材料断裂力学性能的多场耦合测试与实验教学探讨

金属材料的断裂测试实验是全面了解材料力学性能的重要一环，目前实验教学中广泛采用的方法是通过测定断裂后试样断口的特征裂纹长度来获得断裂韧度，但缺乏对裂纹演化全过程的直接观测，限制了学生对断裂指标判据、破坏形式和断裂机理的深入理解。为了使学生更加直观、全面地掌握断裂力学实验、理解断裂力学行为，本文提出一种多场耦合同步测试材料断裂行为的教学模式：通过高频高精度红外与高速显微数字图像相关技术，对裂尖温度场与应变场进行实时检测，从而实现对裂纹长度的同步测定、裂尖塑性区的可视化表征以及断裂特征的捕捉和分析；结合经典断裂力学理论，对不同条件的断裂韧度教学实验进行了探索和改进。初步教学实践表明，该课程丰富的实验内容和新颖的观测现象可以加深学生对断裂力学理论的理解，从而拓展学生解决实际科学问题的思路。     

基于人工神经网络的颗粒材料本构关系及边值问题研究

颗粒材料被广泛运用于工程实践中,通过数值模拟解决颗粒材料有关的边值问题,对于指导工程实践具有重要意义.通过应用人工神经网络算法,将基于离散颗粒模型的离散单元法与基于连续介质模型的有限单元法有机结合以求解颗粒材料边值问题,形成了一套新的、完整的模型及解决方案,即细观模型离线计算的细-宏观两尺度模型及求解系统.具体为：先基于离散单元法获取颗粒材料的主应力、主应变以及对应的应力-应变矩阵等数据;再将获取的数据利用人工神经网络算法构建在主空间上描述颗粒材料本构关系的人工神经网络模型;最后,通过用户自定义材料子程序UMAT将人工神经网络模型导入ABAQUS中求解颗粒材料边值问题.通过平板受压以及边坡稳定性数值试验,并与经典弹塑性模型求解结果进行对比,表明了训练后的人工神经网络模型能够有效地反映颗粒材料的本构关系,并能够运用于实践求解边值问题,验证了该求解方案的可行性.     

基于微形态模型的颗粒材料中波的频散现象研究

基于颗粒材料冲击与波动响应特性的调控波传播行为的超材料设计受到广泛关注,设计这类材料需要对颗粒材料的波传播机制及调控机理有深入认识.波在颗粒材料中传播的频散现象及频率带隙等行为与材料的非均匀性密切相关,通常讨论频散现象是基于弹性理论框架建立微结构连续体或高阶梯度连续体等广义连续体模型来进行.本研究基于细观力学给出了一个颗粒材料的微形态连续体模型.在该模型中,考虑了颗粒的平动和转动,且颗粒间的相对运动分解为两部分:即宏观平均运动和细观真实运动.基于此分解,提出了一个完备的变形模式,得到了对应于不同应变及颗粒间运动的宏细观本构关系.结合宏观变形能的细观变形能求和表达式,获得了基于细观量表示的宏观本构模量.应用所建议模型考察了波在弹性颗粒介质的传播行为,给出了不同形式的波的频散曲线,结果显示此模型具有预测频率带隙的能力.     

综述：聚合收缩与收缩应力测试方法研究进展

光聚合是材料固化和加工的一种常见方式,其凭借反应迅速、时间空间可控、经济环保等优点,在工业生产领域有着广泛的应用。然而,在实际使用中,材料的本征聚合收缩受到周围刚性基质的约束,在材料内部以及材料与基质交界面处会产生不利的聚合收缩应力,从而严重影响材料的使用寿命。因此,如何准确测量材料的本征聚合收缩及受约束下的收缩应力,实现对聚合收缩应力的主动控制,是提高光聚合材料服役质量和寿命的关键所在。本文首先介绍了材料聚合收缩与收缩应力产生和发展的机理;然后详细综述了国内外聚合收缩与收缩应力的测量方法,并重点介绍了集悬臂梁、近红外光谱和热电偶于一体的光聚合动态多参量耦合测试平台,利用该平台可以实现对聚合收缩、收缩应力和温度的简便一体化测量;最后对改善聚合收缩与收缩应力的测试方法进行展望,以便为相关的理论研究和实验设计提供参考。     

