材料力学 教学中的编程实践1)——————应力状态分析

介绍了利用Excel中的VBA语言进行材料力学教学中的编程实践,制作交互式的动画,让抽象的概念和枯燥的理论知识变得形象和生动化。 通过动画及其工程应用展示,能够帮助学生培养解决复杂工程问题的能力。 此外,由于该编程入门简单,也可以通过实践性的大作业帮助学生提升编程能力和计算机的应用水平,从而能够更好地适应科技的发展和复合型工科人才培养的需求。     

Prediction of Concrete Meso-Model Stress-Strain Curves Based on GoogLeNet北大核心CSCD

非均质复合材料的宏观力学性能往往取决于细观组分的分布方式和力学性能，但是建立明确的关系表达式极其困难。为了应对这一挑战，以混凝土为研究对象，提出了一种基于深度学习的策略，能够高效、准确地通过细观模型图像信息获取应力-应变曲线。首先，使用基于卷积神经网络（convolutional neural network，CNN）的GoogLeNet模型进行图像信息识别和提取，并针对应力-应变曲线的复杂性特点，进行了数据预处理操作，并且设计了相应的多任务损失函数。数据集中的细观模型图像采用基于Monte-Carlo的随机骨料模型生成，并且使用数值模拟试验获取对应细观模型的单轴压缩应力-应变曲线。最后，通过对神经网络的训练和测试评估了所提出方法的可行性。结果表明，GoogLeNet模型训练效率和预测精度均优于AlexNet和ResNet模型，具有良好的泛化能力和鲁棒性。     

应力为SGBVE分布强度为指数分布下结构可靠度的估计

考虑了应力服从SGBVE分布,强度服从指数分布的应力—强度模型,分别在应力参数未知和部分强度参数未知的情形下给出了该模型可靠度的估计,并讨论了其性质.     

强激光与亚临界密度等离子体相互作用中的近前向散射驱动光子加速机制

通过二维粒子模拟(particle-in-cell)方法研究了强激光与亚临界密度等离子体相互作用中的近前向光子加速机制.该机制利用强激光在亚临界密度气体传输过程中的电离效应产生在纵向和横向上密度分布不均匀的电子等离子体.在纵向上,入射激光电离氦气产生一个陡峭的电子密度前沿分布.在密度前沿处,入射激光与电子等离子体波作用发生近前向散射.散射光频率较激光频率增大,在频谱中产生了第一个特征峰.在横向上,密度不均匀造成电子等离子体波具有不同的相速度并与入射激光相互作用,使入射激光发生近前向散射,在频谱中产生了第2个特征峰.由于密度分布的不均匀性较电子等离子体波的密度扰动大得多,因此基于微扰理论的散射模型和色散关系,如受激拉曼散射,无法解释频谱中两个特征峰的出现.进一步研究发现:在密度不均匀的情况下,入射激光、电子等离子体波和散射光三者之间仍满足动量和能量守恒的三波耦合关系.这能够解释两个特征峰对应的频率和强度增长过程.该研究对于强激光在亚临界密度气体传输过程中的频谱演化具有重要参考意义.     

多阶式层级梯度蜂窝结构的共面冲击响应

为改善蜂窝结构共面的力学性能,基于传统六边形蜂窝结构,建立了六边形层级蜂窝结构,并利用层级蜂窝代替传统六边形蜂窝部分胞元层,复合成一种新型多阶式层级梯度蜂窝结构。利用显式动力学有限元方法研究了层级梯度蜂窝的共面在不同冲击速度作用下的冲击响应特性和能量吸收能力。研究结果表明：层级梯度蜂窝的变形模式与塑性坍塌强度和冲击速度有关;层级梯度蜂窝冲击端和固定端在不同冲击速度作用下的名义应力-应变曲线均与其变形模式有关;不同的复合方式会导致层级梯度蜂窝具有不同的平台应力和比吸能,且在高速冲击时其平台应力比传统六边形蜂窝提高45.4%～63.8%,能量吸收提升10.8%～34.1%。相对密度会影响层级梯度蜂窝的能量吸收能力。     

