基于有限变形单晶塑性滑移的微观热-力耦合模型及其有限元计算

基于率相关的晶体塑性滑移理论,论文考虑晶体内部塑性变形产生的热以及快速热冲击作用下温度急剧变化产生热应力的热-力双向耦合效应,建立起微观单晶的瞬态热-弹-塑性耦合模型,推导出与温度有关的剪应变率和弹塑性切模量公式.根据论文建立的模型,对ABAQUS软件进行二次开发[1],数值模拟出<001>/{100}单晶Cu在单轴拉伸状态下的应力、应变与温度的关系和弹性模量的变化,结果如下:轴向应力随温度升高先呈线性增加再呈非线性减小,轴向应变随温度增加而增加;弹性模量随塑性变形的增加而降低,与分子动力学模拟的趋势[2]是一致的.数值实验表明,论文建立的模型和算法是正确合理的,且计算量远远小于分子动力学模拟.     

多壁碳纳米管/环氧树脂纳米复合材料的摩擦磨损性能研究

采用浇铸法,利用超声分散制备了多壁碳纳米管(MWNTs)/环氧树脂(EP)纳米复合材料,研究了MWNTs的添加量及分散程度对复合材料表面形貌和摩擦磨损性能的影响,并探讨了影响MWNTs/EP复合材料摩擦磨损性能的因素.结果表明:随着MWNTs加入量的提高(1%～4%),复合材料的摩擦系数和磨损率均呈现降低趋势,摩擦系数由0.60降到0.22,磨损率由1.11×10-4mg/(N·m)降为2.22×10-5mg/(N·m);在MWNTs添加量(1%)相同的情况下,MWNTs分散程度高的复合材料的摩擦性能更好.纯环氧树脂与45#钢对摩时发生粘着磨损和疲劳剥落,而由于MWNTs的增强和自润滑作用,MWNTs/EP复合材料的粘着磨损和疲劳剥落显著减轻.     

冷质部件支撑结构中压杆的热过屈曲分析

以圆杆式冷质量支撑结构中的压杆为研究对象,考虑了材料线膨胀系数α随温度非线性变化的特性及材料本构关系的非线性,基于轴线可伸长原理建立了压杆的热过屈曲数学模型;利用打靶法分别分析了材料本构关系取线性模型和非线性模型时的压杆热屈曲过程,并对二者进行了对比。研究结果表明:无论材料本构关系采用线性模型还是非线性模型,当α取常数时临界屈曲温度与柔度无关;而当α随温度非线性变化时,柔度则对临界屈曲温度产生影响;在同一柔度下,考察α对屈曲特性参数的影响规律时材料本构关系的非线性特性不可忽略;在非线性本构关系下线膨胀系数随温度非线性变化时可得到最大轴向载荷、最小横向支座反力、最小轴线总伸长量;较小的横向支座反力可以有效减小支撑结构中心收缩位移,较小的轴线总伸长量可以有效减小压杆周向固定端连接处应力。     

曲率半径对前缘气动热与结构响应的影响

针对高超声速飞行器铌合金前缘结构, 研究了不同曲率半径对前缘结构 温度场、应力场和变形场的影响. 首先建立高超声速气动加热模型, 采用有限体积法得到热 环境参数, 并运用有限元法计算结构的温度、应力和变形. 结果表明: 不同时间的温度场分 布和曲率半径密切相关, 温升过程中应力最大值出现在曲率半径为1\,mm时; 随时间推移, 曲 率半径越大应力越低; 而位移随曲率半径的增加而增大.     

温度场作用下悬臂输流碳纳米管的颤振失稳分析

以非局部弹性理论为基础,采用欧拉-伯努利梁模型,考虑碳纳米管的小尺度效应,应用哈密顿原理获得了温度场作用下的悬臂输流单层碳纳米管(SWCNT)的振动控制方程以及边界条件,依靠微分变换法(DTM法)对此高阶偏微分方程进行求解,通过数值计算研究了温度场中悬臂单层输流碳纳米管的振动与颤振失稳问题.结果表明:管内流体流速、温度场中温度变化情况与小尺度参数都会对系统振动频率以及颤振失稳临界流速产生影响.其中,小尺度效应将会降低悬臂输流系统的稳定性,使系统更为柔软;而高温场与低温场对系统动态失稳的影响不同,低温场中随温度变化值的增加,系统的稳定性提高;高温场这一作用效果恰好与之相反.     

