天然橡胶基磁流变弹性体的研制与表征

磁流变弹性体又称磁敏高弹体,是一种由高分子聚合物和磁性颗粒构成的新型智能材料,它的力学、电学、磁学等诸性能可以由外加磁场来控制,因此磁流变弹性体在舰船、振动控制等领域具有广泛的应用前景.但目前国际上研制的磁流变弹性体存在机械性能不够好和磁致效应不够强的问题,这制约了基于磁流变弹性体器件的设计和应用.为了制备出实用型磁流变弹性体,本文对其制备条件进行了研究,包括基体类型、预结构化时磁场强度和温度、增塑剂和磁性颗粒含量对磁流变弹性体磁致效应的影响.结果表明,以天然橡胶为基体的磁流变弹性体,在高于600mT外加磁感应强度下,当磁性颗粒含量为80%(质量比)时,剪切模量的相对增量达133%;而当磁性颗粒含量为90%时,剪切模量的绝对增量达4.5MPa.本文还对磁流变弹性体应用环境进行了实验研究,结果表明磁流变弹性体在小应变下显示出更强的磁致效应,而激励频率不改变材料的磁致模量.     

天然橡胶基磁流变弹性体的研制与表征

磁流变弹性体又称磁敏高弹体，是一种由高分子聚合物和磁性颗粒构成的新型智能材料，它的力学、电学、磁学等诸性能可以由外加磁场来控制，因此磁流变弹性体在舰船、振动控制等领域具有广泛的应用前景。但目前国际上研制的磁流变弹性体存在机械性能不够好和磁致效应不够强的问题，这制约了基于磁流变弹性体器件的设计和应用。为了制备出实用型磁流变弹性体，本文对其制备条件进行了研究，包括基体类型、预结构化时磁场强度和温度、增塑剂和磁性颗粒含量对磁流变弹性体磁致效应的影响。结果表明，以天然橡胶为基体的磁流变弹性体，在高于600mT外加磁感应强度下，当磁性颗粒含量为80％（质量比）时，剪切模量的相对增量达133％；而当磁性颗粒含量为90％时，剪切模量的绝对增量达4．5MPa。本文还对磁流变弹性体应用环境进行了实验研究，结果表明磁流变弹性体在小应变下显示出更强的磁致效应，而激励频率不改变材料的磁致模量。     

颗粒增强复合材料的界面开裂与尺度效应

采用基于Huang等提出的塑性应变梯度传统理论发展的有限元方法,模拟了颗粒增强金属基复合材料的界面开裂与颗粒尺度效应.分别针对考虑颗粒与基体间界面开裂和不开裂两种情况进行分析,并将考虑界面开裂的模拟结果与实验结果进行比较,证明了模型的有效性,同时也获得应变梯度理论中所包含的材料特征尺度参量的取值.     

磁流变弹性体若干物理量的数值分析

应用有限元方法,考虑了颗粒的磁化饱和过程与非线性磁化过程,计算得到了磁流变弹性体中的磁场分布,进而研究了在不同磁场大小、不同颗粒体积比浓度下磁流变弹性体在成链方向的相对磁导率,计算结果和实验结果取得了一致。利用Maxwell应力张量,计算了磁场引起的磁流变弹性体的附加剪切模量。分析了颗粒体积比浓度、外加磁场对磁流变弹性体的磁致剪切模量的影响。研究了颗粒为旋转椭球形状时,颗粒的放置方式与其长短轴之比对磁流变弹性体的磁致剪切模量的影响。计算结果表明,磁流变弹性体的相对磁导率随颗粒体积比浓度的增大而增大,随磁场强度的增大而减小,颗粒的形状和放置方式对磁流变效应有很大的影响。     

石墨/玻璃纤维夹层结构混合复合材料层压板的振动分析

本文应用考虑了横向剪切变形的有限元法及阻尼单元模型对石墨/玻璃纤维夹层结构混合复合材料层压板进行振动分析,求出其固有频率、振型和阻尼值。讨论了理论计算和实验的结果。本文还讨论了改变石墨纤维在此类板中的含量对有效弯曲模量及振动模态参数(固有频率、振型及阻尼值)的影响。     

