多孔材料在压缩载荷作用下的剪切破坏模式分析

压缩行为是工程材料最为基本的力学性能之一. 本文通过简化结构模型分析了各向同性的三维网状高孔率多孔材料在压缩载荷作用下的破坏模式,其中包括单向压缩、双向压缩和三向压缩等三种承载情形. 在此基础上,得出了这种多孔体受压破坏源于剪切断裂模式时名义主应力与孔率之间的数理关系. 结果表明,该类材料承受压缩载荷时的破坏模式与其材质的种类有关,脆性材质多孔体的孔棱呈拉断破坏模式,而韧性材质多孔体的孔棱则可能出现剪切断裂的破坏模式. 对应得出的强度设计判据可为该类材料在这种承载破坏模式下的应用提供参考.     

多孔脆性材料对高能量密度脉冲的吸收和抵抗能力

作用在脆性结构材料表面的高能量密度脉冲会以冲击波的形式传播进入材料内部, 导致压缩破坏和功能失效. 通过设计并引入微孔洞, 显著增强了脆性材料冲击下的塑性变形能力, 从而使脆性结构材料可以有效地吸收耗散冲击波能量, 并抑制冲击诱导裂纹的扩展贯通. 建立格点-弹簧模型并用于模拟研究致密和多孔脆性材料在高能量密度脉冲加载下的冲击塑性机理、能量吸收耗散过程和裂纹扩展过程. 冲击波压缩下孔洞塌缩, 导致体积收缩变形和滑移以及转动变形, 使得多孔脆性材料表现出显著的冲击塑性. 对致密样品、气孔率5%和10%的多孔样品吸能能力的计算表明, 多孔脆性材料吸收耗散高能量密度脉冲的能力远优于致密脆性材料. 在短脉冲加载下, 相较于遭受整体破坏的致密脆性材料, 多孔脆性材料以增加局部区域的损伤程度为代价, 阻止了严重的冲击破坏扩展贯通整个样品, 避免了材料的整体功能失效.     

热力联合作用弹性薄圆板的弯曲与屈曲

 导出了热力联合作用下弹性薄圆板的弯曲动力响应控制方程,讨论了其弯曲变形特点及影响失效的因素。分析表明在短时热能沉积作用下,热屈曲是弹性薄板失效的主要方式之一;反鼓包或反冲塞是热屈曲的后继行为;增加外载和热能沉积功率水平都将加速热屈曲的发生;材料的温度相关性与热能沉积的时空分布对薄板的力学行为都有重要影响,同为产生和影响热剪切失效(反冲塞)的重要因素。     

纳米多孔银力学性能表征分子动力学模拟

纳米多孔金属拥有优异的物理、化学性能,在众多领域中极具应用前景.相关力学性能的认知是实现其功能化应用的重要基础之一.基于分子动力学模拟,以三种拓扑结构(立方体结构、金刚石结构、螺旋体结构)的纳米多孔银为对象,研究了单轴拉伸下的力学响应,探讨了拓扑结构和相对密度与其力学性能的内在联系.仿真结果表明,纳米多孔银的极限强度和杨氏模量随相对密度增大而增大的同时,还紧密地依赖于拓扑结构.其中,金刚石结构与螺旋体结构的模量随相对密度的变化趋势较为相近,而螺旋体结构中螺旋形式的孔棱在受力拉直的过程中抵抗变形,表现出相对较好的塑性.立方体结构中,孔棱分布形式单一,抵抗变形的能力较弱,模量值较低.同一相对密度下,金刚石结构的强度最大,立方体结构次之,螺旋体结构最小.金刚石结构中,交错的孔棱间形成三角骨架结构,具有一定的稳定性,表现出相对较高的强度.     

内部爆炸载荷作用下砌体墙结构的失效规律

为了探究钢筋混凝土框架-砌体墙建筑物的内爆毁伤效应,开展了内爆载荷下砌体墙结构动力响应和失效规律研究。采用数值模拟方法,并结合理论分析,研究了不同当量内爆载荷下砌体墙的失效机理以及失效形式转化过程。结果表明,小药量内部爆炸时,砌体墙的主要失效形式为弯曲导致的墙面开裂。随着药量增加,墙体边界在首道冲击波反射超压作用下发生以剪切变形为主导的失效。而在大药量条件下,首道冲击波超压使砌体墙材料达到极限抗压强度而发生压溃失效。研究结果可为砌体墙结构毁伤评估与防护设计提供技术参考。     

二阶层级自相似四边形蜂窝动力压缩行为数值模拟

运用ABAQUS对在冲击载荷作用下二阶自相似四边形蜂窝面外方向的动态压缩行为进行了数值模拟,分析了其在冲击载荷作用下的动态压缩过程,并对孔径尺寸、冲击速度和基体材料屈服强度对其压缩模式及应力-应变关系的影响进行了研究。数值模拟表明:孔径较小的二阶自相似四边形层级蜂窝在冲击载荷作用下更易出现整体坍塌的压缩失效模式;随着基体材料屈服强度增大,平台应力值随之增加,但对平台长度没有影响;随着冲击速度的增加,冲击端平台应力值和平台长度都有所增加。     

