光纤布拉格光栅传感器应变传递双向耦合分析

粘贴于受弯基体表面的光纤布拉格光栅传感器测量应变与基体真实应变之间存在误差,因此研究光纤布拉格光栅传感器的变形机理、分析测量应变与真实应变之间的关系是目前的研究热点.首先研究光纤布拉格光栅传感器与基体之间的相互作用机理,然后,利用有限元解、实验值和理论解进行对比验证,并分析产生误差的原因.最后,通过参数分析研究弹性模量、厚度、粘结长度等参数对光纤布拉格光栅传感器测量效果的影响.结果表明有限元解、实验值和理论解具有相同的变化趋势,有限元解与理论解的误差在2%以内,测量值与理论解的误差在7%以内.平均应变传递率随着基体弹性模量的增大、粘结长度的增长而逐渐增大,随粘结层弹性模量的减小、粘结层厚度的增大而逐渐减小.该理论对应用于受弯基体应变测量的光纤布拉格光栅传感器的设计具有一定的指导意义.     

功能铁磁材料的变形与断裂的研究进展

综述了近几十年, 特别是近十几年来铁磁材料的力磁耦合变形与断裂行为的研究概况. 传统铁磁弹性问题的研究已经有较长时间的积累, 文献中已有大量的研究结果发表. 近些年 来, 随着智能材料及结构应用与研究的兴起, 功能铁磁材料如稀土超磁致伸缩材料、铁磁相 变材料以及铁磁复合材料等的力学行为越来越受到重视, 人们在功能铁磁材料的变形与断裂 以及铁磁复合材料的有效性质等方面开展了大量的研究工作. 本文在简单介绍了经典铁磁弹 性和传统铁磁结构的力磁性能的研究背景基础上, 结合作者近年来在铁磁材料变形与断裂方 面所开展的工作, 着重评述了功能软铁磁材料在变形与断裂的实验研究,如实验设备和技术, 以及铁磁复合材料细观力学、软铁磁材料、铁磁功能材料的变形与断裂理论等方面的研究进 展, 并指出了需要进一步研究的方向.     

对角受拉方膜褶皱变形幅值的理论预测及实验验证

柔性薄膜结构广泛应用于航天飞行器的关键部件.形面平整度是影响薄膜结构性能的主要因素之一.褶皱幅值是评价薄膜反射面天线形面平整度的重要指标.褶皱幅值的大小与垂直于褶皱方向的横向应变密切相关.本文基于薄板稳定性理论,针对对角受拉方形薄膜建立了一个能够准确预测其褶皱变形幅值的理论模型.该模型考虑了横向拉伸力对薄膜变形的影响,将垂直于褶皱方向的位移分解为由泊松效应造成的横向收缩位移、由面外变形造成的褶皱位移以及由横向拉伸力造成的拉伸位移三个部分,重新推导了褶皱幅值的理论公式.基于数字图像相关技术,对受拉方形薄膜进行了散斑实验测试.利用双目视觉三维测量系统,测量了方形薄膜的三维位移场,获得了薄膜的三维变形形貌和褶皱波形图,研究了褶皱幅值与拉伸载荷之间的非线性关系.与已有理论模型相比,该模型进一步提高了褶皱幅值的计算精度,与实验结果吻合良好.本文呈现的理论研究可为精确数值模型的建立及算法实现提供有意义的指导.     

ANALYSIS OF GROUNDING CHARACTERISTICS AND STRAIN ENERGY OF RADIAL TIRES WITH RADIAL STIFFNESS1)

利用轮胎综合试验机对径向刚度下子午线轮胎进行性能试验,采用正交试验法针对不同胎压、垂向载荷下轮胎的接地特性进行分析,结合仿真软件ABAQUS与试验进行对比。结果表明,橡胶材料Mooney-Rivli模型也具有一定的适用性,胎压增大时径向刚度发生线性变化,胎面印痕由椭圆形转变成近似矩形,印痕面积略微增大;随着胎压的不断增大,胎面印痕的面积显著减小,接触面的压力主要集中在胎肩,胎冠处也有所增加;胎压一定时,垂向载荷逐渐增大时,整个印痕面的应力呈对称分布,印痕面应力由内高外低逐渐向外高内低变化。建立数学模型与有限元软件同时对轮胎进行应变能分析,发现在低胎压150 kPa下受载荷时轮胎容易发生微小侧向位移同时发生变形,此时极易引起迟滞损失并造成应变能急剧增加。     

