双材料应力分析中的镜像点方法

提出一种分析各类双材料中任一点受集中力作用问题的方法.通过将结合界面或其自由表面看作镜面,将应力函数或位移函数设定成固定于受载点及其镜像点上的局部坐标系下的形式,利用界面连续条件和Dirichlet的单值性原理,所有应力函数或位移函数就可由无限体中集中力的解或半无限体表面集中力的解的应力函数求得.这种方法不仅可适用于单一界面的情况,也可使用于多个界面并存的情况,并且也可适用于具有自由表面的结合材料.这一方法可应用于各类结合材料、涂层薄膜材料、板材等.     

薄膜涂层材料内部受集中力作用时的空间基本解

该文研究了薄膜涂层材料结构形式中薄膜涂层内部受垂直于界面的集中力作用下的显式理论解.基于三维轴对称理论,将位移函数设定为固定于力作用点和各映射点的局部坐标系下的形式,借助界面连续性条件和Dirichlet原理,所有未知位移函数可通过递推方式由无限体受集中力作用的基础解函数得到.该理论解以无穷级数形式给出.最后给出了该理论解和有限元数值计算的结果比较,表明收敛速度很快,一般只需前面几个映射点便可达到足够的精确度.     

板材自由表面受法向集中力时的理论解

基于三维轴对称弹性理论,利用镜像点方法,给出了无限板表面受法向集中力作用的显式理论解．该解可用作格林函数,来求解分布力的问题．由于板的两个表面的反复映射,载荷点的镜像点有无穷多个,严密解是以固定在各镜像点的局部坐标系下的位移函数的和的形式给出的,但只需考虑前几个镜像点,就可获得足够精确的解．关于各镜像点的位移函数,是以递推形式给出的,易于计算机编程。     

薄膜涂层材料界面纯剪破坏标准试验法的开发

界面强度是薄膜涂层材料的最重要的性能指标之一，目前尚缺乏有效的测量方法。测量界面强度的主要困难在于寻求一种便于试验的试件形状和加载方式，使得界面上能够产生不同的应力状态，即在不同的剥离应力和剪应力比的状态下发生破坏。本文采用有限元数值分析（ABAQUS），研究了几种具有简单几何形状的试件的界面应力，并基于大量的数值试验，设计了剪应力为破坏支配因素的试件形状和加载方式，并且给出了便于应用的最大界面剪应力的经验估算公式。该经验公式可以适用于各种材料组合和薄膜涂层的厚度。研究结果表明，通过对薄膜涂层材料试件的基体引入缺口以产生应力集中，进行普通的四点弯曲试验，可以进行剪应力占支配地位的界面破坏试验。利用本文提出的试件形状和相应的最大界面剪应力经验公式，可以通过破坏试验简单地得到界面的剪切强度。     

基于界面层模型的双周期纳米夹杂复合材料反平面问题研究

利用复变函数方法并结合双准周期Riemann边值问题理论，获得了含双周期分布非均匀相（夹杂/界面层）的复合材料在远场均匀反平面应力下弹性场的全场解答．该解答可用于对纳米夹杂复合材料的应力进行分析，结合平均场理论也用于预测纳米夹杂复合材料的有效性能．计算结果表明：当夹杂尺度在纳米量级时，应力和有效反平面剪切模量具有明显的尺度依赖性，并且随着夹杂尺寸的增加，趋近于不考虑界面效应时的结果；界面层厚度和性能对应力和有效反平面剪切模量明显变化时所对应的夹杂尺度范围和趋近于无界面效应结果的快慢有显著影响；当界面厚度足够薄时，界面层模型可用于模拟零厚度界面情况．     