一种预测颗粒增强复合材料界面力学性能的新方法

界面在颗粒增强复合材料中起到传递载荷的关键作用, 界面性能对复合材料整体力学行为产生重要影响. 然而由于复合材料内部结构较为复杂, 颗粒与基体间的界面强度和界面断裂韧性难以确定, 尤其是法向与切向界面强度的分别预测缺乏有效方法. 本文以氧化锆颗粒增强聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料为研究对象, 提出一种预测颗粒增强复合材料界面力学性能的新方法. 首先, 实验获得纯PDMS基体材料及单颗粒填充PDMS试样的单轴拉伸应力$\!-\!$应变曲线, 标定出PDMS基体材料的单轴拉伸超弹性本构关系; 其次, 建立与单颗粒填充试样一致的有限元模型, 选择特定的黏结区模型描述界面力学行为, 通过样品不同阶段拉伸力学响应的实验与数值结果对比, 分别给出颗粒与基体界面的法向强度、切向强度及界面断裂韧性; 进一步应用标定的界面力学参数, 开展不同尺寸及不同数目颗粒填充试样的实验与数值结果比较, 验证界面性能预测结果的合理性. 本文提出的界面力学性能预测方法简便、易操作、精度高, 对定量预测颗粒增强复合材料的力学性能具有一定帮助, 亦对定量预测纤维增强复合材料的界面性能具有一定参考意义.      

NiTi合金力学和阻尼性质研究及伪弹性退化分析

试验考察了NiTi合金在不同应变幅值循环载荷作用下的力学特性和阻尼性能,并引入了残余内应力分析伪弹性退化机理。用马氏体相变开始应力、残余应变等参数表征NiTi合金伪弹性特征,用等效阻尼比表征NiTi合金的阻尼性能。试验结果分析表明:应变幅值增加会加快NiTi合金伪弹性随循环次数的退化;当应变幅值处于马氏体相变开始和结束应变之间时,不同应变幅值下NiTi合金的马氏体相变平台随循环次数增加同步降低,且当NiTi合金在相变中段卸载时其阻尼性能最好;结合残余内应力与残余应变正相关线性关系可分析NiTi合金伪弹性退化内在机理。该研究可为循环载荷下NiTi合金伪弹性行为的准确描述提供依据,并可为NiTi合金阻尼器的设计提供参考。     

高阻尼合金胶粘层合板阻尼特性研究

考虑高阻尼合金胶粘层合板中高阻尼合金的阻尼迟滞特性和胶粘剂本构中固化时间影响的关系,进行粘贴阻尼合金板后层合板结构的非线性动力有限元建模。对不同胶粘剂固化时间的高阻尼合金层合板进行数值仿真分析,用有理分式正交多项法结合非线性优化方法对仿真数据进行处理,得到不同胶粘剂固化时间下高阻尼合金层合板的固有频率和模态阻尼比。通过与锤击法模态试验所得高阻尼合金层合板模态参数对比,验证了有限元仿真模型的合理性。通过数值仿真和试验结果分析发现:粘贴阻尼合金板后层合板结构阻尼比有大幅度提高;随着胶粘剂固化时间的增加,层合板阻尼性能增强,瞬态振动也可以得到更快地衰减。表明高阻尼合金层合板的阻尼性能与阻尼合金的应变幅值有关;阻尼合金的应变幅值越大,阻尼合金层合板模态阻尼比越大,对应结构的减振性能越佳。     

动载下复合材料基体裂纹与夹杂相互作用的数值模拟

采用ABAQUS软件及粘聚裂纹模型对动态拉伸载荷下复合材料中垂直于基体-夹杂界面的基体裂纹与夹杂的相互作用进行了数值模拟.结果表明:在给定的界面强度下,当加载率(或应变率)低于某一临界值(临界应变率)时裂纹将沿基体-夹杂界面扩展,当高于该临界值时裂纹可以穿过界面在夹杂中扩展.此外,随着界面强度的提高,临界应变率降低;当界面强度超过一定值后,裂纹扩展方向将不受外部载荷影响,裂纹将沿自相似方向扩展;当界面强度低于该临界值时,裂纹将沿界面扩展;并且临界应变率随夹杂尺寸的增大而降低,即小夹杂更难于破坏.上述结果可为前人的混凝土动态实验数据提供合理的细观理论解释.     

