c-GaN材料摩擦响应与磨损特性的分子动力学模拟研究

对c面(0001)GaN(即c-Ga N)材料纳米划痕响应开展了分子动力学模拟研究,以考察压入深度(即划痕深度)和划痕加载方向对其力学响应、表面磨损和内部位错形核等行为的影响,并澄清其摩擦性能参数与磨损特性。通过对c-GaN材料进行不同压入深度下连续改变加载方向的划痕模拟,结果发现:c-GaN材料的摩擦系数及磨损率取决于加载方向和加载方式,采用划痕方向连续改变的加载方式难以获得c-GaN材料各个晶向上准确的摩擦系数及磨损率。     

基于BP神经网络与小冲杆试验确定在役管道钢弹塑性性能方法研究

为了能够在不停输油气工况下获得在役管道材料的弹塑性力学性能, 提出了一种人工智能BP (back-propagation)神经网络、小冲杆试验与有限元模拟相结合,通过确定材料真应力-应变曲线从而获得材料弹塑性力学性能的方法. 首先,通过系统改变Hollomon公式中的参数$K$, $n$值,获得457组具有不同弹塑性力学性能的假想材料本构关系, 其次,将得到的本构关系代入经试验验证的含有Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)损伤参数的小冲杆试验二维轴对称有限元模型,通过有限元计算得到了与真应力-应变曲线一一对应的457条不同假想材料的载荷-位移曲线,最终将两组数据作为数据库输入BP神经网络进行训练,建立了同种材料小冲杆试验载荷-位移曲线与真应力-应变曲线之间的关联关系.通过此关联关系,可利用试验得到的小冲杆载荷-位移曲线获取在役管道钢的真应力-应变曲线,从而确定其弹塑性力学性能.通过对比BP神经网络得到的X80管道钢真应力-应变曲线与单轴拉伸试验的结果以及引用现有文献中不同材料的试验数据对此关系进行验证,证明了该方法的准确性与广泛适用性.      

基于BP神经网络与小冲杆试验确定在役管道钢弹塑性性能方法研究

为了能够在不停输油气工况下获得在役管道材料的弹塑性力学性能,提出了一种人工智能BP (backpropagation)神经网络、小冲杆试验与有限元模拟相结合,通过确定材料真应力-应变曲线从而获得材料弹塑性力学性能的方法.首先,通过系统改变Hollomon公式中的参数K, n值,获得457组具有不同弹塑性力学性能的假想材料本构关系,其次,将得到的本构关系代入经试验验证的含有Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)损伤参数的小冲杆试验二维轴对称有限元模型,通过有限元计算得到了与真应力-应变曲线一一对应的457条不同假想材料的载荷-位移曲线,最终将两组数据作为数据库输入BP神经网络进行训练,建立了同种材料小冲杆试验载荷-位移曲线与真应力-应变曲线之间的关联关系.通过此关联关系,可利用试验得到的小冲杆载荷-位移曲线获取在役管道钢的真应力-应变曲线,从而确定其弹塑性力学性能.通过对比BP神经网络得到的X80管道钢真应力-应变曲线与单轴拉伸试验的结果以及引用现有文献中不同材料的试验数据对此关系进行验证,证明了该方法的准确性与广泛适用性.     

珩磨缸套表面粗糙度预测及多目标优化研究

为了对粗珩阶段缸套内孔表面粗糙度Rk粗糙度集中的Rk、Rpk和Rvk进行预测,进而对粗珩加工参数进行优化,以珩磨压力(P)、珩磨头旋转速度(VR)和往复速度(VRe)为决定因素,Rk粗糙度集为目标响应,进行多目标优化.建立基于广义回归神经网络(Generalized regression neural network, GRNN)与响应曲面法(Response surface methodology,RSM)的粗糙度预测模型,并采用三因素三水平的全因子珩磨试验进行验证,结果表明所建立模型的预测结果与试验结果具有很好的一致性. GRNN预测模型决定系数R²的均值为0.959,RSM多元回归预测模型决定系数R²的均值为0.963,与RSM所建立的多元回归预测模型相比,GRNN预测模型在预测Rk和Rpk时,预测精度更高,预测误差更小,R²分别提高了0.025和0.020,在预测Rvk时RSM多元回归模型更优,R²提高了0.057.进一步结合响应曲面法分析了3个决定因素对粗糙度的影响显著性并进行了排序,对于...     

恒定大载荷划痕试验下紫铜的三维形貌及划痕硬度分析

采用圆锥形压头对紫铜进行划痕试验,并通过三维表面形貌仪获取划痕的三维形貌,研究正压力的变化对划痕沟槽所产生的影响. 结果表明:正压力的增大,使得划痕宽度和深度均线性增加,当正压力较大时,位错墙的形成使划痕深度出现周期性的波动,同时压头划刻过程伴有划痕两侧和前端的材料堆积现象,前端堆积高度和厚度、两侧堆积高度和宽度随着正压力的增加而线性增大. 通过“切削与塑性比”说明了压头对紫铜的刻划存在微犁耕和微切削两种变形机制,并且微切削机制在划刻过程中占主导地位. 磨损率随着载荷增加而线性增大,但划痕硬度不随载荷的变化而改变,约为0.77 GPa.      

