基于双向光学引伸计的材料弹性常数测量

当前,光学引伸计虽然应用较为广泛,但仍然存在泊松比测量精度不高的不足,主要原因是难以同时获得具有高精度的轴向应变与横向应变．因此,本文提出将基于双向视场分离技术的远心光学引伸计应用到材料泊松比测量中．利用该引伸计,可以同时采集试件两个方向四个视场的表面信息;通过测得的双向应变—荷载曲线,得到准确的材料泊松比和弹性模量．基于该引伸计,开展了水泥试件压缩试验、不锈钢试件与环氧树脂试件拉伸试验,分别得到试件的弹性模量与泊松比．结果表明：与电测法的数据对比,该引伸计具有较高精度与较好稳定性的特点,在准确测量材料弹性常数方面具有广泛的应用前景．     

燃料舱增压对整体变形的影响研究

基于弹性力学理论,获得了内压和侧向外载共同作用下燃料舱结构整体变形与内压之间变化关系的解析解,并进行了有限元分析验证和燃料舱静力试验验证。结果表明:内压对结构整体侧向变形有一定的影响,通过增大内压来减小侧向变形需要圆筒材料的轴向与环向弹性模量、泊松比之间满足一定的关系条件;内压对弹性模量小、截面惯性矩小的燃料舱结构的整体变形影响较为显著,但对弹性模量较大、截面惯性矩较大的结构可挖掘潜力较小。燃料舱静力试验结果表明:当结构的弹性模量和泊松比不满足一定关系时,有内压下的结构整体变形大于无内压下的。     

准静态压缩应力-应变曲线测量方法的探索

本文介绍了用应变片直接测量材料的准静态应力-应变曲线的试验研究。在MTS810材料试验机上分别对93W、G50、砂浆等几种材料进行了准静态压缩试验。由于仪器的系统误差不能由MTSCod规准确的得到材料的真实的弹性变形。为此在试件的中部贴应变片得到材料的弹性变形,塑性变形仍旧由MTSCod规记录,从而得到试样的真实的应变,准确获得准静态压缩应力-应变曲线。试验结果表明:在试件中部贴应变片的方法能够准确得到该材料的杨氏模量;在试件两端垫块的刀口上安置Cod规可得到材料的应力应变曲线。两者的合理组合即可得到准确而完整的准静态压缩应力-应变曲线。试验中还发现准静态实验中试件的断面加工不平,偏心压缩等都会影响E的准确测量。     

虚位移场方法在石墨材料力学参数测量中的应用

光测实验技术在现代力学研究中得到了广泛的应用。对于材料力学参数如杨氏模量和泊松比的测量,可利用典型加载试验如拉伸试验、弯曲试验并结合光测方法(如云纹和数字图像相关技术)得到位移值,利用载荷信息和应变场信息通过计算获得相关的力学参数。本文利用虚位移场方法测量石墨材料的力学参数。结合石墨材料的三点弯曲实验,由数字图像相关法测量得到试件表面的非均匀变形场。通过选择两组不同的虚位移场,可以反算出材料的力学参数:杨氏模量和泊松比。结果表明这种方法可以有效测量石墨材料的弹性参数。该方法可望在材料力学行为检测中得到推广应用。     

数字散斑相关方法用于PMMA弹性模量的测量

通过三点弯载荷实验，利用数字散斑相关方法得到了试件载荷过 程中对应的载荷-位移曲线. 依据实验中试件载荷前后位移的变化量，对常用 工程材料PMMA的弹性模量进行了测定. 实验数据表明所测弹性模量较为真实、客观， 相对误差较小. 该研究方法为同类材料未知弹性模量的测定提供了一种行之有效的 测量途径.     

形状因子变化时金属橡胶结构的静态力学性能分析

以多孔材料理论为基础,干摩擦非线性理论为依据,并结合小曲梁模型建立了金属橡胶结构的力-位移关系模型,通过空心圆柱形金属橡胶结构的静态试验,对试验数据进行了拟合,得到了力-位移模型中的各项系数与形状因子的变化关系式,同时建立了金属橡胶结构的力学特性与结构参数的变化关系,从而实现了对金属橡胶结构在密度一定、形状因子发生变化情况下的力-位移关系的预估,最后从十三种试件以外取两种形状因子不同的金属橡胶试件进行算例验证,证明本文采用的方法的可靠性,并对这两种试件的应力应变曲线进行比较,为进一步研究金属橡胶材料奠定了理论基础.     

