负泊松比材料和结构的研究进展

负泊松比材料和结构具有特殊的力学性能,在单轴压力(拉力)作用下发生横向收缩(膨胀).其在抗剪承载力、抗断裂性、能量吸收和压陷阻力等方面比传统材料更有优势,因而负泊松比材料在医疗设备、传感器、防护设备、航空航海及国防工程等领域有广泛的应用前景,但目前负泊松比材料的应用与普及仍面临一些挑战.本文广泛讨论了国内外关于负泊松比材料的研究成果并介绍了负泊松比材料的最新进展,将负泊松比材料大体概括为以下4类:天然负泊松比材料、胞状负泊松比材料、金属负泊松比材料、多重和复合负泊松比材料.主要介绍了各种负泊松比材料的内部结构、负泊松比机理、力学性能以及在各行各业的新发明、新应用.针对目前负泊松比材料研究理论和实验成果多,而实际应用仍然较少的情况,指出了负泊松比材料的缺点及其推广所面临的挑战.目前负泊松比材料面临的主要问题是制造成本高、孔隙率大而承载力不足以及仅适用于小应变情况等.本文针对此情况详细介绍了金属负泊松比材料及其设计和制作的方法,改善负泊松比材料的不足并推广其应用.      

多尺度复合材料力学研究进展

多尺度复合材料力学是运用多尺度分析思想研究空间分布非均匀材料力学性能的学科, 近年来,多 组分、多层级先进材料的蓬勃发展和微纳米实验观测手段的不断进步,有力地推动了该学科的研究,论文围绕非均 匀材料力学性能的多尺度分析,首先从微纳米尺度到宏观尺度综述了常用的理论分析方法;接着分别针对非均匀 连续介质和离散体系介绍了常用的多尺度计算模拟方法;然后结合本课题组在纳米复合材料、抗冲击吸能材料、随 机网络材料和多层级自相似材料等方面的研究工作,举例说明了如何综合运用多种方法对各种复杂材料系统进行 多尺度分析;最后,展望了该领域还需进一步发展和完善的若干方向。     

Some exact solutions for a class of compressible non-linearly elastic materials

In this paper we consider exact solutions for plane and axisymmetric deformations for a class of compressible elastic materials we call coharmonic. The coharmonic materials are derived from the harmonic materials by using Shield's inverse deformation theorem. The governing equations for the coharmonic material show the same kind of simplification associated with the harmonic materials. The equations reduce to first-order linear equations depending on an arbitrary harmonic function. They are intractable in general, so various ansätze are investigated. Boundary value problems for the coharmonic materials are compared with the same problems for harmonic materials. For certain boundary value problems, the harmonic materials exhibit well-known problematic behaviour which limits their use as models of material behaviour. The corresponding solutions for the coharmonic materials do not display these non-physical features.     

二维材料纳米尺度摩擦行为及其机制

二维材料是指厚度仅有单层或数层原子的晶体或非晶材料,其优异的物理、力学和化学性能给纳米尺度超薄固体润滑材料的设计和发展带来了新的契机。同时,二维材料独特而简单的拓扑结构也为深入了解摩擦的微观机制提供了一个理想的对象。本文综述了以石墨烯为主的二维材料纳米尺度摩擦和磨损研究的进展。根据相对运动形式的不同,我们分别介绍了二维材料的层间滑动和表面摩擦行为,并详细阐述了这些独特行为背后的微观物理机制;同时我们还重点介绍了若干种影响和调控二维材料表面摩擦性能的典型方法和策略,以及二维材料纳米尺度的磨损行为及其失效模式。最后,我们还对纳米尺度二维材料摩擦研究进行了小结,并展望了该领域尚待探索的若干研究方向。     

干水材料对瓦斯爆燃抑制的实验研究

为了研制绿色环保高效的抑爆剂,以疏水型气相二氧化硅和去离子水为原料,采用机械搅拌法制备具有“固包液”结构的干水材料。利用20 L近球形爆炸装置测试干水材料对瓦斯爆燃的抑制效果。实验结果表明:当添加的干水材料较少（2 g和3 g）时,干水材料对瓦斯爆燃产生促进效果;当添加的干水材料大于4 g时,对瓦斯爆燃有抑制效果。通过研究不同粒径的干水材料对瓦斯爆燃的影响,发现干水材料的粒径对瓦斯爆燃最大压力的影响较小,但显著影响最大爆燃压力上升速率;对比不同类型改性干水材料对瓦斯爆燃的抑制效果,综合比较得出抑制效果由强到弱顺序为:尿素改性干水材料、磷酸二氢铵改性干水材料、聚磷酸铵改性干水材料、普通干水材料。     

Homogenization of the viscoelastic heterogeneous materials with multi-coated reinforcements: an internal variables formulation

In this work, a new homogenization method to estimate the effective behavior of viscoelastic heterogeneous materials with multi-coated reinforcements is presented. Unlike classical methods that are based on the Laplace transform, the present internal variables formulation operates directly in the time domain. Using the Green’s function techniques, the micromechanical approach is based on establishing a new integral equation adapted to scale transition methods. Using this integral equation, we apply a generalized self-consistent scheme to determine the local stress concentration equations and the effective behavior of multi-coated inclusion-reinforced materials. To assess the reliability of our model, some applications to the isotropic viscoelastic heterogeneous materials with homothetic spherical inclusions are given. The model is applied to the case of two-phase and three-phase materials, and the results are compared to exact solutions. Results for three-phase materials are presented regarding the influence of soft and stiff viscoelastic interphase on the effective behavior of heterogeneous materials.     

