A REVIEW ON MECHANICAL BEHAVIOUR OF PMMA

有机玻璃作为飞机风挡与舱盖的主要材料,对其力学性能研究尤为重要。综述了国内外学者对有机玻璃力学性能的研究现状：在理论方面,总结了目前对有机玻璃的黏弹性、非弹性、屈服应力与模量——温度关系等本构模型的成果;在实验方面,阐述了近年以准静态、动态及断裂实验为主的研究;在模拟方面,举例说明在分子模拟和有限元模拟中的应用。最后指出了有机玻璃在力学研究方面的发展方向。     

基于实验的心肌被动力本构模型

在狗心脏外科手术和心肌力学性能试验的基础上,对心肌力学性能实验数据进行处理和拟合,并应用有限元方法对心肌的单拉实验、松弛实验进行数值模拟和计算. 得到不同心肌位点的本构模型的非线性弹性和黏性参数,从而发展了心肌被动力的非线性黏弹性本构模型,体现了心脏力学行为的非均匀性和黏弹性. 在理论模型和试验数据的基础上,开发了有限元软件ABAQUS的VUMAT材料子程序,应用于数值心脏的仿真研究.      

自主泳动弹性绳的轨迹模拟

研究柔性结构与流体间耦合作用,可以促进软体机器人的发展.通过速度快、精度高的数值模拟方法模拟水下机器人的实时运动轨迹,可以为真实实验提供测试方向与理论牵引,增大实验成功的可能性.本文研究有自主运动趋势的弹性绳在二维流场中的运动轨迹.首先,对弹性绳离散化建模并同时考虑拉压与扭转弹性力,从能量角度建立动力学方程,此模型可以较为真实地反映弹性绳内力对其运动产生的作用.然后基于半拉格朗日法建立流体求解器. 最后,提出简化的基于动量方程的浸入边界法作为耦合算法,通过直接修正网格速度代替浸入边界力法中力源项的作用.使用这种算法求解耦合作用兼具简便性与快速性.对弹性绳模型、流体模型与简化耦合模型依次解算,模拟了正弦形式波动弹性绳在水中的运动轨迹.结果显示,弹性绳在弹性内力与流固相互作用力共同影响下,该种新的浸入边界法可以实现对水下弹性绳运动轨迹的模拟.数值实验显示弹性绳的自主运动参考模型的初相位改变时,其前进方向会发生改变.该仿真模拟算法与平台可以为细长形软体水生机器人的研发提供参考.      

碳纳米管的力学性能及碳纳米管复合材料研究

对碳纳米管力学行为和碳纳米管复合材料的研究文献进行了综述.首先介绍了碳纳米管结构稳定性和力学性能的研究进展,包括理论模拟和实验的研究结果.结果表明,碳纳米管有着优异的力学性能,其在复合材料应用方面有着巨大的潜力.然后,系统地总结了碳纳米管在增强高分子材料、金属材料和陶瓷材料方面的应用,指出外场力传递效应是值得关注的课题.最后,对该领域工作做了一些讨论和展望.      

心肌细胞大变形黏弹性模型及在实验中的应用

在衡量单个细胞力学行为的研究中,越来越多地采用结合实验的数值模拟方法. 在连续介质力学框架下,发展了一种新的心肌细胞本构模型,并与微管吮吸实验结合,探讨了心肌细胞的力学特性. 本构模型是对普遍使用的仅能用于小变形分析的标准线性固体模型的一种扩展,它将超弹性性能引入到黏弹性模型中,用以描述细胞的大变形黏弹性效应. 基于改进的本构模型,对心肌细胞微管吮吸实验过程进行了有限元模拟,并将计算结果与实验结果以及经典理论解进行了对比. 结果显示发展的本构模型适合细胞大变形问题的有限元数值模拟.      