风沙冲击作用下钢结构表面涂层与基体界面应力研究

在应用接触力学分析风沙冲击钢结构表面涂层的动力基础上,应用界面力学镜像点法分析涂层基体界面应力,并计算分析风沙冲击作用下涂层与钢结构界面应力。分析结果表明：界面正应力随着冲击速度的增大而增大,界面正应力在冲击点附近较大,越远离冲击点越小,在冲击点处,界面正应力随着冲击角度的增大而增大,90°时达到最大,当离冲击点有一定距离时,界面正应力在45°时达到最大。界面剪应力也随着冲击速度的增大而增大,且界面剪应力在冲击角度为30°时达到最大值,界面剪应力在离冲击点距离x=1mm的界面处,界面剪应力达到最大值,当x≤1mm时,界面剪应力随着x的增大而增大,当x＞1mm时,界面的剪应力随着x的增大而减小。     

风沙冲击作用下涂层与基体界面应力、位移及破坏机理研究

应用界面力学镜像点法及断裂力学理论分析了风沙冲击作用下钢结构表面涂层与基体的界面问题。分析结果表明:冲击角度一定时,界面应力随着冲击速度的增大而增大;冲击速度一定时,界面正应力在冲击点附近较大,在冲击角度为45°时最大;界面切应力在冲击角度为30°时达到最大;冲击角度一定时界面位移随着冲击速度的增大而增大,界面水平位移在冲击角度为30°时最大,冲击速度一定时界面垂直位移随着冲击角度的增大而增大。界面破坏机理是因为界面存在应力集中现象,易发生破坏,切向破坏较为严重。     

应用半权函数法计算界面裂纹的应力强度因子

应用半权函数法求解双材料界面裂纹的应力强度因子，得到以半权函数对参考位移与应力加权积分的形式表示的应力强度因子。针对特征值为复数λ的双材料界面裂纹裂尖应力和位移场，设置与之对应特征值为-λ的位移函数，即半权函数。半权函数的应力函数满足平衡方程，应力应变关系，界面的连续条件以及在裂纹面上面力为0；半权函数与裂纹体的几何尺寸无关，对边界条件没有要求。由功的互等定理得到应力强度因子KⅠ和KⅡ的积分形式表达式。本文计算了多种情况下界面裂纹应力强度因子的算例，与文献结果符合得很好。由于裂尖应力的振荡奇异性已经在积分中避免，只需考虑绕裂尖远场的任意路径上位移和应力，即使采用该路径上较粗糙的参考解也可以得到较精确的结果。     

平面弹性力学问题的离散元法

根据离散元的基本原理,基于变形体的理论提出了适用于平面弹性力学问题的界面位移、应变和应力模式,建立了求解平面弹性力学问题的离散元方程和相应的迭代求解方法.通过界面位移可以简洁地将位移和力的边界条件引入离散系统的控制方程,也可以方便地求解节点位移.数值算例表明,与具有相同网格的有限元结果相比,离散元能同时给出精度相对较高的应力解和精度相当的位移解.     

滑动最小二乘插值函数配点法

给出了利用滑动最小二乘法构造加权残值法中试函数的方法，对试函数中的基函数以及权函数的选取提出了建议；该试函数适用于任何定解问题，采用配点法求出试函数中的系数，进而可得到定解问题的近似解，利用该试函数对简支板的挠曲，悬臂梁的弯曲，以及中心具有小圆孔的大板的均匀拉伸等三个例子进行了数值计算，并与理论结果进行对比，同时还检验了该法的精度对结点数，配点数，以及结点影响半径的依赖情况，结果表明，该试函数适用于多种边值问题，且精度高，该法简化了选择试函数的过程，尤其适用于工程中的各种数值计算。     

光弹性贴片载波法

本文提出了一种提高测量灵敏度的光弹性贴片法。通过高频条纹调制获取载波条纹图。使贴片的等差效应所反映的力学信息规范化。运用计算机图象处理技术,对载波图自动采集、处理和解调,以获得全场条纹级数。编制了专用软件并以实例说明实验过程。     