压缩载荷下UHMWPE纤维复合材料层合板的力学性能与失效分析

为获得超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)纤维复合材料层合板在静、动态压缩载荷下的力学性能与失效模式,采用万能材料试验机和分离式霍普金森压杆对材料进行面外方向的压缩实验,获得了不同应变率下材料的应力-应变关系。通过扫描电子显微镜观察材料微观失效形貌,分析了材料的失效模式。结果表明,UHMWPE纤维复合材料层合板在应变率较低(6.7×10^-3～6.7×10^-2 s^-1)且相差较小时,无应变率效应;在高应变率(2.05×10³～5.27×10³ s^-1)下,材料具有明显的应变率效应。压缩强度随应变率的增加而增大,动态增强因子逐渐增大,具有明显的应变率强化效应。静态压缩载荷下,材料的主要破坏模式为纤维的拉伸、断裂;动态压缩载荷下,材料的主要破坏模式为纵向位错分层。     

多孔铝中热击波的数值模拟

 本文利用数值模拟方法对多孔铝在热击波作用下的力学效应进行了分析和研究。文中对用于描述多孔材料本构关系的p-a方程进行了改进，使其具有更为广泛的适用性和合理性，尤其是在描述多孔材料发生熔化出现零压时，具有突出的优越性。在处理压强p和多孔材料的多空度a的关系时，我们采用了M. M. Carroll的空心球壳模型，并考虑到热辐射引起的能量沉积作用，对其进行了修正，使其能恰当地反映出在热辐射条件下所遵循的规律。描述材料状态变化的是GRAY的金属三相物态方程。由上所述建立起来的这套方程及其对多孔材料中热击波的处理结果都具有一定的价值。     

轴向冲击载荷作用下双壁碳纳米管的动力屈曲

应用改进的有限元方法,建立考虑层间范德华力作用的壳-弹簧非线性有限元模型,基于B-R运动准则,系统地研究了双壁碳纳米管的动力屈曲问题,得到了轴向冲击载荷作用下双壁碳纳米管的临界动力屈曲载荷和临界动力失效载荷. 研究结果表明,在动力屈曲过程中,双壁碳纳米管层间距的变化非常小,各管的变形相互协调;碳纳米管中应力波的传播导致碳纳米管出现非对称屈曲模态,可明显观测到四个环向波瓣,沿着碳纳米管的轴线方向,四个波瓣的波峰和波谷交替变化. 对碳纳米管动力屈曲问题的研究表明,冲击载荷的大小和持续时间对碳纳米管的动力屈曲有 关键词： 碳纳米管 动力屈曲 冲击载荷     

轴向载荷下功能梯度材料Timoshenko梁动力屈曲分析

假设功能梯度材料Timoshenko梁各项物性参数只沿厚度方向按幂函数进行连续变化,研究了功能梯度材料Timoshenko梁的动力屈曲。基于一阶剪切理论,采用Hamilton原理推导出轴向载荷作用下,功能梯度材料Timoshenko梁动力屈曲的控制方程。利用里兹法与棣莫弗公式相结合,获得了功能梯度材料Timoshenko梁在夹支-固支边界条件下动力屈曲临界载荷的解析表达式和屈曲解。应用MATLAB编程计算,讨论了功能梯度材料Timoshenko梁的几何尺寸、梯度指数、模态数、材料构成、泊松比以及弹性模量对临界载荷的影响。结果表明:功能梯度材料Timoshenko梁动力屈曲临界载荷随梁长度的增大而减小,随着梯度指数的增大而减小,随模态数的增大而增大,说明冲击载荷越大,高阶模态越容易被激发;随着泊松比和弹性模量的增大而增大,且泊松比的影响较小,而弹性模量的影响较大。由于剪切项的影响,临界载荷-临界长度的关系曲线在加载端变化趋势平缓。随着模态数的增大,梁的屈曲模态越为复杂。     

Buckling analysis of carbon nanotube bundles under axial compressive,bending and torsional loadings via a structural mechanics model

A structural mechanics model is employed for the investigation of the buckling behavior of carbon nanotube bundles of three single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) under axial compressive, bending and torsional loadings. The effects of van der Waals (vdW) forces are further modeled using a nonlinear spring element.The effects of different types of boundary conditions are studied for nanotubes with various aspect ratios. The results reveal that bundles comprising longer SWCNTs exhibit lower critical buckling load. Moreover, for the fixed-free boundary condition the rate of critical buckling load reduction is highest, while the lowest critical buckling load occurs. Simulations show good agreement between our model and molecular dynamics results.     

