含球形孔洞双晶铜单向拉伸性能的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了在单向拉伸载荷作用下含孔洞双晶铜晶体的力学行为,研究了晶粒内部孔洞和晶界孔洞对晶体力学行为的影响。结果表明,孔洞可以显著降低双晶体的弹性模量和屈服应力。对于晶粒内部关于晶界对称的孔洞,随着孔间距的增大,晶体弹性模量和屈服应力都有明显的提高;当保持孔间距不变而改变孔半径时,随着孔体积的不断增大,晶体弹性模量和屈服应力又都呈现出递减趋势。对于晶界上的孔洞,孔洞形状对晶体拉伸性能有显著影响,并且随着孔半径的增大,晶体弹性模量和屈服应力呈现出递减趋势,如果保持孔洞总体积恒定而依次增加孔洞数量,则晶体弹性模量和屈服应力逐渐减小。     

MDYB-3有机玻璃在不同应变率下的一维屈服行为

对MDYB-3有机玻璃进行了多组不同应变率(10-3~3 000 s-1)下的压缩实验, 得到准静态下的屈服应力与动态下的峰值应力。沿其增强与面内2个方向进行准静态压缩实验, 以分析定向拉伸对屈服应力的影响, 修正了Ree-Eyring模型与Cooperative模型以描述定向有机玻璃的屈服行为。采用Johnson-Cook模型描述屈服后的黏塑性行为。结果表明Cooperative屈服模型比Ree-Eyring屈服模型更接近实验结果, 且能准确描述准静态屈服应力。动态压缩下的峰值应力为失效应力, 说明试样在1 500 s-1以上应变率下未达到屈服应力时已经发生破坏。Johnson-Cook模型对于单条曲线拟合良好, 但无法准确描述材料的应变率相关性。     

微构件自由弯曲回弹的数值模拟

回弹是影响弯曲成形精度的一个重要因素,由于尺度效应的存在,微构件的弯曲回弹问题更复杂.利用动态显式与静态隐式算法相结合的方法数值模拟了C1200黄铜V形微构件的自由弯曲,与其超薄板三点弯曲的实验结果吻合度很好,验证了该方法模拟微构件弯曲回弹的可行性.分析了板厚t、晶粒大小d、t/d(板厚与晶粒大小比值)和残余应力对回弹的影响,结果显示t/d可以作为表征回弹的重要参数,回弹量随着t/d减小而增大;随着t和d的增大,工件的残余应力也增大,会影响工件的质量.可以采用适当热处理工艺增大材料的晶粒尺寸来减少回弹,当然也要兼顾残余应力对工件质量的影响.     

晶粒度对纯铝动态力学性能的影响

通过热处理方式制备了3种不同晶粒度的纯铝样品。利用分离式霍普金森压杆加载装置测量了3种纯铝在应变率102～104 s-1范围内的应力应变曲线。实验曲线表明,纯铝的屈服应力和流动应力随晶粒度的增大而减小;根据实验数据拟合了纯铝在动态下的Hall-Petch公式。同时采用一级轻气炮对3种纯铝进行了层裂实验,结果表明晶粒度对纯铝的层裂特性几乎没有影响。     

考虑应力梯度效应的金属微梁屈服模型研究

一系列微加载测试结果表明,金属微梁的弯曲强度会随着材料外部几何特征尺寸的减小而显著升高,呈现出明显的尺寸相关性.基于位错塞积模型,探讨了纯金属单晶微梁的初始屈服应力,并提出了描述其尺寸相关性行为的关键内禀特征长度.通过综合分析现有的微梁弯曲实验及其离散位错动力学数值模拟结果,并考虑到位错-自由表面交互作用的影响,提出了一种仅涉及位错源的位错塞积构型.在此构型下,对线性应力梯度作用下的位错塞积行为进行了连续性分析,并建立了一个由位错源主导的应力梯度屈服模型.该模型有效地解释了微梁初始屈服应力的尺寸相关性,并与实验结果一致.研究结果表明,针对外部几何特征尺寸在数微米及以下的纯金属单晶微梁,位错塞积行为是其尺寸相关性行为的主导机制,而且刻画这种行为需要两个内禀特征长度参数,即位错源长度和位错塞积长度.为解释非均匀加载条件下微尺度晶体材料屈服应力的尺寸相关性行为,特别是纯金属单晶微梁,提供了新的视角.     

