皮质骨弯曲疲劳损伤演化的实验研究

骨是人体重要的承重器官,其在日常生活中会受到疲劳载荷的作用引发疲劳损伤,严重的会引发骨折,因此骨的疲劳损伤机理对临床医学和生物材料及生物力学领域都有重要的研究价值.本文通过干制牛皮质骨的弯曲疲劳试验研究骨力学性能的演化规律,通过骨中性轴的偏移来定量表征此过程中损伤量的大小.通过弯曲疲劳实验,得到了骨的S-N曲线,然后利用数字散斑技术测量了四点弯曲条件下骨中性轴的偏移与疲劳的关系.实验结果发现疲劳前期,骨中性轴的偏移量先快速上升(移向受压一侧),然后趋于平缓或缓慢上升,直至断裂,在断裂之前中性轴的偏移量无明显变化;并且骨中性轴的偏移和应力呈正相关.最后进行了三点弯曲疲劳加载实验,比较了加载方式不同对骨疲劳性能演化的影响.相关结果有助于深入了解骨损伤力学性能,更好地理解骨的损伤机理,从而为医疗技术提供更好的技术支持.     

电场作用下气泡上升行为特性的数值计算研究

利用电场控制气泡形态及运动,强化气液相间传热传质是电流体动力学的重要研究内容之一.然而目前多数研究集中在非电场下的气泡动力学上,对于电场下的气泡行为特性及电场的作用机制仍需开展深入研究.本研究对电场作用下单个气泡在流体中上升过程的动力学行为进行了数值模拟研究.在建立二维模型的基础上求解电场方程与Navier-Stokes方程,并采用水平集方法捕捉了上升气泡的位置及形状.模拟结果的准确性与有效性通过与前人实验和数值结果进行对比得到了验证.通过改变雷诺数、邦德数和电邦德数等不同参数研究了电场下液体黏度、表面张力和电场力对气泡运动变形的影响.计算结果表明,电场对气泡的动态特性有显著影响.非电场情况下液体黏度和表面张力较大时气泡基本维持球状,反之气泡发生变形并逐步达到稳定状态.此外,电场作用使气泡在初始上升阶段发生剧烈形变,随着不断上升,气泡形变程度不断减小,且气泡的上升速度和长径比均出现振荡.垂直电场使气泡的上升速度有较大的提高,且随着电邦德数的增大,难以达到相对稳定的状态.     

电场作用下气泡上升行为特性的数值计算研究

利用电场控制气泡形态及运动,强化气液相间传热传质是电流体动力学的重要研究内容之一.然而目前多数研究集中在非电场下的气泡动力学上,对于电场下的气泡行为特性及电场的作用机制仍需开展深入研究.本研究对电场作用下单个气泡在流体中上升过程的动力学行为进行了数值模拟研究.在建立二维模型的基础上求解电场方程与Navier-Stokes方程,并采用水平集方法捕捉了上升气泡的位置及形状.模拟结果的准确性与有效性通过与前人实验和数值结果进行对比得到了验证.通过改变雷诺数、邦德数和电邦德数等不同参数研究了电场下液体黏度、表面张力和电场力对气泡运动变形的影响.计算结果表明,电场对气泡的动态特性有显著影响.非电场情况下液体黏度和表面张力较大时气泡基本维持球状,反之气泡发生变形并逐步达到稳定状态.此外,电场作用使气泡在初始上升阶段发生剧烈形变,随着不断上升,气泡形变程度不断减小,且气泡的上升速度和长径比均出现振荡.垂直电场使气泡的上升速度有较大的提高,且随着电邦德数的增大,难以达到相对稳定的状态.     

交变电场作用下黏性射流的稳定性分析

液体射流在静电或交变电场作用下的失稳和破裂问题在许多工业应用中都有涉及.与静电场作用下射流稳定性研究相比,交变电场下射流的稳定性分析研究要少得多.因此,本文采用电场力和黏性力共同修正压强的黏势流模型来描述交变电场作用下漏电介质液体射流的线性不稳定性,主要研究了交变电场、流体电学性质等参数的影响.交变电场作用下射流的毛细不稳定与静电场作用下射流不稳定特性是相似的.在足够强交变电场作用下,参数不稳定主导表面扰动的发展,从而进入共振电雾化模式.参数不稳定会被黏性耗散抑制,甚至随着频率的增加会完全消失.同时,导电电荷(主要取决于流体导电性)的作用与表面电荷是相反的,因此当电荷弛豫时间接近交变电场周期时,参数不稳定会受到强烈的抑制作用.此外,当气动作用足够强时,参数不稳定会被覆盖.     