ANALYTICAL SOLUTIONS FOR A ONE-DIMENSIONAL CHEMO-MECHANICAL COUPLING PROBLEM

Chemo-mechanical coupling exists in a lot of intelligent materials including hy- drogels, biological tissues and other soft materials. These materials are able to respond to ex- ternal stimulus, such as temperature, chemical concentration, and pH value. In this paper, a one-dimensional theoretical model for chemo-mechanical coupling is proposed for analyzing the uniaxial stress/strain state of coupling materials. Based on the chemo-mechanical coupled gov- erning equation, the displacement function and concentration function are derived and the stress and chemical potential are obtained. It is shown that the present chemo-mechanical theory can characterize the chemo-mechanical coupling behavior of intelligent materials.     

侵彻条件下两类靶体材料静阻力的探讨

以空腔膨胀理论为主要理论工具,通过比较侵彻近区塑性材料和脆性材料动力学行为的差异,对两类不同材料静阻力（R_t）的本质进行探讨,并对脆性材料侵彻的若干应用问题提出建议。研究表明:（1）R_t是靶体介质以固体特性抵抗局部扩孔、具有时间平均特性的弹体横截面平均应力,其具体取值随着材料的物理力学特性、侵彻模型、撞击速度等因素而变化,因此不是材料的固有特性。（2）对于塑性靶体的非变形侵彻问题,静态空腔膨胀理论的结果能够对R_t作出比较合理的预测;对于拟流体侵彻问题,一般需要对静态空腔膨胀理论的结果加以修正。（3）脆性材料的R_t主要取决于破碎后介质的力学特性而与完整材料的力学特性关系不大,且与单轴抗压强度之间不满足纯粹的单调关系;当侵彻速度较低时,应考虑侵彻速度对侵彻阻力的强化作用,这种强化作用的本质是内摩擦;当侵彻速度足够高时,脆性材料体现出恒定不变的“动力硬度”,其反映了材料的本征阻力特性。（4）提高脆性材料的侵彻阻力的关键在于减小应力波峰值后环向拉应力的幅值、抑制材料的破碎速度和程度,具体措施包括主动或被动地增加外围压、对基质中添加增韧增强纤维等;为了实现对脆性材料侵彻问题更高精度的数值模拟,建议更加重视对破碎介质动力学特性的研究。     

两种五零能模式材料单胞构型及其性能分析

五零能模式材料是一种新型的人工超材料,虽属于弹性材料,但组成其单胞的特殊构型使其宏观静态表现为仅能承载一种受力状态,动态表现为仅能传播一种弹性波。本文首先构造了两种五零能模式材料的单胞构型,其具有不同的弹性特性,其中一种材料可传播弹性膨胀波,另一种可传播弹性剪切波。然后分别采用代表体元法和均匀化法分析这两种单胞的等效弹性模量。五零能模式材料的分析分为两步更直观,开始从单胞桁架模型入手,检验单胞构型是否满足五零能模式的定义,然后分析单胞实体模型,考察单胞构型的结构参数与其等效弹性模量的关系。研究表明对于这种低密度弹性材料的分析,代表体元法更适合。     

五零能模式材料设计的非线性有限元计算方法

五零能模式材料是一种新型人工超材料,特征为其弹性模量矩阵的6个特征值中5个为零,可用等效体积模量来描述,表现出类似流体的性质,可被应用于声学隐声斗篷的设计中。然而,根据A.N.Norris[1]提出的理论,设计五零能模式材料时,与应用变换声学方法设计一般声学人工超材料不同,要求其满足一非线性偏微分方程约束。本文利用非线性有限元的完全拉格朗日方法,推导了这一偏微分方程的弱形式,并给出了相应的非线性有限元计算列式,以及迭代求解的具体算法。最后,给出了五零能摸式材料设计的二维和三维坐标变换数值算例。     

STRUCTURE AND THERMODYNAMICS OF GRANULAR MATERIALS

颗粒介质由大量离散的粗颗粒聚集而成,如自然界中的粗砂和碎屑堆积体等. 在工程实践中,人们依据经验和实验数据建立了许多模型,虽然可以满意地描述某些力学现象,但是对颗粒介质力学性质全貌的认识以及颗粒介质物理本质的理解仍远远不够. 颗粒介质长程无序、短程有序的结构和复杂的能量转化过程,注定了其独特的力学性质. 该文综述了颗粒介质结构探测和表征技术、热力学理论和固态-流态转变方面的新进展,特别介绍了清华大学近5 年来开展的颗粒介质结构模型化方法和双颗粒温度热力学理论. 最后,提出了开展结构分析-热力学理论的联合研究思路,以期更加深入认识颗粒介质的力学特性,探究颗粒介质的热力学根源,改善现有唯象研究现状.     