自主泳动弹性绳的轨迹模拟

研究柔性结构与流体间耦合作用,可以促进软体机器人的发展.通过速度快、精度高的数值模拟方法模拟水下机器人的实时运动轨迹,可以为真实实验提供测试方向与理论牵引,增大实验成功的可能性.本文研究有自主运动趋势的弹性绳在二维流场中的运动轨迹.首先,对弹性绳离散化建模并同时考虑拉压与扭转弹性力,从能量角度建立动力学方程,此模型可以较为真实地反映弹性绳内力对其运动产生的作用.然后基于半拉格朗日法建立流体求解器.最后,提出简化的基于动量方程的浸入边界法作为耦合算法,通过直接修正网格速度代替浸入边界力法中力源项的作用.使用这种算法求解耦合作用兼具简便性与快速性.对弹性绳模型、流体模型与简化耦合模型依次解算,模拟了正弦形式波动弹性绳在水中的运动轨迹.结果显示,弹性绳在弹性内力与流固相互作用力共同影响下,该种新的浸入边界法可以实现对水下弹性绳运动轨迹的模拟.数值实验显示弹性绳的自主运动参考模型的初相位改变时,其前进方向会发生改变.该仿真模拟算法与平台可以为细长形软体水生机器人的研发提供参考.     

测定有机玻璃成型残余应力的新的光弹性方法

北京航空材料研究所研究发展的“测定有机玻璃成型残余应力的新的光弹性方法”(双折射主切片法),于1986年10月通过技术鉴定。鉴定意见指出:北京航空材料研究所通过大量的实验研究和理论分析,提出了有机玻璃     

聚脲弹性体力学性能与本构关系研究进展

聚脲是一种由异氰酸酯组分和氨基组分反应生成的新型弹性体高聚物.由于聚脲具有断裂伸长率高、应变率强化、高耗能等一系列优异的力学性能,其在国防、能源、交通等领域显示出广阔的应用前景.目前,国内外学者针对聚脲在不同温度、不同应变率下的静动态力学性能开展了大量研究,在此基础上提出了多种本构模型,对温度、应变率等因素相关的力学行为进行了描述和预测.这些工作为深刻理解聚脲抗冲击机理及材料的进一步应用奠定了基础.文章首先简要介绍了聚脲弹性体的微相分离结构及特点;然后从小变形线性黏弹性和大变形非线性黏弹性两个方面概述了关于聚脲力学性能的研究,包括相应测试技术的发展和聚脲黏弹性影响因素的研究;进一步从变形梯度乘法分解法、遗传积分法、应变-时间解耦法等不同建模方法出发对已建立的聚脲本构模型进行综述,并从应变率范围、温度范围、压力相关性、软化行为表征及模型参数数量的角度对比了不同类型模型的区别;最后针对聚脲力学性能与本构关系下一步研究值得重点关注的问题提出了几点建议.     

柱壳约束对散心冲击波空间分布的影响

结合实验和数值模拟，研究了散心冲击波在金属柱壳约束下沿有机玻璃内部的空间分布。进行了点起爆柱状炸药驱动飞片加载实验，采用Polyvinylidence Fluoride (PVDF)测试方法对有机玻璃内部的压力进行测试。实验结果显示:在冲击波传播过程中，在特定传播距离处，离中心轴越近，冲击波第一幅值压力越小，这是因为散心冲击驱动飞片成前凸形状，在飞片飞行过程中与有机玻璃碰撞面积越来越大，在远离对称轴部位冲击压力叠加累积效应更强引起的；但在随后的冲击波传播过程中，由于受到柱壳约束影响，离对称轴越近，冲击波幅值越小，这是由散心冲击波在约束柱壳边界反射与冲击波波阵面叠加的结果。通过对炸药网格大变形溢出柱壳翻转进行合理处理，对实验进行了数值模拟。数值模拟结果所得的冲击压力沿径向分布规律计算结果与实验结果定性相符。最后探讨了不同约束程度对这一规律的影响程度，结果表明，后续的冲击波幅值随着约束的增加而急剧增加。     