火灾后十字形型钢混凝土柱单向偏心受压力学性能试验研究

对4根十字形型钢混凝土柱进行了火灾后的力学性能试验研究,并按照ISO834标准升温过程曲线进行火灾试验。1根未受火试件作为对比。异形柱采用桁架式配钢形式,横向腹杆间距为260mm。试件通过静力荷载作用下的单向偏心受压试验,研究加载偏心距对力学性能的影响。通过试验,得出了试件的破坏形式以及极限承载力、截面平均应变分布、柱中侧向位移曲线、荷载-滑移曲线和截面特性。试验结果表明:(1)受火1小时后的十字形型钢混凝土柱仍然具有较高的竖向承载力;(2)试验测量的混凝土与槽钢之间滑移较小,说明型钢与混凝土之间能够协同工作,平截面假定在十字形型钢混凝土柱的截面中仍然适用;(3)在90°荷载角的作用下,十字形型钢混凝土柱会发生单向弯曲;(4)随着荷载的增加,挠度曲线存在水平段,说明火灾后型钢混凝土柱仍具有较大的后期变形能力,并且随着偏心距的增大,试件的变形能力更强。     

多相机3D-DIC及其在高温变形测量中的应用

将基于双目视觉的三维数字图像相关方法 (Three-dimension digital image correlation,3D-DIC)与多相机同步采集系统相结合,形成基于多相机的3D-DIC系统。依据三维空间误差(Three-dimensional residual,3Dresidual)最小原则,确定各点对应的最佳双目视觉系统,获得物体全场三维变形。以四相机3D-DIC系统为例,与测量精度达10~20nm的电子散斑干涉测量系统同时对平板的离面位移进行测量,并对测量得到的离面位移最大值进行了对比分析。结果显示,荷载较小时,四相机3D-DIC与电子散斑干涉测量系统误差稍大,最大达到2.7%;荷载增大,物体变形增大时,两种测量系统结果基本相同。文中讨论了四相机测量系统的不稳定对实验结果的影响。利用该四相机3D-DIC系统对镍合金不锈钢材料在高温场中的变形进行测量,获得了物体的三维变形场,并分析了材料的膨胀系数,得到了试件的热应变-温度曲线和膨胀系数随温度变化的关系式。     

基于数字图像相关的激光修复镍基合金疲劳损伤表征方法研究

开展激光修复镍基合金的疲劳试验，对研究修复材料疲劳性能及分析其失效行为具有重要意义。疲劳过程中，试件产生局部损伤，会导致材料力学性能恶化。如何建立光学变形场与疲劳损伤参数的定量关系实现对疲劳损伤的有效表征，是实验力学领域备受关注的问题。从激光修复镍基合金疲劳失效行为研究的需求出发，本文建立了基于单相机三维数字图像相关的疲劳光力学测试系统，并设计了包含“修复基体-修复边界-修复区”的组合型拉伸疲劳试件，在建立的测试系统下可同时测量和表征试件三种区域的全场变形。利用所建立的测试系统，实现了激光修复材料在拉-拉疲劳过程中的全场变形在线测量，得到了不同疲劳周次下的试件基体、修复边界和修复区的位移场与应变场；根据测量得到的应变场提出了疲劳中以试件历经不同循环周次后的残余应变为损伤参量的表征方法，并获得了修复镍基合金试件疲劳过程中残余应变场的演化规律。试验结果表明，在疲劳过程中，试件残余应变场内存在应变集中现象，应变集中幅值随疲劳周次的提高而增加，试件残余应变集中区域内的应变集中值远高于非应变集中区域，因此根据该结果可有效地预测疲劳裂纹萌生的时机与位置。     

矿渣-粉煤灰基地质聚合物混凝土的冲击力学性能

以矿渣和粉煤灰为原料,以氢氧化钠和液体硅酸钠为激发剂制备出养护28 d后静态抗压强度高达56.4 MPa的矿渣-粉煤灰基地质聚合物混凝土（geopolymer concrete, GC）试件,以普通硅酸盐水泥为原料制备出养护28 d静态抗压强度高达61.6 MPa的普通硅酸盐水泥混凝土（ordinary Portland cement concrete, PC）试件,采用100 mm霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）试验装置分别对GC试件和PC试件进行冲击压缩试验,得到了2种材料在0~100 s-1平均应变率范围内的应力应变曲线。通过分析应力应变曲线,并与PC进行了对比,研究了矿渣-粉煤灰基GC的冲击力学性能。结果表明,GC作为一种新型混凝土类材料,在冲击荷载作用下具有较好的强度、变形性能和韧性;GC是一种率敏感材料,冲击荷载作用下抗压强度、变形性能和韧性随应变率的增大而增强;和PC相比,冲击荷载下GC的抗压强度较小,韧性较低,GC在开始破坏前产生的变形与PC的基本相等,完全破坏时产生的变形较小。     