钛珠涂层和羟基磷灰石涂层与皮质骨界面的切向微动损伤研究

通过体外模拟切向微动行为,探究两种生物固定材料-钛珠涂层和羟基磷灰石涂层与皮质骨界面之间的微动摩擦磨损机理,建立钛珠涂层和羟基磷灰石涂层与骨组织生物固定界面的微动-松动-骨损伤的关系. 结果表明,界面处于部分滑移区时,弹塑性协调作用起主导,固定界面不易产生松动,皮质骨表面损伤以剥落为主,表面损伤较小. 增大微动位移幅值,界面摩擦系数增大,皮质骨的损伤增大. 同时,划分出了钛珠涂层和羟基磷灰石涂层部分滑移区的工况分界线. 通过对比两种材料的摩擦磨损机理,钛珠涂层与皮质骨界面固定效果较好,羟基磷灰石涂层与皮质骨界面损伤较小. 结果对人工关节生物固定起到一定的参考作用.      

CVD TiC—TiN复合涂层球／Pb基固体润滑盘摩擦学性能的研究

本文对球(包括CVD TiC-TiN复合涂层球和GCr15钢球)盘(包括纯Pb与Pb-Sn-Cu电刷镀层盘)滑动摩擦副进行了摩擦与磨损试验。结果表明,真空下的摩擦系数比大气下的低,涂层球的摩擦系数比钢球的低,Pb-Sn-Cu涂层盘的摩擦系数比Pb涂层盘的低。磨损表面的扫描电镜观测发现,在CVD涂层破裂区的后沿形成了固体润滑转移膜,这有助于降低摩擦和磨损。磨损表面的俄歇电子能谱分析表明,在油润滑及干摩擦下,盘的磨痕处仍有可起润滑作用的固体润滑膜存在。这种膜含有Fe元素,表明它是摩擦表面作用后产生的。     

冷阴极离子镀TiN薄膜的空蚀磨损特性研究

采用自制磁致伸缩式空蚀磨损试验机考察了冷阴极离子镀TiN薄膜的空蚀磨损性能，分析了TiN镀层的空蚀磨损过程及机理，探讨了TiN镀层硬度和厚度对其空蚀磨损性能的影响．结果表明：TiN镀层具有优异的抗空蚀磨损性能；其空蚀磨损过程可以划分为孕育、镀层磨损、混合磨损及基体磨损等4个阶段；空蚀磨损从软质点开始，软质点剥落形成凹坑，凹坑边缘发生剥落或断裂；TiN镀层的抗空蚀磨损性能随其硬度和厚度增加而提高．     

TiN涂层的径向微动行为

对ＧＣｒ１５／４５＃钢和ＧＣｒ１５／离子镀ＴｉＮ涂层的４５钢摩擦副进行了径向微动试验,试验的最大载荷从２００Ｎ到８００Ｎ,循环次数为１０＾５。摩擦磨损试验结果表明,ＴｉＮ涂层的抗塑性变形能力和抗么向微动损伤能力比基体好,ＳＥＭ分析表明,ＴｉＮ涂层的磨屑呈现剥层特征钢试样表现出粘着现象。     

不同法向载荷下TiN涂层磨损寿命与失效机理研究

采用阴极弧等离子沉积技术在高速钢(HSS)和硬质合金钢(WC-Co)基体上制备TiN涂层,利用往复摩擦磨损试验机、轮廓仪、扫描电子显微镜和能谱仪等分析了不同法向载荷下TiN涂层的摩擦磨损特性和失效过程,建立了涂层磨损寿命图. 研究结果表明:TiN涂层/HSS试样摩擦系数随循环次数增加呈上升趋势;TiN涂层/WC-Co试样在30 N法向载荷下的摩擦系数随循环次数呈上升趋势,在60~120 N法向载荷下摩擦系数波动较大. 涂层试样的磨损深度随法向载荷与循环次数的增加而增加. TiN涂层/HSS试样在30 N法向载荷的主要失效形式是磨粒磨损、轻微黏着磨损和氧化磨损,在60~120 N法向载荷的主要失效形式是涂层断裂、磨粒磨损和剥层磨损. TiN涂层/WC-Co试样在30~50 N法向载荷下的主要失效形式是磨粒磨损,在60~120 N法向载荷下的主要失效形式是严重剥层. TiN涂层的磨损寿命图可以分为两部分:涂层工作区和涂层失效区. 接触应力越大,涂层磨损寿命越短. 基体材料抵抗变形的能力越强,涂层磨损寿命越长. TiN涂层/HSS基体具有良好的抵抗法向载荷的能力和较长的磨损寿命.      