热-流-固耦合作用下页岩气储层渗透率的演化机制

为了研究热-流-固耦合作用下页岩渗透率的演化机制,考虑热解吸、有效应力和热膨胀对页岩渗透率的影响,提出了页岩的有效应力-渗透率模型,该模型能够分析吸附应变和热膨胀应变对页岩渗透率的影响机制。基于该模型和多孔介质弹性理论,建立了单轴应变条件下页岩气储层的热解吸渗透率模型,该模型能够探讨页岩渗透率随温度和孔隙压力的演化规律。利用室内实验观测的页岩岩样渗透率实验数据,验证了该模型的有效性和准确性。结果表明：(1)热解吸渗透率模型能较好地拟合恒压变温条件下的Marcellus页岩渗透率。(2)探讨了恒温条件下页岩渗透率随孔压的演化机制,发现恒温条件下渗透率的演化规律呈“U形”,温度越高,渗透率随孔压下降的反弹现象越不明显。(3)分析了恒压条件下页岩渗透率随温度的演化机制,发现恒压条件下渗透率随温度的演化规律呈“倒U形”,孔隙压力越大,温度对渗透率的影响越小。(4)分别在恒温和恒压条件下对热解吸渗透率模型进行敏感性分析,发现泊松比越大,渗透率比值梯度越大,孔隙体积模量越大,渗透率比值梯度越小。恒压条件下,当线胀系数大于临界值或朗缪尔体应变小于临界值,渗透率的演化规律不呈现“倒U形”。恒温条件下,...     

双应力平台星形结构的设计与力学性能

为实现多孔格栅类结构平台应力和能量吸收的可调控,提出了一种双应力平台星形结构的设计方法,设计并制备了3种双应力平台星形结构。采用实验、理论分析与数值模拟相结合的方法研究了结构在面内压缩载荷下的力学行为和能量吸收性能。结果表明,双应力平台星形结构的载荷-位移曲线呈现两个明显的平台阶段,结构的几何参数和肋板数对结构变形的稳定性以及平台应力的大小存在显著影响。平台应力的理论预测结果与实验、数值模拟结果吻合较好。通过调整相应的设计参数,能够有效地调控结构在压缩过程中的平台应力和能量吸收能力。为了进一步提高双应力平台星形结构的能量吸收性能,以结构的质量和比吸能为设计变量,进行了多目标优化。采用基于径向基耦合多项式函数代理模型和遗传算法（NSGA-Ⅱ）,使结构比吸能最大化的同时质量最小化。与最初设计的结构相比,优化后结构的质量减小了6.0%,比吸能提高了21.5%。     

自振荡凝胶的仿生运动

定向运动是生命体最基本的功能,是其进化、生存和繁衍的前提。近年来为了研究生命体的运动机制,许多人工系统被相继开发并用于模拟部分生命体的运动行为。在诸多人工仿生系统里,自振荡凝胶由于同时具有内部驱动产生动能、运动定向性、无缆化和环境自适应等性能而备受瞩目。本文介绍了自振荡凝胶仿生运动的化学-机械能转换的理论根源并综述了仿生运动模式研究近期的进展,在此基础上展望了自振荡凝胶运动研究面临的机遇、挑战和未来发展方向。     

等离子体金属纳米结构在SERS传感及可穿戴应力传感中的应用

等离子体金属(金、银)纳米结构因其特有的理化性能,被广泛应用于表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering,SERS)传感及可穿戴应力传感领域。其中,SERS是一种应用贵金属纳米材料增强拉曼散射信号的检测技术,该技术灵敏度高、特异性强,已被广泛用于生物医学、环境监测、食品药品检测等领域。随着电子检测技术和柔性电子材料的快速发展,柔性可穿戴传感技术也得到了快速发展,且取得了大量的研究成果。SERS检测技术主要依赖于贵金属纳米增强基底材料,而基于贵金属纳米结构的可穿戴传感元件对人体微应力、微应变的传感具有极高的灵敏度。SERS增强基底材料与可穿戴应力传感元件材料具有互通互用性,将贵金属纳米SERS基底应用于柔性可穿戴式检测,这是SERS检测技术比较新颖的、尚未深入研究的应用领域之一。该文综述了贵金属溶胶纳米结构的材料组成分类以及该类材料在SERS和可穿戴应力传感中的应用,并分析了胶体贵金属纳米结构组成及成分对SERS传感、可穿戴应力传感灵敏度、可重复性及稳定性的影响,最后展望了贵金属胶体纳米结构在SERS传感和柔性可穿戴应用中的发展趋势。     

基于弹性统计理论的硅橡胶纳米复合材料本构关系的建立

基于考虑了悬垂链的橡胶弹性统计模型,通过引入应变放大因子,建立了硅橡胶纳米复合材料的基于微观机制的本构关系,其中利用硅橡胶分子信息(分子量M、乙烯基含量wt_(Vi)%)、乙烯基反应程度(q)估算获得本构方程中的交联点间链段分子量(Mc),网络链(network strands)体积分数(Φ)等参数,通过拟合确定了与纳米粒子相关的部分参数(初始应变放大因子X_0,极限应变放大因子X_∞,衰减因子z),对掺杂白炭黑的单组分及长短链配合硅橡胶拉伸应力-应变数据进行拟合,在采用相同X_∞,z值情形下,拟合曲线仍能与实测值符合较好(拟合的Adj.R-Square值分别为0.99576、0.99596)。基于微观物理机制的本构关系能够成为联系微观分子结构参数与宏观应力的桥梁,本文工作有望为更有针对性地改进和优化硅橡胶的性能提供依据。