线载荷作用下圆柱壳环向弯曲变形的研究

通过引入单三角级数形式的位移函数, 求解了法向任意分布载荷作用下对边简支时圆柱壳的环向弯曲问题, 把线载荷近似为微元矩形区的分布载荷, 推导出了线载荷作用下圆柱壳的环向弯曲变形计算式, 并给出了线载荷为均布和线性变化时的具体解.计算表明, 该种边界约束条件下圆柱壳的环向弯曲变形位移分布场的理论计算结果与有限元分析结果基本吻合.     

电场作用下导电射流稳定性的理论与实验研究

建立导电射流在径向电场作用下的线性稳定性粘性模型,通过正则模方法,推导了轴对称和非轴对称模态下的色散关系,通过计算求得增长率随波数及电欧拉数的变化,并在理论上预测了最有可能波长.选用酒精和酒精甘油混合物作实验液体,观察了径向电场对射流不稳定性行为的影响规律,并测量射流表面波的波长.实验结果和理论结果在定性方面取得了较好的一致.但通过与实验比较,理论预测的最有可能波长在非轴对称模态出现较大偏差,普遍比实验结果小.而且,实验表明,最大增长率并不是判断主导模态的好标准,因为在非轴对称的最大增长率小于轴对称的最大增长率情况下,实验显示非轴对称模态要比轴对称模态明显了.因此,对于非轴对称的不稳定机理,需要进一步研究.对轴对称模态,理论给出了较好的预测.     

关于旋转弯曲变形功的研究

本文在正确建立残留应力应变模型的基础上解决了残留变形能的计算方法,并用实测结果验证了计算方法的正确性.对长期争议不清的矫直过程中弹性变形是否消耗能量和耗能多少等问题作出了有力的解答.它将为今后矫直理论研究和矫直机设计计算提供科学根据.     

结构在冲击载荷作用下的实验研究

本文报道了为求解结构在冲击载荷作用下大度形响应而做的实验研究,以不同速度运行的物体垂直冲击圆拱、刚架和旋转扁壳,记录由此引起的冲击点位移、速度曲线以及某些关键点的动态应变历史,从而为寻找规律、建立模型提供实证资料。     

激波作用下水膜变形和雾化实验研究

在激波与液滴作用研究的基础上,开展了激波作用下水膜的变形和雾化过程研究。通过阴影照相技术捕捉激波与水膜作用的典型照片,并以此分析其作用机理。通过改变激波强度观察水膜的变形和雾化情况。研究发现激波强度越大,水膜雾化后抛撒的距离越远,证明气动力在作用过程中起主导作用。使用PDPA系统对抛撒后水雾粒子的直径和速度进行测量,结果发现激波作用后初期,气动力仍起着主导作用。     

集中力作用下简支梁弯曲强度研究

本文研究了简支梁在各种情况集中力作用下的弯曲强度,指出了目前材料力学教材中“把较大的集中力分散成较小的力”作为提高弯曲强度措施的不全面之处．     

电流变弹性体的电致变形-变模量双功能研究

开发变形-变模量双功能智能材料对促进软体机器人的发展具有重要意义。电流变弹性体具有显著的电致变模量效应,从成分上亦可视为一种复合型介电弹性体,理论上也应具有显著的电致变形效应。本文以尿素改性TiO₂颗粒为填充相,以硅橡胶为基体制备电流变弹性体,并对其电致变模量效应及电致变形效应进行研究。电致变模量测试结果表明,电流变弹性体的储能模量随电场强度增大而增大,在3kV/mm的电场强度下其相对电流变效应达到16%;电致变形测试结果表明,电流变弹性体亦具有显著的电致变形能力,在电场强度为3kV/mm时,其电致形变量较硅橡胶提高1.8倍。电流变弹性体的电致变形-变模量双功能使其有望被用于开发新一代的软体驱动器。     

界面黏接对软电介质薄膜临界击穿场强影响的试验研究

软电介质薄膜因模量低、可大变形、适应性强等特点,被广泛应用于电气和电子系统中。但由于材料的介电常数较低,通常需要在较高的电场环境下服役。在高电场环境下,软电介质薄膜易产生失稳和电击穿破坏,影响着材料的应用范围和稳定性。本研究针对电极对软电介质薄膜有无约束两种情况对此类器件的稳定性展开了研究：首先定量描述了电极对电介质无约束时,电压加卸载过程中失稳形貌的演化规律;其次讨论了例如氯化锂水凝胶等软电极对薄膜力电失稳的抑制,并利用化学黏接的方式增强水凝胶电极对电介质薄膜的约束,提升了电介质薄膜的临界击穿场强。     

表面效应对纳米开关结构线性弯曲行为的影响

纳米开关结构是纳米机电系统中的重要控制元件,基于表面能的模型引入表面效应,分析了表面效应和分子间作用力同时对纳米开关结构线性弯曲行为的影响.对应变能与表面能进行变分,并通过最小势能原理,推导出纳米开关的控制方程以及边界条件,并运用同伦摄动法来求解该非线性微分方程.通过计算结果具体分析了不同边界条件下纳米开关在考虑表面效应和Casimir力作用下表面效应对纳米开关弯曲变形、吸合电压的影响.研究结果表明,表面效应会使得纳米开关结构的弯曲变形更小,从而使得吸合电压变大,表面效应对纳米开关的吸合稳定性具有显著的影响.这对认识和研究纳米开关的力学行为,以及纳米开关的设计与制备有着重要的理论意义与实际使用价值.     