P110油管钢表面镀Cu与镀Ni-P摩擦磨损性能的比较

在P110油管钢表面分别制备了Cu镀层和Ni-P镀层,采用SEM、EDS和STM等方法对比研究了P110油管钢基体、Cu镀层和Ni-P镀层的摩擦磨损性能,分析了磨痕形貌、磨损率和摩擦系数的异同,探讨了磨损机理.结果表明:Cu镀层和Ni-P镀层的耐磨性均明显优于P110油管钢基体,且Ni-P镀层的耐磨性优于Cu镀层;P110油管钢基体的磨痕呈磨坑形貌,磨损机理为剥层磨损和磨粒磨损;Cu镀层的磨痕表面附着Cu磨屑,磨屑受压发生塑形变形,磨损机理为疲劳磨损和黏着磨损;Ni-P镀层的磨痕呈细小的犁沟形貌,磨损机理为轻微磨粒磨损.     

一种搪瓷涂层的磨料磨损性能研究

利用转盘式磨料磨损试验机考察了非晶态搪瓷涂层的磨料磨损性能,并分析了磨损机理。结果表明：搪瓷涂层磨损受磨料颗粒的种类及尺寸以及滑动速度的影响,其磨损机制主要为脆性剥落;这种脆性剥落源于滑动过程中涂层磨损表面的裂纹形成及其扩展。     

Coating metals on micropowders by magnetron sputtering

Magnetron sputtering was used to coat various metals on micropowder surfaces. By using this method, the fine particles are better dispersed and can therefore be coated more homogeneously. The micro-powders used include cenospheres from fly ash of coal-burning electric power plants （diameter 40-200 μm and particle density 0.7 ± 0.1 g/cm^3）, as well as carborundum particles of different sizes. Aluminum, silver, copper, cobalt and nickel were used as the coating metals. Tests showed that the coated metal film was compact adhering tightly on the base powders, and the coated powders possess adequate flow properties.     

聚氨酯(脲)涂层冲蚀磨损性能研究

选用不同比例的低聚合物多元醇、多元胺、扩链剂、催化剂和异氰酸酯制备聚氨酯(脲)弹性涂料,采用喷涂技术在玻璃试片上制备聚氨酯(脲)涂层,用Taber摩擦磨损试验机和高速含沙水射冲蚀磨损试验机评价聚氨酯(脲)涂层的耐磨性能,用扫描电子显微镜观察涂层的磨损表面形貌,分析涂层组分与其冲蚀磨损性能的关系.结果表明:聚氨酯(脲)涂层体系中主要成膜物质的组分对耐冲蚀磨损性能影响较大,随着活性氢组分中端胺基聚醚和胺类扩链剂含量增加,聚氨酯(脲)涂层的耐冲蚀磨损性能提高;由于聚氨酯/聚脲混合体系和聚氨酯涂层中大量气孔的存在,从而导致涂层冲蚀磨损量增加;纯聚脲涂层具有比聚氨酯/聚脲混合体系涂层优越的磨损性能,不仅在干摩擦条件下,在高速含水砂流冲蚀条件下也体现出优异的抗冲蚀性能,而且对冲蚀角的敏感性有所改善.