多孔脆性介质冲击波压缩破坏的细观机理和图像

本文采用一种具有良好定量性质的离散元模型研究了带孔洞的各向同性脆性介质在细观尺度上的压缩破坏特征. 通过对孤立孔洞、三种简单的孔洞排布方式和大量孔洞随机排布等几种情况的模拟, 认识到了剪切破坏和局域拉伸破坏是冲击波压缩下多孔介质的基本破坏模式; 孔洞之间的损伤贯通会促进孔洞在较低应力下发生塌缩, 但损伤区的应力松弛过程却会对一定范围内的介质起到损伤屏蔽作用; 不同区域中损伤促进和损伤屏蔽的综合效果是在多孔脆性介质中形成一种高损伤区与低损伤区间错排布的奇特损伤分布. 本文的研究结果为深入理解脆性材料冲击波压缩破坏的演化过程和机理提供了细观尺度上的初步物理图像.     

轴压和扭转复合载荷作用下氮化硼纳米管屈曲行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了氮化硼纳米管在轴压和扭转复合荷载作用下的屈曲和后屈曲行为.在各加载比例下,给出了初始线性变形阶段和后屈曲阶段原子间相互作用力的变化,确定了屈曲临界荷载关系.通过对屈曲模态的细致研究,从微观变形机理上分析了纳米管对不同外荷载力学响应的差异.研究结果表明,扶手型和锯齿型纳米管均呈现出非线性的屈曲临界荷载关系,复合加载下的屈曲行为具有强烈的尺寸依赖性.温度升高将导致屈曲临界荷载的下降,且温度的影响随加载比例的变化而变化.无论在简单加载或复合加载中,同尺寸的碳纳米管均比氮化硼纳米管具有更强地抵抗屈曲荷载的能力.     

Vibration and buckling of a double-beam system under compressive axial loading

On the basis of the Bernoulli–Euler beam theory, the properties of free transverse vibration and buckling of a double-beam system under compressive axial loading are investigated in this paper. It is assumed that the two beams of the system are simply supported and continuously joined by a Winkler elastic layer. Explicit expressions are derived for the natural frequencies and the associated amplitude ratios of the two beams, and the analytical solution of the critical buckling load is obtained. The influences of the compressive axial loading on the responses of the double-beam system are discussed. It is shown that the critical buckling load of the system is related to the axial compression ratio of the two beams and the Winkler elastic layer, and the properties of free transverse vibration of the system greatly depend on the axial compressions.     

Effects of compression on the sound absorption of porous materials with an elastic frame

The absorption characteristics of a porous material are well known to vary during compression. The transfer matrix method is applied with an elastic frame to explore the effect of compression on absorption properties. In this work, the materials are treated as elastic rather than being made of rigid models. The absorption coefficients of the uncompressed and compressed porous material are initially calculated and verified from the experimental measurements. Then, numerical predictions of absorption coefficient are made for the compressed porous material.     

不同应变率下两种岩石的压缩破碎特征试验研究

为了研究不同岩石在不同应变率下压缩时裂纹的产生规律及破坏模式,将石灰岩和红砂岩制成试件,研究其在不同应变率和受力模式下裂纹的形成模式。开展了两种岩石的准静态压缩和动态压缩试验,采用高速摄影机记录了裂纹的产生和破坏模式。对两种岩石试件的裂纹形态进行对比,基于岩石的物理性质、受力状态、能量演化分析,得到了在不同应变率下压缩时产生差异性的原因。结果表明:准静态压缩下岩石试件受压的破坏模式也会因应变率的不同而存在差异,并且破坏模式的差异对岩石试件的抗压强度将产生显著的影响;从能量演化的角度分析,入射能量的大小将会决定岩石试样动态抗压强度曲线是否出现起伏;动态压缩时,裂纹的周向扩展速度与岩石抗压强度呈正相关。     

压缩加载下三种含能材料细观破坏特征观察

 通过扫描电镜,对三种含能材料在不同应变率压缩条件下回收的试样断面进行了细观观察,得到了三种含能材料的细观破坏特征,并对其破坏机理进行了分析。同时结合高聚物粘结炸药（PBX炸药）和压装B炸药组分的比较,分析了两种炸药在高应变率条件下的不同破坏模式。     

Stability of rod-shaped nanoparticles embedded in an elastic matrix

In many biological tissues as well as in some technical materials we find nano-sized rod-shaped particles embedded in a relatively soft matrix. Loss of stability of equilibrium, i.e. buckling, is one of the possible failure modes of such materials. In the present paper different kinds of load transfer between matrix and reinforcing particles, which are typical for rod-shaped nanostructures in biological tissues, are considered with respect to stability of equilibrium. Two regimes of matrix stiffnesses leading to different modes of buckling, and a transition regime in between, have been found: soft matrix materials leading to the so-called ‘flip mode’ (also called ‘tilt mode’) and hard matrix materials resulting in ‘bending mode’ buckling. The transition regime is of particular interest for biological tissues. Numerical and semi-analytical as well as asymptotic concepts are employed leading to results for estimating the critical load intensities both in the form of closed form solutions and diagrams. The analytical solutions are compared with results of finite element analyses. From these comparisons indications are gained for deciding which of the different analytical approaches should be chosen for a particular nanostructure configuration in terms of the associated buckling modes.