热冲击下物性与温度相关性对热弹性响应的渐进分析

计及材料物性与温度的相关性,基于Green-Naghdi能量无耗散广义热弹性理论(G-N II理论),对热冲击下具有变物性特征材料的热弹性响应进行了求解分析。借助Laplace正、反变换技术以及Krichhoff变换,在热物性参数随真实温度呈线性规律的前提下,推导了半无限大体受热冲击作用时热弹性响应的解析表达式,通过求解分析,得到了热冲击下热波、热弹性波的传播规律,位移场、温度场以及应力场的分布情况,以及物性随温度相关性对热弹性响应的影响效果。结果表明：当考虑材料物性随温度的变化时,热波、热弹性波的传播以及各物理场的分布均受到不同程度的影响,且物性随温度相关性对热弹性响应的作用效果将受到材料热-力耦合特性的影响。     

热冲击下温度相关物性对热弹性响应的渐进分析

计及材料物性与温度的相关性,基于Green-Naghdi能量无耗散广义热弹性理论(G-N II理论),对热冲击下具有变物性特征材料的热弹性响应进行了求解分析.借助Laplace正、反变换技术以及Krichhoff变换,在热物性参数随真实温度呈线性规律的前提下,推导了半无限大体受热冲击作用时热弹性响应的解析表达式,通过求解分析,得到了热冲击下热波、热弹性波的传播规律,位移场、温度场以及应力场的分布情况,以及物性随温度相关性对热弹性响应的影响效果.结果表明:当考虑材料物性随温度的变化时,热波、热弹性波的传播以及各物理场的分布均受到不同程度的影响,且物性随温度相关性对热弹性响应的作用效果将受到材料热-力耦合特性的影响.     

实践十号卫星项目——热毛细对流振荡特征的地面研究

上部开口环形液池在水平径向温度梯度作用下会出现内部温度和自由面的振荡,本文研究了二者发生的临界条件.环形液池内柱加热外壁制冷,以0.5℃/min的速率线性升温得到水平径向温差,T型热电偶测量液层内部单点温度,高精度激光位移传感器测量液层自由面某点形变.随两端温差增加,当超过某一临界温度△T_(cr)时,开始出现振荡.实验结果表明,对同一种硅油,两种振荡的临界条件随液层厚度具有相同的变化趋势.对不同普朗特(Prandtl)数(Pr)的硅油,振荡临界条件临界马兰哥尼数(Ma_(cr))随着邦德数(Bo)的增加而变大.本文工作是中国科学院科学先导专项SJ-10返回式科学实验卫星项目-热毛细对流表面波空间实验研究的地面研究结果,该工作为空间实验提供前期的基础科学研究数据和实验保障.     

升温热冲击环境下超高温陶瓷材料抗热震性能的热-损伤模型

在现有的抗热震理论基础上考虑到超高温陶瓷材料热物理性能对温度的敏感性及损伤在其使役历程中随温度的演化,建立了适用于升温服役环境下表征超高温陶瓷材料抗热震性能的热-损伤模型。该模型考虑了微裂纹尺寸、密度、热冲击环境温度等因素对材料抗热震性能的影响。利用此模型研究了超高温陶瓷材料在升温服役环境下损伤以微裂纹形核规律演化时对其抗热震性能的影响。从理论上验证了基于材料微结构设计思想在制备超高温陶瓷材料时,引进一定密度一定尺寸的微裂纹并控制其随温度演化规律以形核方式进行,既可以使材料保持较高的强度又能大幅度提升材料的抗热震性能。     

碳纳米管增强硫化天然橡胶拉伸性能的分子动力学模拟

基于分子动力学(MD)模拟方法,建立了碳纳米管/硫化天然橡胶复合材料体系模型,采用ReaxFF势函数,模拟了不同碳纳米管(CNT)含量的复合材料的拉伸过程.通过计算复合材料体系的自由体积分数、均方位移及回转半径,分析了材料基本微观性质和碳纳米管团聚的机制,计算结果与实验相符.通过碳纳米管与硫化天然橡胶界面能的计算,发现在加载过程中系统总势能的变化主要由硫化天然橡胶基体引起,其中非键能起主导作用;碳纳米管由于其自身力学性能较好,且与天然橡胶分子链相互作用产生界面能,导致材料力学性能提升,材料的屈服应力随碳纳米管含量的增加而显著升高.     

微波烧结陶瓷热均匀性的三维模拟研究

利用有限元软件COMSOLMultiphysics,考虑了温度和孔隙率敏感的电磁学、热力学和力学的材料性质,基于烧结的连续介质力学建立了耦合电磁-热-力的多物理场、单模微波腔内烧结陶瓷材料的三维模型,实现了整个微波烧结过程的数值模拟,并与实验数据进行了对比,验证了有限元模型的合理性。通过该模拟研究了在烧结过程中材料内的电场、温度和致密化的分布和变化。结果表明,在高介电损耗材料基座作用下,低损耗材料迅速升温,来自微波的电能转换成热量,并观察到显著的介电耦合现象。微波烧结陶瓷材料的结果显示出了加热行为对电磁场分布、材料的介电性能、热力学性能和温度分布的复杂依赖性。试样剖面的温度和温度梯度演变图显示出微波烧结过程中不规则的温度分布情况。这种不均匀性主要是由粉体材料不均匀的电特性和电场分布决定的。本文建立的COV(变异系数)误差图显示出粉体材料微波烧结过程中随温度增加而产生的热异质性。     