冲击加载下样品软回收过程中的侧向稀疏效应

通过数值模拟, 计算冲击加载下样品经历一维应变加载过程和侧向稀疏过程产生的塑性功, 给出试样内部从冲击加载开始到进入回收桶前全过程的应力随时间变化的历程。结果表明:侧向稀疏过程开始后,样品在径向汇聚波的作用下受循环拉、压载荷作用,拉压循环的振幅在中等冲击压力下达到最大。如果振幅超过了材料的层裂强度,样品中心将发生拉伸破坏不能完整回收。侧向稀疏与一维应变加载产生的塑性功之比随冲击速度的增加而减小。在冲击速度为某临界值时,侧向稀疏产生的塑性功与一维应变加载产生的塑性功相等。在一定的冲击速度下,采用低初始屈服应力的材料可减轻侧向稀疏效应。对理想塑性材料的理论分析表明,侧向稀疏与一维应变加载产生的塑性功之比随冲击速度与屈服强度比值的增大而减小,与数值模拟结果一致。     

弹性支撑功能梯度微圆柱壳模态频率的研究

在建立弹性支撑功能梯度薄壁微圆柱壳模型的基础上,基于修正的偶应力理论和一阶剪切变形理论,推导了微圆柱壳的模态频率方程,讨论了弹性支撑、尺寸效应、温度梯度、材料组分指数、孔隙以及几何尺寸等参数对微圆柱壳模态频率的影响。结果表明：微尺度下,弹性刚度系数在0～10⁵ N/m³范围内对微圆柱壳的模态频率基本无影响,剪切刚度系数在0～5×10⁴ N/m范围内对模态频率的影响较大,且增大剪切刚度系数有益于提高微圆柱壳的模态频率;由修正的偶应力理论得到的模态频率大于由经典连续体理论得到的模态频率;在弹性支撑和尺寸效应有无考虑的4种组合下,模态频率随温度梯度和微圆柱壳长度的增大而减小,随陶瓷体积分数指数的增大而增大,随孔隙体积分数和微圆柱壳厚度的变化规律不同;温度梯度对考虑尺寸效应或弹性基础的微圆柱壳模态频率影响较大,而孔隙调节具弹性支撑微圆柱壳的模态频率尤其显著。     

晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响

采用不同热处理工艺制备了3种晶粒尺寸（60、100、500 μm）的高纯铝板材,利用平板撞击实验研究了其层裂行为。通过改变飞片击靶速度,在靶板中实现初始层裂状态和完全层裂状态。基于自由面速度时程曲线和微损伤演化及断口显微形貌分析,讨论了晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响规律。实验结果显示:（1）晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响强烈依赖于冲击加载应力幅值,在低应力条件下,层裂强度与晶粒尺寸之间表现出反Hall-Petch关系,而在高应力条件下,晶粒尺寸对层裂强度几乎没有影响;（2）随着晶粒尺寸的增大,靶板损伤区微孔洞的尺寸和分布范围均增大,但数量显著减少,在微孔洞周围还发现比较严重的晶粒细化现象;（3）随着晶粒尺寸的增大,层裂微观机制从韧性沿晶断裂向准脆性沿晶断裂转变,且在断口上观察到少量随机分布的小圆球,归因于微孔洞长大和聚集过程中严重塑性变形引起的热效应。     

Cu/Ni多层纳米线力学性能尺寸效应的分子动力学模拟

Cu/Ni多层纳米线因其特殊的结构和优异的物理性能在微/纳电子机械系统(MEMS/NEMS)中有广泛的应用.本文利用分子动力学方法模拟了Cu/Ni多层纳米线的拉伸变形,研究了纳米线屈服应力的尺寸效应,探讨了界面结构的差异对多层纳米线缺陷演化机制的影响.结果表明,带共格界面多层纳米线的屈服应力随单金属层厚度h的减小先升高...     