应变幅值对循环载荷下NiTi合金力学性质的影响

实验研究了应变幅值对循环载荷下NiTi合金伪弹性退化特征的影响规律,结果表明:当卸载发生在NiTi合金应力诱发马氏体相变阶段时,应变幅值对马氏体相变开始应力的退化规律影响较小,但此时应变幅值的增加会显著增大奥氏体弹性模量的退化程度,而其大变形可回复能力和阻尼特性在应变幅值大于6%时才有大幅度降低。对各参数退化程度进行定量分析,得到了NiTi合金具有较强可回复能力和阻尼性能的应变幅值范围。该研究可为NiTi合金阻尼器的设计提供参考。     

NEURAL NETWORK MODEL OF MAGNETORHEOLOGICAL DAMPER FOR VIBRATION ISOLATION PLATFORM OF WHOLE-SPACECRAFT

为改善星箭界面振动环境,设计六杆隔振平台,采用磁流变阻尼器作为半主动控制元件,替代原有锥壳过渡支架.对整星隔振平台用磁流变阻尼器进行性能测试,得到反映磁流变阻尼器阻尼特性的实验数据.建立具有两个隐含层的反向传播神经网络对阻尼器进行建模,用于预测磁流变阻尼器阻尼特性以及控制系统设计.提出一种串行算法优化网络结构、权值和阈值,保证网络具有较好的泛化能力和稳定性.仿真结果表明,与参数化模型相比,提出的神经网络模型具有较小的训练误差和较强的泛化能力,能够很好地预测阻尼器的阻尼特性.     

整星隔振用磁流变阻尼器神经网络模型

为改善星箭界面振动环境,设计六杆隔振平台,采用磁流变阻尼器作为半主动控制元件,替代原有锥壳过渡支架.对整星隔振平台用磁流变阻尼器进行性能测试,得到反映磁流变阻尼器阻尼特性的实验数据.建立具有两个隐含层的反向传播神经网络对阻尼器进行建模,用于预测磁流变阻尼器阻尼特性以及控制系统设计.提出一种串行算法优化网络结构、权值和阈值,保证网络具有较好的泛化能力和稳定性.仿真结果表明,与参数化模型相比,提出的神经网络模型具有较小的训练误差和较强的泛化能力,能够很好地预测阻尼器的阻尼特性.     

循环荷载下岩石阻尼行为的试验研究

为了深入地了解岩石的阻尼特性,利用WDT–1500多功能材料试验机,对砂岩、砾岩和砂砾岩进行了循环荷载试验,研究了岩石的动剪切模量和阻尼参数对应力、应变幅值和应力水平的响应特性,得到了动弹性模量和阻尼参数随应力幅值、应力水平及含水率的变化规律,讨论了其变化机理。证实了双曲线关系能够描述分级循环荷载作用下岩石的应力-应变关系,得到了动剪切模量和阻尼比与动应力、动应变之间的关系,建立了不同应力水平和不同应力幅值条件下岩石的动剪切模量与阻尼比关系模型,结果表明该模型能够描述分级循环荷载过程中阻尼行为。     

弱界面复合材料的简化塑性模型

本文研究线弹簧型弱界面颗粒增强复合材料,在比例加载条件下的简化塑性模型。利用Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ模型,得到弱界面复合材料的割线弹塑性模量和有效应力,进而通过算例讨论了界面柔度对复合材料宏观应力应变曲线的影响。     

分析磁流变流体屈服应力微观力学模型

剪切屈服应力是磁流变流体固化强度的重要指标之一,具有重要的工程意义。基于磁性物理学理论,从磁流变流体在磁场作用下铁磁性固体颗粒极化成链的微观结构出发,探讨磁流变流体中固体颗粒间的相互作用机理,分析研究颗粒间的相互作用力,建立了一种微观力学模型,可用于分析磁流变流体在外加磁场作用下屈服应力及其影响因素的作用效果,揭示磁流变效应的微结构机理,为磁流变流体的性能优化、工程开发及应用磁流变流体提供理论依据。     