碳纳米管复合橡胶磨损颗粒物影响因素的试验研究

碳纳米管复合橡胶轮胎是一种应用前景非常广阔的新型高性能轮胎，然而碳纳米管复合橡胶轮胎磨损颗粒物(TWPs)安全性隐患为这类轮胎的广泛应用带来了极大的不确定性. 采用自行设计的摩擦磨损试验机，研究了碳管含量、负载、滚动速度和滑移率对碳纳米管复合橡胶磨损颗粒物性态的影响，分析了这些因素与磨损颗粒物性态及橡胶磨损机理的关系. 结果表明:碳纳米管能够显著增强橡胶耐磨性能并降低胎面温度，增加碳纳米管含量可以有效抑制磨损颗粒物特别是微小颗粒物(≤3 μm)数量. 碳纳米管可以使复合橡胶硬度增加，使微小磨损颗粒物的增长速率高于未添加CNTs的橡胶. 力-化学效应导致的胎面热氧化发黏现象会使磨屑更易团聚粘附在胎面，从而减少微小磨损颗粒物排放. 负载变化主要影响胎面磨损形态，速度和滑移率变化主要影响胎面附着的颗粒物数量和状态. 研究结果可以为防控碳纳米管复合橡胶因磨损而导致的次生危害提供科学参考.      

广义热弹模型的热力学基础与瞬态响应

微纳科技的快速发展与超短脉冲激光技术的广泛运用, 对描述微纳尺度超快热冲击的广义热传导及其热弹耦合理论提出迫切需求. 基于拓展热力学原理, 本文建立了考虑热传导双相滞后效应和高阶热流率的广义热弹耦合理论. 类比于力学领域黏弹性本构关系的串联、并联模型, 并受Green-Naghdi (GN)广义热传导模型启发, 本文提出了热学“弹性”单元和“黏性”单元模型, 并采用串联、并联方法实现了Cattaneo-Vernotte (CV)、GN、双相滞后(DPL)和Moore-Gibson-Thompson (MGT) 热传导模型的重构. 理论推导进一步表明, 本文新建模型对应于热学Burgers模型, 并得到了新模型中各相位滞后中松弛时间之间的比例关系. 运用拉普拉斯变换方法, 研究了一维结构受边界热冲击和移动热源作用下的瞬态响应, 计算结果表明: 新模型克服了热波速度无限大的悖论; 仅有边界热冲击载荷时, 新模型得到的响应结果均较大, 响应范围最小; 相比于无热源作用情形, 受移动热源作用时, 新模型会产生更大的峰值响应. 新模型与经典弹性理论耦合构建了广义热弹性理论, 运用该理论, 可以清晰观察到在热波和弹性波波前的应力突变. 理论方面, 本文推动了拓展热力学与连续介质力学的结合, 对于远离平衡态极端力学基础理论问题的研究具有启发意义; 应用方面, 本文研究结果可为激光等移动热源作用下材料的瞬态响应分析提供理论基础和数值方法.      

碳纳米管网格对碳纤维复合材料层间剪切性能的影响

采用正压过滤法制备了不同厚度的多壁碳纳米管(Multi-walled carbon nanotubes,MWNTs)网格,并将制得的MWNTs网格并入碳纤维层合板的层间界面,研究了网格对层合板II型层间断裂韧性(G_(IIC))和层间剪切强度(ILSS)的影响.结果表明,约20!m厚的多孔MWNTs网格使复合材料的G_(IIC)和ILSS分别提高了约69%和24%.微观断面表明,连续的纳米网格显著提高了碳纤维和树脂基体的界面粘接性能,在剪力作用下,从典型的树脂脆性断裂以及纤维-树脂界面脱粘过渡到MWNTs增强树脂区域内的韧性断裂,一定厚度的MWNTs网格对层间区域起到了良好的增韧效应.     

位错热激活滑移的数值模拟

在三维离散位错动力学模型中,用Langevin力描述温度对位错的影响作用,模拟了位错克服晶格Peierls应力与阻尼应力的滑移过程．模拟结果表明,位错克服Peierls应力的热激活效应随温度的升高而增大,随应变率的增高而减小．利用热激活本构模型描述了位错热激活滑移过程,拟合了Peierls应力的激活能,结果表明含温度的离散位错动力学模型能较正确地模拟位错的热激活滑移过程．但Peierls阻碍的非离散化处理使激活能与指前因子均随温度升高而增大,这表明离散位错动力学模型模拟Peierls阻碍存在不足之处,其本质原因是介观级的位错动力学模型目前还无法正确模拟微观级的位错芯性质．     