采用J积分对沥青混合料抗裂性能进行评价

沥青混合料是一种由集料、胶浆和孔隙组成的非均质材料,一般被认为是一种粘弹性材料,其力学行为介于弹性和塑性之间,采用弹塑性断裂力学更适合评价沥青混合料的抗裂性能.J积分理论可以避开分析裂纹尖端附近复杂的应力应变场,物理意义明确,可以有效的评价沥青混合料的抗裂性能,断裂韧度J_C可以很方便的采用预切缝的半圆弯拉试验直接获得.为了评价材料本身特性对断裂韧度J_C影响,在MTS试验系统上进行了3种级配的沥青混合料的断裂韧度试验.采用基于数字图像处理技术的有限元方法对半圆弯拉试验进行了模拟,并将数值模拟的结果与试验的结果进行了对比分析.结论表明,断裂韧度J_C可以作为一有效的评价沥青混合料抗裂性能的指标.     

用于鸟撞试验的仿真鸟弹研究

对用于飞机结构抗鸟撞试验的仿真鸟弹进行了研究,给出了配方,其基体材料为明胶和水.密度是仿真鸟弹的关键参数,通过工艺流程和添加调质材料对其进行控制.鸟弹外形尺寸和重量由模具保证,制作出了满足规范要求的1.8kg标准形态鸟弹.利用4块12mm厚的铝板,进行了3次真实鸟弹试验和1次仿真鸟弹的鸟撞对比试验.试验结果表明,仿真鸟弹具有足够的强度可承受发射过载.同时仿真鸟弹与真实鸟弹的动态变形模式以及结构动态应变响应时间历程基本一致.其结构动态应变响应最大值仅相差3.2％,而结构残余变形相差8.7％.上述结果证明了本文研制的仿真鸟弹可以在结构抗鸟撞试验研究中替代真实鸟弹.     

基于级连相关神经网络的人工冻土本构模型

为解决BP (back propagation) 神经网络收敛速度慢,网络结构需事先定义等缺点,采用了级连相关神经网络模型来建立人工冻土应力和应变之间的关系. 基于该模型推导了冻土的一致刚度矩阵形式,利用人工冻土三轴试验数据对神经网络模型进行训练,并用其替换有限元计算中的传统本构模型,将计算结果与性质及含水率相同的冻土的试验结果进行了对比,发现该神经网络本构模型很好地反应了材料的非线性,能够改善数值计算结果,与实测结果吻合地很好,比具有相同隐含层神经元个数的BP 模型更接近实测结果.     

CONSTITUTIVE MODEL OF ARTIFICIAL FROZEN SOIL BASED ON CASCADE-CORRELATION NEURAL NETWORK

为解决BP (back propagation) 神经网络收敛速度慢,网络结构需事先定义等缺点,采用了级连相关神经网络模型来建立人工冻土应力和应变之间的关系. 基于该模型推导了冻土的一致刚度矩阵形式,利用人工冻土三轴试验数据对神经网络模型进行训练,并用其替换有限元计算中的传统本构模型,将计算结果与性质及含水率相同的冻土的试验结果进行了对比,发现该神经网络本构模型很好地反应了材料的非线性,能够改善数值计算结果,与实测结果吻合地很好,比具有相同隐含层神经元个数的BP 模型更接近实测结果.     

单颗金刚石划擦Ta12W的试验研究

采用单颗钎焊单晶金刚石划擦Ta12W,跟踪观察了金刚石的磨损形貌,测量了划擦过程的力信号以及力比的变化,监测了磨损过程中的声发射信号变化,提取不同磨损阶段的声发射信号,进行频谱和功率谱分析.结果表明:划擦过程中金刚石的磨损可分为初期、稳定和剧烈磨损三个阶段,三个阶段的划擦力和力比明显不同.划擦声发射信号频谱主要分布在0~170 k Hz之间,功率谱峰值主频分布在7.8~27.3 k Hz之间,金刚石磨损的加剧使声发射信号峰值主频由高频向低频趋近,并且功率谱峰值随之增加.     