考虑微结构特征的陶瓷材料含损伤本构模型

为了研究不同微结构陶瓷材料的冲击破坏特征,以从微结构角度出发、描述陶瓷材料非弹性变形和断裂行为的Deshpande-Evan模型为基础构建本构模型,计算了无约束条件下材料的应力状态。为了验证改进模型的有效性,将VUMAT子程序编程方法将与ABAQUS有限元软件相结合,并将其应用于典型陶瓷材料（YAG透明陶瓷）冲击破坏过程的分析模拟。采用改进模型分析应变率、应力三轴度、晶粒尺寸及初始缺陷分布密度对YAG透明陶瓷动态力学行为和损伤演化机制的影响规律。结果表明：随着晶粒尺寸和裂纹分布密度的增加,YAG透明陶瓷破坏程度随之加剧,完全损伤区域面积也随之增加,晶粒尺寸对YAG透明陶瓷宏观破坏特征的影响程度要大于裂纹分布密度;YAG透明陶瓷失效强度以及断裂应变随着晶粒尺寸以及初始缺陷分布密度的增大而减小;随着应变率不断增加,YAG透明陶瓷在不同晶粒尺寸以及初始缺陷分布密度下的峰值应力和断裂应变均随之增加;裂纹扩展速度会随着晶粒尺寸的增加呈现出先增加而后平缓的趋势,裂纹扩展速度与初始缺陷分布密度系数成线性关系。改进模型可以描述YAG透明陶瓷微结构对其宏观破坏特征的影响,为进一步分析微结构对陶瓷材料宏观...     

混凝土类材料动态拉伸强度的微观力学模型

基于水泥砂浆试样动态劈裂拉伸实验,研究了不同加载速率下水泥砂浆材料动态劈裂时的裂纹发 生和扩展规律,提出一个微观力学模型。结果表明,微裂纹惯性是混凝土类材料动态拉伸实验中测量到的动 态拉伸强度随应变率的增加而提高的一种微观机制。     

激光选区熔化增材制造GP1不锈钢动态拉伸力学响应与层裂破坏

采用选择性激光熔化增材制造技术，制备了GP1不锈钢单轴拉伸板条试样和层裂圆片试样，并对材料微观结构进行了表征。借助Zwick-HTM5020 高速拉伸试验机，并结合数字图像相关性全场应变测量技术，开展了增材制造GP1不锈钢材料的轴向拉伸力学性能实验研究，得到了不同应变率下材料的拉伸应力-应变曲线，结果显示:(1) GP1不锈钢流动应力具有比较显著的应变强化效应；(2)通过回收试样的电子背散射衍射表征，发现GP1不锈钢在拉伸变形过程中会发生奥氏体与马氏体之间的相变；(3) GP1不锈钢的屈服应力随着应变率呈幂指数增大，断裂应变在中低应变率下保持不变，但在高应变率下则显著减小。采用一级轻气炮实验装置和激光干涉粒子速度测量技术，开展了增材制造GP1不锈钢的层裂实验，发现GP1不锈钢的层裂强度随着飞片撞击速度增大而减小。单轴拉伸试样断口和层裂试样断口的显微分析结果表明:随着应变率增大，单轴拉伸断裂模式和断裂机理都发生了转变；层裂损伤易成核于激光熔池边界线的交汇处，断口韧窝形貌明显区别于单向拉伸断口。     

聚苯乙烯混凝土动态劈裂实验

利用直径为74mm 的分离式Hopkinson压杆径向冲击巴西圆盘试样,测试了不同聚苯乙烯(expandedpolystyrene, EPS)颗粒粒径、不同体积含量的EPS混凝土的动态拉伸性能。为了保证实验的可靠性, 在试样和入射杆、透射杆之间加上精确设计的垫块,防止试样两端因应力集中而被压碎破坏;通过选择合适的 整形器,保证试样有足够的时间达到应力均匀。并分析了EPS混凝土劈裂破坏形态。实验结果表明:EPS混 凝土的劈裂强度随应力率的增大而增大;在EPS体积含量较低的EPS混凝土中,EPS混凝土的劈裂强度表 现出一定的粒子尺寸效应,随EPS颗粒体积含量的增加,这一现象逐渐消失。     

加载速率影响的单裂隙类岩石试样能量演化规律

为了研究加载速率对单裂隙类岩石试样破坏过程中能量演化进程的影响规律,分析裂隙类岩石试样在不同加载速率下的能量响应特征,以预埋金属薄片方法制作的裂隙类岩石试件为研究对象,基于RMT-150B对单裂隙类岩石试样进行四级加载速率下的单轴压缩试验,获得四级加载速率下裂隙类岩石试样力学性能。试验结果表明:单裂隙类岩石试样峰值强度与加载速率呈正相关性,但增长速率随加载速率的增加而减小;当加载速度不断增大时,峰值处试样弹性应变能积聚能力增强,但是耗散应变能随加载速率的增大而逐渐减小;裂隙试样在峰值后会累积弹性应变能,但其积聚能力随加载速率的增大而有所削弱;裂隙试样耗散应变能转化速率在峰值前处于较低水平,在峰值后伴随宏观破裂面的贯通而骤增,表明单裂隙类岩石试样内部能量演化进程与其破坏规律之间具有内在联系。     