温度对灰砂岩物理特征及抗拉强度影响的试验研究

为研究温度对灰砂岩物理特征及抗拉强度的影响,利用对径压缩试验对经历不同温度的灰砂岩圆盘试件的力学特性进行分析,结合动态信号测试分析系统实时监测并记录试件中部侧向应变,采用非金属超声检测分析仪、SEM等手段对经历不同温度的灰砂岩纵波波速、微观结构等特征进行表征。试验结果表明:1高温导致灰砂岩质量与纵波波速分别降低了3.83%与50.03%,损伤程度逐渐增大,且在经历温度为600℃时发生突变;2灰砂岩抗拉强度随经历温度的升高而减小,近似服从负线性分布,峰值压缩变形量与峰值侧向应变均随经历温度的升高而增大,在经历温度为600℃时发生突变;3高温导致试件颜色由灰白色变为淡黄色,断面起伏度降低,裂隙数量与裂隙类型增加。上述研究成果可以为热作用下地下结构稳定性的研究提供参考。     

T型槽端面密封气膜热弹流润滑动态稳定性

对T型槽端面密封气膜热弹流润滑动态稳定进行了分析. 考虑端面热变形和弹性变形以及辅助密封的阻尼特性，数值分析了不同振动频率下密封气膜动态压力分布和温度分布规律，并利用小扰动方法分析了外界扰动频率对气膜刚度、阻尼和振幅的影响规律. 结果表明:高压和高速条件下，密封端面的弹性变形和热变形产生发散间隙，导致密封气膜厚度显著降低；外界扰动产生附加压力和温度分布，刚度随扰动频率的增加而迅速增加，阻尼随扰动频率的增加而迅速下降；一定扰动频率范围内，轴向振幅与扰动频率成对数线性关系增加，辅助密封阻尼使得密封气膜的振幅显著上升.      

激光脉冲加热的二维广义热弹性问题研究

基于L-S广义热弹性理论,研究了半无限大板局部受到激光脉冲加热时的广义热弹性问题.为避免常规积分变换方法求解带来的精度丢失,采用有限元法直接在时间域进行求解,得到了激光脉冲加热时板中的温度、位移及应力的变化规律.结果表明,直接求解方法可以准确描述热在介质中以有限的速度传播,同时发现,激光脉冲加热过后,结构的最高温度随着时间的推移逐渐降低,且最高温度的位置总在热波波前附近,此处的应力也明显高于其他区域.     

高强度钢板热成形技术及力学问题研究进展

高强度钢板热成形技术是将传统的热处理技术(淬火)与冷冲压技术相结合的最新制造工艺,可以成形强度超过1 600 MPa的超高强度钢板.本文首先介绍了热成形技术的原理、一次及多次成形工艺和热成形过程中的核心制造技术;随后分析了热成形过程中材料的微观组织及力学性能变化,包括成形前、成形中及成形后材料性能的演变,介绍了与温度、马氏体转变速率相关的高温奥氏体材料模型,指出了其在热成形过程中的应用方法;研究了高强度钢板热成形材料的成形性能:分析了硬化指数n值对材料高温成形性的影响,并给出了最佳n$值温度区间;介绍了材料初始轧制各向异性对材料性能的影响,实验结果说明在热成形温度下晶格的各向异性将消失.对热成形过程中材料的本构关系进行了介绍:重点介绍了热、力及相变耦合本构模型;对热成形过程中的多相材料热力学参数和力学性能进行等效分析的混合定律进行了说明;介绍了相变体积应力及相变塑性应力等新概念;随后对热成形数值模拟技术进行了介绍:重点介绍了自主开发的KMAS(King-Meshanalysis sytem)热成形软件的动力显示、静力显示算法及温度场模拟技术;说明了将材料的高温性能引入接触与摩擦模型的接触控制参数的概念;随后基于车身碰撞力学的分析,介绍了热成形钢板在车身中应用的设计方法.最后对热成形技术今后的研究作出了展望.      

热环境中旋转运动功能梯度圆板的强非线性固有振动

研究热环境中旋转运动功能梯度圆板的非线性固有振动问题．针对金属－陶瓷功能梯度圆板,考虑几何非线性、材料物理属性参数随温度变化以及材料组分沿厚度方向按幂律分布的情况,应用哈密顿原理推得热环境中旋转运动功能梯度圆板的非线性振动微分方程．考虑周边夹支边界条件,利用伽辽金法得到了横向非线性固有振动方程,并确定了静载荷引起的静挠度．用改进的多尺度法求解强非线性方程,得出非线性固有频率表达式．通过算例,分析了旋转运动功能梯度圆板固有频率随转速、温度等参量的变化情况．结果表明,非线性固有频率随金属含量的增加而降低;随转速和圆板厚度的增大而升高;随功能梯度圆板表面温度的升高而降低．