加热炉内板坯粘塑性下桡变形的研究

在加热妒内，由于高温及重力作用，板坯两端的悬臂将产生下桡变形。悬臂越长，下桡将越大，导致悬臂下桡部分与出口端墙相碰，影响出料而造成事故。本文对加热炉内板坯的下桡变形进行了分析计算。首先，建立了板坯的二维非稳态导热模型并用有限差分法计算了炉内板坯随时间的温度变化；然后建立了板坯悬臂粘塑性变形模型，用有限元法计算了高温条件下由重力引起的悬臂的下桡变形。由此理论模型计算出的板坯抽出温度与悬臂端下桡量与实测结果吻合良好，说明该理论模型及模型计算方法是正确的，可用于对装钢生产进行指导。     

横向交流电场下液膜参数不稳定性分析

当将运动的平面液膜置于横向的交流电场之间时会产生参数振荡现象.为了得到交流电场下平面液膜的色散关系并为液膜的破碎行为分析提供理论基础,本文基于漏电介质模型对液体的电学特性进行假设,对平面液膜在直流和交流电场下的参数不稳定性进行了分析.由于主流是基于时间的流动, 在稳定性分析中引入了Floquet理论. 在文中,将电场定义为部分交流电场和部分直流电场共同耦合后的混合型电场. 最后,波数和不稳定增长率之间的无量纲色散方程可由矩阵的形式表示.本文考虑了多种参数对不稳定的影响, 包括气液密度比、韦伯数、雷诺数、欧拉数、 松弛时间以及衡量交流电场占比的参数及频率参数,并得知欧拉数同时影响毛细不稳定性及参数不稳定性,交流电场占比对不稳定性的影响体现在恒定电场力上, 而交流电场频率主要影响参数不稳定性. 为了在实验中更容易地寻求参数振荡现象,增大电欧拉数及减小交流电场频率是有效的方法.     

Mesoscopic details of crack tip deformation field by application of differential interference contrast method

An experimental method is developed to examine the near tip deformation at the mesoscopic scale level. The differential interference contrast (DIC) method is used by application of the Nomarski prism in polarized microscope for measuring the out of surface deformation. The method is very sensitive to small height changes detected by different interference color. Discussed are results for the crack tip deformation field.     

高强混凝土热-力响应的断裂相场分析方法研究

高强混凝土(High-Strength Concrete, HSC)的力学性能受温度影响较大,尤其在高温环境下性能衰退剧烈,因此在结构分析中宜采用随温度变化的材料性能参数．断裂相场方法基于Griffith变分断裂准则,无需复杂的裂纹拓展追踪技术便可处理多裂纹的问题,可方便地模拟裂纹的萌生、扩展、分岔及汇合过程．本文采用适宜进行结构断裂分析的断裂相场方法,基于能量泛函变分原理,将温度对混凝土材料弹性模量及断裂能的影响引入断裂相场分析方法中,用于高强混凝土高温环境下的强度和破坏分析．以高温作用下高强混凝土梁三点弯曲试验为算例,进行方法验证,通过与实测结果对比,证实了算法的有效性．     

计算梁弯曲变形的一种特殊叠加法

梁的弯曲变形是材料力学的核心内容之一。本文基于梁的弯曲变形理论,以悬臂梁的弯曲变形为基础,给出了一种求解梁弯曲变形的“特殊叠加法”,该方法对于计算简支梁、外伸梁以及变刚度梁的变形问题尤为方便和有效。

     

电磁热效应止裂效果与裂纹走向关系的研究

采用理论、实验与数值分析的方法研究了在电磁热效应裂纹止裂中,由于裂纹走向不同导致裂纹尖端的温度场、温度梯度场分布状态的不同,并定量计算了它们的分布规律和差值.数值模拟计算应用了耦合场理论中热-电耦合(焦耳热问题)的分析方法.三方面的研究结果均表明:在裂纹尖端处,由于电流产生的焦耳热源的作用,能够在很小的范围内熔化形成微小的焊口,遏制了裂纹的扩展;裂纹的走向是影响裂纹尖端温度场数值和温度梯度场变化即电磁热效应裂纹止裂效果的主要因素之一.