骨细胞培养过程对羟基磷灰石力学性质影响的研究

采用数字图像相关方法研究骨细胞对人造羟基磷灰石力学性质的影响.采用了三种试样:羟基磷灰石试样、培养了骨细胞的羟基磷灰石试样、用戊二醛溶液浸泡的羟基磷灰石试样(与培养骨细胞同样环境但不培养骨细胞).研究得到了试样完整的应力-应变曲线;同时测出弹性模量和泊松比,还测量了压缩极限应力.实验结果表明试样的应力-应变曲线在断裂前呈良好的线性关系;戊二醛溶液不影响羟基磷灰石的弹性模量和泊松比,但会使压缩极限应力降低;骨细胞培养过程能使羟基磷灰石材料的弹性模量和强度增加(所培养的骨细胞约占表面积3.75%).对照显示,羟基磷灰石培养骨细胞后其弹性模量增加了15.2%,压缩极限应力增加了26.1%.     

中厚夹层圆柱扁壳的屈曲分析

基于一阶剪切变形中厚圆柱壳理论,考虑夹心层的面内刚度,根据中厚夹层圆柱扁壳的几何方程、本构关系、平衡方程,建立了中厚夹层圆柱扁壳小挠度屈曲的微分方程;应用广义傅里叶级数解法,得到了四边简支条件下中厚夹层圆柱扁壳屈曲的临界荷载表达式。该表达式可以退化为硬夹心夹层板的表达式,表明本文推导过程的正确性。本文还讨论了夹心层的弹性模量和泊松比以及中厚夹心圆柱扁壳的长宽比和厚度对扁壳屈曲荷载的影响。结果表明:临界荷载与夹心层的弹性模量和泊松比成正比,与扁壳的长宽比和厚度成反比。     

冲击荷载下岩石动态断裂韧度测定的实验技术

本文介绍了一种研究岩石动态断裂特性的实验技术。该方法采用自行设计的杆式冲击试验机,在加载率K1106Nmm-3/2s-1条件下对三点弯曲试件进行冲击加载。实验中,通过一套光电转换装置测量试件切口张开位移随时间的变化。由双通道的瞬态波形存贮器记录荷载和切口张开位移,得到了冲击条件下的荷载-切口张开位移曲线,通过张开位移速率的转折点来确定起裂点并计算动态断裂韧性K1d。本中给出了长宽高为1804040mm的大理岩试件的典型荷载-切口张开位移曲线和示波照片。试验结果可由微型机直接进行处理。     

孔隙率对页岩相似材料破坏影响的试验研究

根据物理模型试验的相似原理,经过大量物理模型试验,研制成一批可以模拟页岩物理力学性能且具有五种不同孔隙率的相似材料。该材料由河砂、石膏粉、水、水泥按一定配比均匀拌合压实而成。根据材料力学参数测试得到,该页岩相似材料满足相似原理,且性能稳定、制作工艺简单、经济实用、无毒无害,可以用来模拟页岩。通过单轴压缩试验、劈裂试验、三轴压缩试验,得到该批材料的泊松比随孔隙率的增大而增大,抗压强度、抗拉强度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角则均随孔隙率的增大而减小的结论。     

基于SHPB的球形压痕实验方法

提出一种基于霍普金森压杆装置的动态球形压痕实验方法,通过将硬质合金小球置于2个试件中间,实现加载过程中2个试件的同时压入,以得到准确的压痕力与位移的关系。利用有限元软件ABAQUS/Explicit对该实验方法进行了数值模拟,从实验结果的可行性、准确性等方面,对新实验方法与传统的动态压痕实验方法进行了比较;采用新方法对铝合金材料进行了实验,并得到了压入力-位移曲线等关系。研究结果表明:采用新实验方法能得到较准确的结果,能较真实地描述压痕过程。     

多组贯穿闭合裂隙岩体变形模型研究

根据等效岩体理论,并考虑闭合裂隙面摩擦效应,建立了含多组贯穿闭合裂隙岩体的数学模型,给出了岩体轴向应变、等效弹性模量与等效泊松比的表达式,系统地研究了岩块性质和裂隙参数对等效弹性模量与等效泊松比的影响。结果表明:岩块弹性模量对等效弹性模量与等效泊松比的影响随弹性模量增大而逐渐减弱,等效泊松比与岩块泊松比近似呈正比例关系;当裂隙角度小于50°时,裂隙几何参数对等效弹性模量影响较大,对等效泊松比影响较小,随着角度增大,影响逐渐减弱;岩体变形受裂隙组数影响较大,由于闭合裂隙面的摩擦效应及多组裂隙间的制约作用,含两组及三组裂隙时岩体变形较小,只含一组裂隙时岩体变形最大,无裂隙岩体变形几乎可以忽略。     