分子动力学模拟金属玻璃板拉伸时剪切带的形成和演化过程

金属玻璃在低温高应力条件下容易生成剪切带而导致结构的破坏，大大限制了它的推广应用。本文采用分子动力学模拟研究了三种Cu64Zr36（不带缺口、一侧带缺口、两侧带缺口）金属玻璃板试样在拉伸过程中剪切带的形成和演化过程及其力学性能。结果表明：不带缺口金属玻璃板试样在低温高应力的拉伸过程中会自发出现局部剪切转变区，发生剪切局部化，继续拉伸会在与加载轴大约成45°方向上形成剪切带。剪切带的形成与剪切转变区的分布和局部化有关，带缺口比不带缺口的试样会更早出现应变局部化，即在较低的拉伸应变下便形成剪切带，其拉伸强度也相应较低。相同条件下，一侧带缺口与两侧带缺口的试样在拉伸强度上几乎相同，但两侧带缺口试样的应变局部化程度稍低，主要是两侧缺口处均出现了剪切转变区，导致其分布和局部化不够集中，这也是形成主剪切带和次剪切带的主要原因。以上结果为进一步从原子尺度理解金属玻璃剪切带的形成和演化特征提供了重要的信息。     

知识与数据交互驱动的力学性能极限研究进展

探索物质力学性能极限是科学研究的前沿,发掘极限力学性能物质(材料或结构)可为国防军工等尖端领域发展提供物资基础.然而,杨氏模量、抗拉强度等力学性能的理论极限未知,引发长期以来悬而未决的争议与迷茫,诸如是否存在比金刚石更刚、更硬的物质?人类是否已经接近材料力学性能的边界?化学元素相互组合可形成无穷物质,仅已知物质结构就多达数百万种且数目仍在快速增长,从中发掘出性能突破现有纪录的物质挑战巨大.知识与数据交互驱动的研究范式源远流长、历久弥新,是发展和革新力学理论的宝典.近年来,在新型知识与数据交互驱动下,研究人员发展了更高效能的物质性能预报理论,确定了若干力学性能的理论极限,设计制备出若干性能接近于理论极限的物质.本文回顾梳理了相关领域的研究现状,探讨了相关领域的发展趋势及其面临的机遇与挑战.     

分子动力学模拟金属玻璃板拉伸时剪切带的形成和演化过程

金属玻璃在低温高应力条件下容易生成剪切带而导致结构的破坏,大大限制了它的推广应用。本文采用分子动力学模拟研究了三种Cu64Zr36（不带缺口、一侧带缺口、两侧带缺口）金属玻璃板试样在拉伸过程中剪切带的形成和演化过程及其力学性能。结果表明：不带缺口金属玻璃板试样在低温高应力的拉伸过程中会自发出现局部剪切转变区,发生剪切局部化,继续拉伸会在与加载轴大约成45°方向上形成剪切带。剪切带的形成与剪切转变区的分布和局部化有关,带缺口比不带缺口的试样会更早出现应变局部化,即在较低的拉伸应变下便形成剪切带,其拉伸强度也相应较低。相同条件下,一侧带缺口与两侧带缺口的试样在拉伸强度上几乎相同,但两侧带缺口试样的应变局部化程度稍低,主要是两侧缺口处均出现了剪切转变区,导致其分布和局部化不够集中,这也是形成主剪切带和次剪切带的主要原因。以上结果为进一步从原子尺度理解金属玻璃剪切带的形成和演化特征提供了重要的信息。