依据各向异性分形理论的固定结合面椭圆弹塑性法向接触刚度建模及仿真分析

依据各向异性分形几何理论,将结合面微凸体拓展为椭球体,结合微凸体接触点面积大小分布函数以及概率论相关理论获得关于椭圆形接触点接触面积以及离心率的二维联合分布密度函数,应用椭球体的赫兹接触理论,进而建立了依据各向异性分形理论的结合面椭圆弹塑性法向接触刚度模型,并采用MATLAB软件对影响结合面法向刚度的相关因素进行了数值仿真及结果分析。结果表明：结合面椭圆形接触点离心率分布情形对结合面总刚度具有明显影响,结合面总刚度随形状参数 的增大而增大,却随着形状参数 的增大而减小;结合面法向刚度随法向载荷的增大而增大;在同一载荷作用下,结合面法向接触刚度随塑性指数增大而增大,随分形粗糙度的增大而减小,但是随分形维数的增大而先增后减。该模型对模型优化进而提高计算精度提供了一定的理论依据。     

电刷镀镍纳米镀层的结构和磨损性能

应用电刷镀技术,以快速镍镀液制备了镍纳米镀层;用X射线衍射仪和原子力显微镜分析了经不同温度下热处理后的镍刷镀层的结构和晶粒尺寸,并测定了刷镀层的显微硬度和耐磨性能.结果表明:镀层的晶粒大小随热处理温度的升高先降低而后增大,经300 ℃热处理后的镍纳米镀层的晶粒尺寸小于30 nm;镍镀层在300 ℃左右热处理时表现出较明显的强化趋势,相应镀层的晶粒尺寸最小、硬度最大;而镀层的耐磨性随热处理温度的变化与镀层的硬度略有不同,经200 ℃热处理后的镍镀层的耐磨性能最好.     

纳米晶材料变形行为的微观力学模型

本文将纳米晶材料视为包括晶粒和晶界的两相复合材料。基于能量平衡概念推导出纳米晶材料的增量本构关系。最后将本文发展的模型用于纯铜的单轴拉伸实验,讨论了晶粒大小、形状和晶粒分布的影响,并将模型预测的结果和已有的实验结果进行比较。     

纳米晶材料变形行为的微观力学分析

将纳米晶材料视为包括晶粒和晶界的两相复合材料.基于能量平衡概念推导出纳米晶材料的增量本构关系.最后将本文发展的模型用于纯铜的单轴拉伸实验,讨论了晶粒大小、形状和晶粒分布的影响,并将模型预测的结果和已有的实验结果进行比较.     

基于细观尺度的混凝土单轴力学性能仿真计算分析

基于细观力学建立了混凝土的2D随机骨料模型,应用塑性损伤本构模型,模拟了混凝土在单轴拉伸和压缩载荷下的力学性能和裂纹的萌生扩展。通过变参数分析,研究了粗骨料形状和面积分数、界面性能以及孔隙率等混凝土多相特征对应力-应变关系的影响。数值研究表明:粗骨料形状对混凝土拉压强度影响很小;粗骨料面积分数、界面性能和孔隙率是控制混凝土宏观响应的重要参数。研究发现:随粗骨料面积分数增加,混凝土拉压强度均表现出先减小后增大的变化趋势;而界面性能对混凝土的强度有重要影响,混凝土拉压强度随界面性能的增大而单调增加;孔隙率愈高,混凝土的拉压强度损失愈显著。     

SHPB冲击加载下四种岩石的复合型动态断裂实验研究

分别用绿砂岩、黄砂岩、灰砂岩、大理岩制作了三种几何相似的(φ80mm、φ122mm、φ155mm)中心直裂纹平台巴西圆盘(CSTFBD)试样;利用分离式霍普金森压杆加载,进行了I型和I-II型复合动态断裂实验,并由实验结合有限元分析得到了四种岩石材料的I、II型动态断裂韧度KId、KIId。研究表明:动态断裂韧度均存在尺寸效应,试样尺寸对I-II型复合比和纯II型加载角均会产生影响,复合比随尺寸的增大而减小,大尺寸试样II型加载的加载角比小尺寸试样的小。同时,由于负值的T应力显著减小了裂纹的起裂角,用广义最大拉应力准则预测的起裂角更符合实验结果。