车用摩擦材料的摩擦学研究进展

综述了当前有关摩擦材料的研究进展,重点论述了无机摩擦材料的摩擦学特点,指出了摩擦材料的几种不同磨损形式,提出了今后摩擦材料研究中几个值得重视的问题．     

轻质多孔材料研究进展

高超声速武器是军事装备的发展方向,在未来战争中起着重要作用.轻质材料是高超声速飞行器设计与制造的关键技术之一,它是实现高超声速飞行器高超声速、高机动性、远程打击等性能的基础和保障.高超声速飞行器轻质材料主要有蜂窝材料、泡沫金属材料、点阵材料.这些材料具有超轻、高比强、高比刚度、高强韧、高能量吸收等优良机械性能,以及减震、散热、吸声、电磁屏蔽等特殊性质,它兼具功能和结构双重作用,是一种性能优异的多功能材料.本文从材料制备、结构设计、力学与物理性能表征等方面综述了高超声速飞行器轻质材料的研究与应用现状,比较了三种轻质材料的机械和物理性能,重点评述了新型点阵材料的制备工艺、结构构型、力学及其他性能,指出了其发展趋势.     

干涉问题中T应力与各向异性的作用

采用离散模型（包括半无限主裂纹和近尖微裂纹）研究了各向异性材料主微裂纹干涉问题中T应力对主裂尖参数的影响,并且与相同情况下各向同性材料的结果进行了比较,比较结果列于文中各图。研究结果表明,在各向异性材料和各向同性材料中T应力对主裂尖应力强度因子的影响趋势是相似的,但是由于T应力与材料各向异性性质的共同作用,使两种情况下T应力对主裂尖参数的影响结果存在着明显的偏差。     

纳米材料的研究进展

纳米材料是由尺度 在1~100nm的微小颗粒组成的体系。由于它具有独特的性能而备受关注。本文总结了近几年来纳米材料的研究进展,着重从纳米材料的制备、微观结构、力学及热力学性能的研究情况作了一个概述,总结了有关纳米材料的几个研究热点以及分子动力学计算机模拟在纳米材料研究中的应用。最后并指出了几个急待研究的工作。      

基于金相图片识别功能梯度材料参数的梯度分布函数

功能梯度材料具有复杂的细观结构.其内部构造远比匀质材料复杂.以目前的实验条件,测量功能梯度材料参数分布函数一般是十分困难的.该文提出一种细观元方法,直接利用功能梯度材料金相图片信息,来进行功能梯度构件宏观响应的跨尺度力学分析.另在功能梯度材料结构静、动力正演分析基础上,根据正演所求得的挠度或固有频率值,采用混和罚函数法来反演识别功能梯度材料参数的宏观梯度分布函数.     

空心光纤网络埋入复合材料中性能影响的研究

空心光纤网络可用来进行复合材料力学性能的监测,同时又可对材料的损伤进行自修复。空心光纤网络与复合材料性能的影响主要有三方面：1）复合材料对空心光纤的影响;2）空心光纤对复合材料的影响;3）空心光纤与复合材料力学性能的匹配。本文测试了三种规格的空心光纤埋入复合材料中受到的影响,依据国家有关的复合材料测试标准,对树脂基复合材料埋与不埋大直径空心光纤进行了对比实验,并论证了光纤与材料力学性能匹配点存在的必然性。从而为空心光纤网络用于复合材料的自诊断与自修复提供了研究的依据。     

材料的磨损失效及其预防研究现状与发展趋势

论述了材料磨损失效的主要模式和引起磨损失效的各种可能因素及材料磨损失效的研究现状与发展趋势,探讨了材料磨损失效研究所面临的课题和开展磨损失效研究的必要性。     

Transverse loading of cellular topologically interlocked materials

Topologically interlocked materials (TIMs) are a class of materials made by a structured assembly of an array of identically shaped and sized unit elements that are held in a confining framework. The assembly can resist transverse forces in the absence of adhesives between the unit elements. The present study focuses on topologically interlocked materials with cellular unit elements. The resulting materials achieve their properties by a combination of deformation of the individual unit elements and their contact interaction. Drop tower tests were conducted to characterize the mechanical behavior of the cellular TIMs made of an intrinsically brittle base material. The TIMs were found to exhibit perfect softening, independent of the relative density of the cellular units. The analysis of the experiments revealed a positive correlation between strength and toughness in contrast to more conventional materials. An analytical model for the prediction of the observed material behavior is developed. Model predictions are in agreement with experimental data. The implications of the present findings for the design of these novel materials are discussed.     

考虑空气阻力影响的振动筛分物料的运动分析

空气阻力对轻质物料筛分的影响是不可忽略的,本文利用达朗贝尔原理推导出物料在正向滑动、反向滑动和抛掷运动过程中的运动方程,并利用MATLAB软件仿真了物料在运动过程中的位移和速度,将结果与不考虑空气阻力时的物料运动进行对比分析,讨论了主要物理参数对物料运动的影响规律,为轻质物料的筛分提供理论参考．