金属增材制造若干关键力学问题研究进展

金属增材制造是一种兼顾复杂结构和高性能构件成形需求的颠覆性制造技术, 在航空、航天、交通、核电等领域具有广阔的应用前景和发展空间. 该技术大规模推广应用所面临的制造效率和控形保性挑战是一个涉及力学、光学、材料、机械、控制等多学科交叉的难题. 本文针对其中涉及的若干关键力学问题, 阐述了近年来国内外在面向金属增材制造的结构拓扑优化设计、制造过程数值模拟、成形材料与结构的缺陷表征和性能评价方面的研究进展, 并对金属增材制造的结构设计?制造模拟?性能评价的发展趋势进行了展望.      

高温下C/SiC复合材料弯曲断裂性能实时测试和微观结构表征分析

采用先驱体浸渍裂解法制备三维编织的C/SiC复合材料,利用自主研发的高温散斑制作技术和改进的三维变形光学测试系统,基于数字图像相关技术测试原理,在高温小尺度下实时表征分析C/SiC复合材料的力学性能。运用X射线衍射和扫描电子显微镜测试分析了材料高温氧化情况、显微组织结构及裂纹扩展情况。研究表明:温度对C/SiC复合材料的性能有很大的影响。随着温度的升高,材料由脆性断裂逐渐转变为韧性断裂;材料的断裂韧性由7.98±0.12MPa·m~(1/2)减小到2.76±0.11MPa·m~(1/2),断裂强度从251.40±2.71MPa减小到86.94±1.82MPa。本文为掌握C/SiC复合材料的高温失效机理提供了一种有效的实验测试技术和方法。     

扫描隧道显微镜纳米云纹法的实验研究

提出了应用扫描隧道显微镜(STM)纳米云纹法测量面内位移的原理。测量中,把扫描隧道显微镜的探针扫描线作为参考栅,把物质原子晶格栅结构作为试件栅,对这两组栅线干涉形成的云纹进行了纳米级变形测量。对扫描隧道显微镜纳米云纹的形成原理及测量方法进行了详尽的讨论,并运用该方法对高定向裂解石墨(HOPG)的纳米级变形虚应变进行了测量研究,得到了随扫描范围变化的虚应变场,并与理论值进行了比较。     

清华大学破坏力学教育部重点实验室研究工作进展(2005-2008年)

国家教委于1993年12月批准成立破坏力学开放研究实验室(failure mechanics laboratory, FML),挂靠在清华大学工程力学系,1999年正式命名为破坏力学教育部重点实验室.自1994年以来,在教育部和清华大学的领导与支持下,作为重点学科固体力学中的骨干研究基地,FML在科研上承担了众多国家重点科技攻关项目、"973"和"863"项目以及国家自然科学基金重大、重点和面上项目,取得了多项国家和部委级的科技成果奖和人才奖,在科研和人才两方面取得了显著的成绩.     

材料学科的迅速发展对固体力学提出的挑战－中国科协青年科学家第96次论坛会议简介

2005年5月21日～23日,“青年科学家论坛”第96次活动在湖南湘潭盘龙山庄举行,包括3名院士、20名“长江学者”特聘教授或者国家杰出青年基金获得者等共39名青年科学家和政府官员共同探讨“材料学科的迅速发展对固体力学提出的挑战”．本次论坛由中国科协主办、中国力学学会和湘潭大学共同承办,执行主席由清华大学方岱宁教授、同济大学仲政教授和湘潭大学周益春教授共同担任．中国科学院白以龙院士,哈尔滨工业大学杜善义院士、     

超轻多孔金属材料的多功能特性及应用

超轻多孔金属是近年来随着多样化需求的材料制备以及机械加工技术的迅速发展而出现的一类新颖多功能材料, 是材料的选择及其性能研究的新课题. 本文介绍有关多孔金属材料与结构基础研究的国内外研究现状和发展趋势, 涉及材料制备、性能表征等方面, 着重于探讨多孔金属的多功能复合特性及其在国民经济和高技术中的应用.      

微薄梁三点弯曲的尺度效应研究

应用高灵敏度的力传感器以及时间序列电子散斑干涉法，同时测出了不同厚度纯镍薄片三点 弯曲试件的抗力与变形，得到薄梁中心点处的载荷与挠度曲线. 应用Fleck和Hutchinson 的偶应力理论，结合平面应变弯曲模型，建立了薄梁处于弹性状态和弹塑性状态的 控制方程, 应用Runge-Kutta法进行数值求解，并将计算得到的载荷-挠度曲线以及无量纲化弯矩-表面 应变曲线和实验结果进行了比较. 在理论计算过程中，没有拟合任何材料参数，所有的材料 参数均来自实验测量的结果，材料特征尺度也是根据Stolken和Evans的工作给出 的. 结果表明: 应用偶应力理论预测的结果和实验结果符合良好，而经典理论的预测结果与 实验不相符合.     

功能材料双轴拉伸十字板试件的优化设计

在对Demmerle和Boehler提出的一个基于试件实验区应力标准差的数学判据进行修正的基础上,将这一判据应用于有限元方法中,通过 ABAQUS有限元软件计算出试件实验区的应力分布,结合Powell优化设计方法,实现了对各向同性形状记忆合金材料双轴拉伸十字板试件的最优化设计.优化设计所得试件的应力位移分布图与原有的Kelly试件迸行了比较,结果表明经过优化的试件在满足双轴试验要求方面有了明显的改进.同时验证了在各向同性材料下优化所得的试件同样适用于各向异性材料.最后,对形状记忆合金相变过程在试验区中引起的应力应变变化进行了数值模拟,其结果表明优化试件完全能够满足记忆合金材料双轴实验的要求.     

力电耦合载荷作用下铁电陶瓷破坏行为的云纹干涉方法研究

本文介绍了如何用云纹干涉法实时地观察铁电陶瓷在力载荷和电载荷共同作用下裂尖的破坏行为．测量了三点弯试验中由电场和应力集中导致的裂尖的变形场．对变形的云纹图分析表明：当极化方向与裂纹扩展方向一致，且都与电场方向垂直，裂尖附近的正应变随电场的增加而增加，应变集中现象比较突出，电场促进和加速了裂纹的扩展．     

铁电复合材料的力电耦合行为

对铁电复合材料力电耦合行为的研究进行综述．介绍了铁电复合材料的一些基本特点和线性压电有效性能的研究进展．阐述铁电复合材料中由于铁电相的铁电畴变与铁弹畴变以及基体相的弹性、粘弹性和介电弛豫性质所引起的铁电复合材料的非线性力电耦合行为．介绍了基于细观力学方法对铁电复合材料的本构关系进行研究的一些结果．