-塑性位移解进行了对比分析。结果表明:围岩达到稳态之前,剪胀角对应力场和塑性区半径影响较小,对洞壁位移影响较大。稳态围岩的应力场和塑性区半径与剪胀角取值无关。稳态围岩洞壁位移随着剪胀角的增大有较为明显的增加。塑性区的黏性特性对围岩的稳态应力没有影响,对围岩的稳态洞壁位移有较大的影响。剪胀角较大时,应考虑塑性区的黏性,否则会低估稳态围岩洞壁位移。研究结果对实际工程有一定的参考价值。

球磨工艺对SiC/Mg非均匀纳米复合材料的影响

研究了一种通过室温球磨和低温球磨相结合制备SiC/Mg非均匀镁基纳米复合材料的方法。采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)等手段对非均匀复合材料的微观结构进行分析,通过准静态压缩测试了SiC/Mg非均匀镁基纳米复合材料的性能,并对其强化机制和增韧机制进行了初步分析。研究结果表明,延长低温球磨时间可以减小软相的尺寸,同时细化硬相中的晶粒尺寸,从而达到提升复合材料强度和失效应变的效果。因此,通过调整球磨工艺可以优化SiC/Mg非均匀镁基纳米复合材料的微观结构和力学性能。

钢筋非均匀锈蚀引起混凝土保护层内裂分析

根据自然环境下保护层锈胀开裂前的钢筋锈蚀形态,将锈蚀层简化为半椭圆状的非均匀分布,从而建立了钢筋非均匀锈蚀理论模型。经过求解得到了混凝土中锈胀应力理论解,并与有限元计算结果对比,验证了理论解的精确性。根据理论解可知最大周向应力在水平轴上,因此锈蚀层的发展会首先引起保护层内部水平裂纹的产生。增加钢筋直径可有效减低锈胀应力,提高结构抗锈裂的能力。与均匀锈蚀理论模型对比结果表明:均匀锈蚀要远小于非均匀锈蚀条件下的临界锈蚀层厚度,均匀锈蚀的计算结果偏于保守。因此,对锈胀问题进行理论分析时,应采用更接近真实锈蚀形态的非均匀锈蚀模型。

直管流致振动数值模拟中的参数选择

基于ANSYS Workbench与CFX有限元分析软件,采用双向流固耦合方法,以横向流作用下的单根直管为基本分析对象,建立三维流固耦合模型。利用Meshing划分不同网格来研究网格划分对单管的流致振动数值模拟的影响。以横向均匀来流下单管为例,给出了合理的边界层网格划分方式及合理的时间步长。