微振激励下黏弹性阻尼器微观链结构力学模型

减小微振动对高精密仪器至关重要,利用黏弹性阻尼器进行微振动抑制是一个新兴而又具有挑战性的课题.本文采用分子链网络模型方法分析了黏弹性材料的微观分子链结构,综合考虑材料分子链结构中的网络链和自由链对黏弹性材料力学性能的影响,提出一种基于材料微观分子链结构的微振激励下黏弹性阻尼器力学模型.模型分别采用标准线性固体模型和Maxwell模型来描述网络链和自由链中单个链的力学性能,并分别采用8链网络模型和3链网络模型考虑两种类型分子链的综合效应,引入温频等效原理描述温度对微振激励下黏弹性阻尼器力学性能的影响.该模型能够描述温度和频率对黏弹性阻尼器动态力学性能的影响,并能够反映黏弹性材料的微观结构与材料力学性能的关系.为验证所提模型的有效性及考察黏弹性阻尼器在微振激励下的耗能能力和动态力学性能,在微振条件下对黏弹性阻尼器进行了动态力学性能试验.研究结果表明黏弹性阻尼器具有较好的微振耗能能力,其动态力学性能受温度和频率影响较大,所提的力学模型能够精确地描述微振激励下黏弹性阻尼器动态力学性能随温度和频率的变化关系.      

实验数据反演识别分析方法与力学表征

本文给出了两类基于实验(实测)数据的反演识别方法,简述了其在界面力学性能及工程实测数据分析中的应用.在粘接界面力学性能的反演识别实验研究中,基于不同加载速率的实验曲线,结合参数化界面力学模型,通过反演识别给出粘接界面力学性能参数,并对识别结果的适定性进行独立的实验验证;在基于工程实测数据的反演识别与力学建模方面,在分析盾构装备载荷特点的基础上,对海量的实测数据统计分类,提出了力学量纲分析的建模方法,并应用于盾构掘进载荷的反演识别研究.     

血红细胞力学性能的纳米压痕实验和有限元模拟

采用纳米压痕技术和有限元方法研究了血红细胞的生物力学性能. 进行了血红细胞的纳米压痕实验, 得到了血红细胞的材料参数和变形形貌; 在实验基础上, 建立了血红细胞的三维有限元模型, 模拟了血红细胞的压痕载荷-位移曲线, 并考虑了参数效应. 数值模拟结果和实验数据符合很好. 通过改变压头与材料之间的摩擦系数和压头曲率半径等参数, 比较了载荷-位移曲线的变化情况. 研究表明摩擦系数对压痕载荷-位移曲线和应力分布影响很小, 而压头曲率对载荷-位移曲线的影响明显.     

考虑地基相互作用时筒仓模型的静力实验研究及有限元分析

设计制作了有机玻璃筒仓模型,在空仓及装填了散料（大米）的满仓两种情况下,将筒仓分别置于生地基和用海绵橡胶垫模拟的弹性地基上,实测料仓仓壁及支承筒的静力应变值,并与有限元计算结果进行了比较,两者能够较好地吻合,证明实验是可靠的,所用的力学计算模式及模型分析的简化是正确的。     

黏弹性薄板蠕变屈曲的载荷-时间特性研究

通过对黏弹性薄板压屈的稳定性分析,着重讨论了蠕变屈曲载荷－时间的特性,理论分析表明：黏弹性薄板蠕变屈曲与材料的力学性能密相关,屈曲载荷不像弹性薄板为一定值,而是与时间相关的;在一定载荷下,经过一段时间后出现延迟屈曲,相关的实验研究也证实这一重要结论;这种延迟失稳问题在工程中有其重要的意义。     

冲击波作用下铝的准弹性卸载行为

根据一维应变冲击波的基本关系,将Cochran 等定义的有效剪切模量与准弹性卸载过程的纵波和体波声速关联起来,并藉此研究了冲击波作用下铝的准弹性卸载特性. 利用VISAR高压声速测量技术获得了LY12铝在20$\sim$100\,GPa压力下沿着准弹性卸载过程的有效剪切模量,结果表明LY12铝的有效剪切模量随卸载应力的下降而迅速下降. 采用与卸载应力成线性关系的方程对有效剪切模量进行了近似描述,该方程的斜率随初始冲击压力的增加而增加,体现了准弹性卸载行为的压力相关性. 将有效剪切模量结果与准静态实验结果进行了比较,由此分析了冲击波作用下准弹性卸载过程的可能物理机制. 应用有效剪切模量方程对6061铝合金的准弹性行为进行了模拟,计算结果与实验结果符合很好.      