基于数字图像相关方法的TiO_2/PI纳米杂化薄膜低温力学性能研究

开展基于数字图像相关方法的材料低温变形测试技术的应用性研究,对材料低温力学性能的研究工作具有重要意义。本文首先将数字图像相关方法与低温拉伸系统相结合,建立了一套适用于测量低温环境下薄膜材料全场变形的测试系统。利用该系统测量了纯铜薄膜在-100℃~20℃范围内的热变形,实验结果与文献数据吻合良好,验证了该系统具有较高可靠性与准确性。其次,利用该系统对不同TiO_2含量的二氧化钛/聚酰亚胺(TiO_2/PI)纳米杂化薄膜进行低温(-60℃~18℃)单轴拉伸实验,获得了不同含量TiO_2/PI纳米杂化薄膜低温应力-应变曲线、弹性模量及泊松比,结果表明:不同含量的TiO_2/PI薄膜随温度降低,其应力-应变曲线线性趋势加强,弹性模量均有不同程度的提高,随着TiO_2纳米颗粒的引入和含量的增加,TiO_2/PI薄膜弹性模量也有明显提高;而TiO_2/PI薄膜泊松比随温度的下降和TiO_2颗粒的引入,均有不同程度的降低,但纯PI薄膜泊松比的降低随温度的下降并不显著。     

骨料类型对再生混凝土力学特性的影响研究

为了研究骨料类型对再生混凝土力学性能的影响,以再生粗骨料种类和取代率为变化参数,设计了198个再生混凝土试块,分别进行了立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、抗折强度、弹性模量、泊松比等力学性能试验,获取了试件受力破坏全过程的应力-应变曲线以及峰值应力、峰值应变、弹性模量、泊松比等特征参数。基于试验数据,从位移延性、能量耗散、损伤过程、本构关系等方面分析了骨料类型对其破坏机理和力学性能的影响。试验结果表明:再生卵石混凝土的延性系数与耗能系数均值都比再生碎石混凝土大5%,前者的力学性能指标略好,变形性能更优,损伤过程也更为缓慢,而骨料类型对再生混凝土的能量耗散能力无明显影响。最后提出了不同骨料类型再生混凝土应力-应变本构方程,研究结果可供再生混凝土的进一步科学研究和工程应用提供参考。     

三向受压状态下再生混凝土的变形性能及损伤分析

为了研究再生混凝土在多应力状态下的变形行为,设计68个圆柱体试件对再生混凝土的取代率、侧向压力、混凝土的龄期,混凝土的强度进行了三向受力试验。试验给出了试件破坏全过程的应力-应变曲线,并深入分析了三轴受压再生混凝土的初始弹性模量、峰值应变、位移延性、能量耗散、损伤演变等性能参数。研究结果表明:龄期、侧向压力越大以及混凝土强度越高,再生混凝土的弹性模量越大;侧向压力可有效提高再生混凝土的变形性能;取代率对延性性能有一定的影响,但对耗能能力影响不大;龄期越大,再生混凝土强度越低,再生骨料服役年限越短,其延性性能和耗能性能越好;侧向压力越大,损伤曲线斜率越小,表明再生混凝土的损伤时间推迟,再生混凝土的损伤受取代率的影响不大。     

梯度多孔材料单轴压缩弹塑性变形的宏微观数值分析

针对闭孔的密度梯度多孔材料,建立含球形孔洞的三维数值分析模型,研究其单轴压缩力学行为。首先,研究密度梯度对多孔材料宏观力学行为(如弹性模量和屈服强度)的影响;其次,研究密度梯度与材料局部力学性能的关系,得到了沿梯度方向弹性模量和屈服强度的分布规律;最后,讨论梯度多孔材料单轴压缩变形局部化机制。结果表明:当梯度材料与均质材料的总体相对密度相同时,梯度材料的宏观弹性模量和屈服强度均低于均质材料水平,其宏观应力-应变关系曲线降低;梯度多孔材料沿梯度方向的力学性能发生急剧变化,等效弹性模量沿梯度方向呈线性分布,屈服强度呈非线性曲线分布,导致沿梯度方向应力、应变呈现高度的不均匀性;多孔材料的变形局部化产生于孔隙率较大的薄弱位置,再逐渐向孔隙率较小的位置发展。由此可知,孔隙率的梯度变化影响多孔材料的力学性能,通过改变孔隙率的分布可实现材料预期的力学性质。