SEVERAL PROBLEMS ON THEORY OF THE ANISOTROPIC BOUNDING SURFACE MODEL

土体边界面模型通过采用塑性模量场插值,来反映土体变形的非线性,边界面模型适合对小应变情况下的土体非线性变形进行模拟. 在Wheeler 模型的基础上,结合边界面理论,构造一个土体各向异性边界面模型,模型可以反映天然土体的各向异性特性. 本文对该模型研发过程中遇到的几个问题进行理论探讨,为理解和掌握各向异性边界面理论,并进一步进行新型边界面模型的研发,提供了理论借鉴.     

磁流变弹性体自调谐式吸振器及其优化控制

本文研制了一种基于磁流变弹性体的自调谐式吸振器,它利用磁流变弹性体这种新型智能材料作为吸振器的弹性元件和阻尼元件,通过外加磁场控制磁流变弹性体的剪切模量来改变吸振器的固有频率,实现吸振器的移频.并将遗传算法改进移植到吸振器,对其进行优化控制.实验结果表明,这种遗传算法具有全局搜索和快速收敛的特点,它能使吸振器快速找到吸振器减振效果最佳点,并且经过优化控制的磁流变弹性体自调谐式吸振器在移频范围内具有很好的减振效果,减振效果最高可达25dB.     

炭黑颗粒增强橡胶界面脱粘单向拉伸力学行为研究

利用岛津万能试验机对天然橡胶与丁苯橡胶共混的胶料(NSBR)进行常温下多步松弛循环加卸载试验,拟合材料参数。通过电镜实验观察复合材料截面,发现炭黑体积分数较大时,炭黑颗粒存在聚集现象。建立了圆形炭黑颗粒增强橡胶复合材料二维多颗粒随机分布RVE模型,并运用ABAQUS软件对炭黑颗粒增强橡胶界面脱粘和颗粒聚集行为进行仿真。对比不同体积分数和不同粒径分布形态等情况下单轴拉伸的宏观力学响应,结果表明:炭黑体积分数越大,炭黑增强橡胶界面开始发生脱粘的应变越小,越容易发生脱粘。针对炭黑的不同聚集程度,并考虑颗粒的界面脱粘,发现考虑颗粒聚集的模型应力集中程度更高,更容易发生脱粘。因此,炭黑体积分数越高,越不能忽略颗粒与基体的界面脱粘以及炭黑颗粒团聚。     

基于细观结构的HTPB固体推进剂含损伤粘弹性本构模型研究

基于对HTPB推进剂的拉伸试验,结合推进剂的细观结构对拉伸曲线进行分段和拟合;建立了推进剂四阶段损伤模型,并将推进剂的力学性能构成分为基体-颗粒界面和基体两部分,提出了推进剂杨氏模量的叠加模型;在试验和拟合结果的基础上,分别建立基体-颗粒界面和基体的损伤方程,较为准确地描述了推进剂拉伸损伤过程,并将其引入杨氏模量的叠加模型;结合现有积分性本构模型,给出了基于细观结构的HTPB推进剂含损伤粘弹性本构模型,并通过不同应变率条件下的拉伸试验进行了验证,结果显示模型预测结果较好。     

具有界面相的球形粒子在无限大基体中的应力集中分析

研究了无限大基体内具有界面相的球形粒子在轴对称载荷作用下的应力场,并与线弹簧界面模型的情形进行了比较,对粒子／界面相以及界面相／基体两个界面的应力集中系数以及粒子内部的应力集中系数进行了分析．研究了应力二轴度、界面相厚度以及三相的模量对应力集中系数的影响．结果表明,对给定的模量和界面相厚度值,存在一个临界应力三轴度值．若应力二轴度小于此临界值,则界面相／基体界面的应力集中系数大于粒子／界面相界面的应力集中系数;否则,前者会小于后者．所做的应力分析可以为颗粒增强复合材料的强韧化设计提供一定参考．