界面增强多晶点阵结构的耐撞吸能性能

3D打印技术有力促进了金属点阵材料的发展,而碰撞吸能是点阵材料的重要应用领域之一,为此综述了课题组近期在界面增强点阵吸能方面的研究。受金属材料微观变形机理中晶界强化机制的启发,通过在点阵结构中引入晶界和孪晶界等宏观界面构型,构造了含多个界面的多晶点阵结构,研究其耐撞吸能性能。具体而言,构造了胞元构型为简单立方、面心立方和三斜晶系的不同多晶点阵结构试件,通过一系列参数化有限元模拟,并结合增材制造技术开展验证性实验,研究了晶粒尺寸(晶界密度)、界面两侧晶向差、界面取向角度等参数对结构压溃变形模式和吸能性能的影响,发现对称性强的界面(如孪晶界)可以增强点阵结构的吸能性能。进一步研究发现,描述材料微观强化机理的Hall-Petch关系仍然适用于所提宏观多晶点阵结构。该研究可为发展新型轻质点阵吸能结构提供一定的参考。     

含有小尺寸分层缺陷复合材料压力容器的应变响应及分析

采用乙烯基酯树脂预浸料,利用缠绕法制造了ECR耐腐蚀玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料压力容器,在水压试验过程中基于电测法测量压力容器筒体的应变变化情况,结合Abaqus/Explicit有限元模拟重点预测了含有内部分层缺陷的压力容器在外载荷作用下的应变响应。试验和模拟结果表明:该有限元模型的结果与实验结果的相对误差小于12%;当含有内部分层缺陷(缺陷直径分别为10、20、30、40和50 mm)的复合材料压力容器受到位移载荷时,周向应变是主要应变,最大纵向应变和Mises应力位置与加载位置重合,且最大Mises应力随分层面积的增加而增大。     

考虑介质膨胀速率的锂离子电池管状电极中扩散诱导应力及轴向支反力分析

硅作为锂离子电池阴极材料相对于传统负极材料具有高比容量,价格低廉等优势.本文针对充电过程中锂离子电池中电极建立力学模型和扩散模型,并在扩散模型引入考虑介质膨胀速率的影响.以硅空心柱形电极为例,分析了恒流充电下介质膨胀速率对电极中扩散诱导应力分布的影响,并研究了不同内外半径比、充电速率、材料参数以及锂化诱导软化系数(lithiation induced softening factor,LISF)对轴向的支反力达到临界欧拉屈曲力所需时间的影响.结果表明,随着电极中锂浓度上升,介质膨胀速率对应力分布的影响增大,对轴向的支反力影响较小.弹性模量和应力成正比,但其与轴向的支反力达到临界欧拉屈曲力所需时间无关;扩散系数与所需时间成反比;偏摩尔体积增大时,达到临界屈曲力所需时间减少;随着LISF绝对值增大,完全锂化时轴向力降低.     

PVDF梳状换能器接收非线性兰姆波的实验研究*

该文基于PVDF压电薄膜对梳状换能器进行设计制作,并将该换能器应用于接收非线性兰姆波信号实验研究。首先通过输出矢量和方法分析PVDF梳状换能器的工作特性,然后将设计制作的PVDF梳状换能器应用于铝板中非线性兰姆波信号的接收,并与传统压电陶瓷换能器经斜劈接收的非线性兰姆波信号进行比较分析。实验结果表明,两种换能器所接收到的信号幅值随传播距离的变化趋势相近,线性增长的积累效应表征结果相似,且PVDF梳状换能器可以对基波和二次谐波信号同时响应。除此之外,PVDF梳状换能器用于接收非线性兰姆波信号更加稳定。因此,PVDF梳状换能器有望应用于复杂构件的在线检测与监测研究。     

子午线轮胎接地特性和应变能分析试验与仿真研究

利用轮胎综合试验机对径向刚度下子午线轮胎进行性能试验,采用正交试验法针对不同胎压、垂向载荷下轮胎的接地特性进行分析,结合仿真软件ABAQUS与试验进行对比。结果表明,橡胶材料Mooney–Rivli模型也具有一定的适用性,胎压增大时径向刚度发生线性变化,胎面印痕由椭圆形转变成近似矩形,印痕面积略微增大;随着胎压的不断增大,胎面印痕的面积显著减小,接触面的压力主要集中在胎肩,胎冠处也有所增加;胎压一定时,垂向载荷逐渐增大时,整个印痕面的应力呈对称分布,印痕面应力由内高外低逐渐向外高内低变化。建立数学模型与有限元软件同时对轮胎进行应变能分析,发现在低胎压150 kPa下受载荷时轮胎容易发生微小侧向位移同时发生变形,此时极易引起迟滞损失并造成应变能急剧增加。