空化水动力学非定常特性研究进展及展望

空化作为一种重要的复杂水动力学现象,具有明显的三维流动特征与剧烈的非定常特性,在水力机械、船舶推进器、水利工程中广泛存在,且通常会带来不利的影响,长期以来一直是水动力学领域研究的重点与难点课题之一.本文首先从实验测量和数值模拟两个角度,综述了空化水动力学非定常特性研究的发展概况, 分析了当前存在的问题.在空化实验研究中,主要介绍了空化水洞、空化流场测量以及多物理场同步测量等方面所取得的进展.在数值模拟方法中, 对目前的空化模型和湍流模型进行了分类介绍,并重点讨论了大涡模拟、验证和确认等在空化流模拟中的应用.之后以附着型空化为主, 同时兼顾云状空泡、空蚀、涡空化等,梳理了其研究中存在的几个关键科学问题,包括空化演变、空化流动的三维结构、失稳机制、空化不稳定性及其与低频压力脉动的联系、空化与旋涡的相互作用、空化与弹性水翼的流固耦合、空化对尾流场影响等.最后展望了空化水动力学的研究方向和未来发展趋势.      

基于三维细观力学模型的开孔泡沫弹性性能预测

泡沫材料的宏观力学性能主要取决于基体材料的力学特性及其微细观结构特征,基于细观力学模型的分析方法是泡沫材料力学性能研究的重要途径。文中基于Matlab语言和Abaqus软件构建了描述中等孔隙率开孔弹性泡沫材料微结构特征的三维随机分布球形泡孔模型,并采用有限元方法对弹性泡沫压缩变形进行了模拟,并计算给出了不同孔隙率弹性泡沫材料弹性模量、剪切模量、体积模量以及泊松比的分布,建立了相应的唯象表达式。与理论模型及测试结果的比较表明,本文基于三维随机泡孔模型模拟结果构建的唯象表达式能够对弹性泡沫材料的弹性力学性能给出很好的预测。     

均匀化理论及其在生物力学中的应用

在线弹性理论的范围内,简要介绍了新近发展起来的均匀化理论（ｈｏｍｏｇｅｎｉｚａｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙ）,并引入了误差分析方面的一些研究成果．由于均匀化理论可以详尽地考虑材料的微观结构,在生命器官组织的细观力学研究中会起到推动作用．作为应用实例,本文介绍了均匀化理论在密质骨力学性能的数值模拟中的应用．      

缝合复合材料制备工艺和力学性能研究

从缝合复合材料的工程实际应用、工艺、力学性能、分析方法等方面对缝合复合材料的制备工艺和力学性能研究发展状况进行了比较全面系统的阐述与分析,重点介绍了缝合复合材料的各种力学性能及其强度分析模型.在强度分析模型中, 介绍了弹性矩阵场函数和缝合复合材料强度场的概念.缝合复合材料在结构整体性、层间性能以及低速冲击损伤阻抗等方面具有明显的优势,克服了普通层合板层间性能以及低速冲击后压缩性能低的弱点. 但是,缝合复合材料的工艺相对比较复杂,缝合对层合板的部分面内力学性能存在一定的负面影响,而且在湿热环境条件下其层间强度高的优势无法发挥.在选用缝合时,应根据所用层合板的铺层顺序及其使用的环境条件,同时还应兼顾缝合对铺层面内力学性能的影响, 决定是否使用缝合结构.在湿热性能要求不高的结构中, 如导弹结构,缝合复合材料已经得到了很好的应用.      

不同应变率下聚乙烯材料的压缩力学性能

为了研究聚乙烯材料在不同应变率下的压缩力学性能，通过准静态实验和动态实验获得聚乙烯材料不同应变率下的应力应变曲线，分析发现:聚乙烯的弹性模量和屈服强度随应变率增大而增大，具有明显的黏弹塑性；聚乙烯材料进入塑性阶段，其应力应变曲线在不同应变率下具有相近的变化趋势，即塑性切向模量近似相同。根据聚乙烯材料的压缩力学性能，建立了弹性区、屈服点和塑性区的分段本构模型。该模型的屈服点和塑性段与实验结果吻合较好，由于弹性段采用线弹性模型，与实验结果存在一定偏差，可近似描述材料的弹性行为。