各向同性超弹性本构模型数值计算及验证

现有多种形式的橡胶本构模型试图预测橡胶力学性质,其中部分模型已写入有限元软件中用于仿真计算,还存在较多拟合性较好的模型无法在有限元材料库中直接获得。本文详述了由不变量和主伸长率描写的各向同性超弹性本构模型的数值实现方法,并结合最新的本构模型开发了UHYPER和UMAT子程序。将UHYPER用于有限元实现对多孔橡胶板的拉伸仿真,对比仿真和试验结果,验证子程序的正确性以及评估本构模型预测复杂应变场的准确性;将UMAT用于单轴、等双轴和剪切拉伸的有限元仿真,对比仿真和本构模型理论结果,验证子程序的可靠性。结果表明,有限元仿真结果与理论结果拟合较好,子程序能够契合本构模型的力学描述,所述方法可以用于超弹性材料的数值计算。     

某结构的多轴随机振动实验研究

通过对某结构开展多轴随机振动试验研究,初步探讨了典型线性结构在多轴随机振动试验中的动力响应特点.首先对多轴振动试验系统、试验条件、控制方式等进行了介绍;然后通过有限元仿真了解结构的自振频率、振型和响应情况;重点对结构的多轴随机振动试验结果进行研究,具体分析了结构各测点加速度响应谱的共振峰特点;最后将多轴试验结果与单轴试验结果进行对比,并理论上解释了多轴随机振动响应不同于单轴振动的原因.研究结果表明:多轴振动试验能同时激发结构在不同方向的模态,使动力响应表现出比单轴振动更为丰富的共振峰,因此对经受多轴振动环境的产品开展多轴振动试验很有必要.     

基于动力放大系数与等效单自由度体系的圆中空夹层钢管混凝土抗撞设计方法

中空夹层钢管混凝土（concrete-filled double-skin steel tubular,CFDST）构件作为超高输电塔、海上平台等重要结构的承重构件,其抗撞性能是设计阶段需考虑的关键问题。因此,在前期试验研究的基础上,采用ABAQUS有限元软件建立了200个圆CFDST柱力学模型,并进行了轴力与撞击耦合作用下的抗撞机理分析,研究了在0~0.7轴压比下不同名义含钢率、空心率、截面直径、材料强度对构件抗撞性能的影响规律;基于动力放大系数和等效单自由度方法提出了构件抗撞承载力计算公式,并预测了撞击作用下构件的跨中动力响应。结果表明：在0~0.7轴压比下,名义含钢率、外径、外钢管强度、撞击速度与撞击质量对构件跨中挠度峰值和撞击力平台值影响显著,空心率与混凝土强度影响较小;提出的简化计算方法能较好地预测圆CFDST构件的抗撞承载力和跨中位移响应。

     

基于GABP的压力容器表面裂纹断裂研究

压力容器在长期运行过程中表面裂纹问题难以避免,进行基于断裂分析的安全评估对压力容器的稳定运行具有较强的现实意义.针对二维J-积分理论难以应用于表面半椭圆裂纹,数值模拟耗时冗长的问题,论文提出一种采用三维J-积分量化压力容器表面裂纹尖端应力强度,再结合神经网络进行预测的安全评估方法.通过有限元方法计算了1200例不同几何尺寸、裂纹尺寸和内压载荷的含表面裂纹的压力容器问题,分析了半椭圆裂纹尖端三维J-积分结果,构建修正系数F表征材料性能、裂纹尖端奇异性以及容器几何特征对三维J-积分的影响.基于生成的机器学习数据集,搭建反向传播神经网络(BPNN)模型,采用遗传算法优化,形成GABPNN预测模型.结果表明：BPNN和GABPNN模型预测精度高达96%以上,在未知数据上亦可以取得较为准确的结果,可以高效地预测裂纹尖端三维J-积分,对于实现计算机辅助压力容器安全性现场快速评定提供新的思路和方法.     

评估TiN薄膜与基材结合的划痕试验及有限元模拟

通过有限元模型模拟划痕试验得到的结果表明∶切应力的起伏变化?膜/基界面处切应力差值?接触区附近膜层表面张应力?高载下的几种应力集中等,对膜/基体系的失效都有重要的作用.通过模型计算临界载荷下的膜/基界面处切应力差值,可用来评价膜层与基材的结合强度;提出了划痕试验中膜/基体系失效的2种机制.不同性能基材的TiN膜/基体系划痕试验结果,可验证本文有限元模拟的有效性,并表明临界载荷是膜/基结合强度?体系承载能力?内聚结合性能等的综合反映;低载往复摩擦磨损试验的结果进一步证实,用划痕试验的临界载荷评估膜/基结合强度具有局限性.     

静水压作用下Nb3Sn多晶体超导临界温度退化的耦合模型

Nb3 Sn超导材料主要用于强磁场超导磁体的制造.力学变形诱导的其超导临界性能退化给强磁场超导磁体装置的电磁性能指标和安全运行造成了极其不利的影响.针对静水压作用下,Nb3 Sn单晶体和多晶体表现出的不同退化行为,论文基于Maki De Gennes(MDG)关系式,建立了描述Nb3 Sn单晶体变形-超导临界温度耦合响应的本构关系,并借助于多晶体有限元方法,对静水压作用下Nb3 Sn多晶体超导临界温度退化响应进行了预测,预测结果与实验结果定性吻合.模型实现了从Nb3 Sn单晶体到Nb3 Sn多晶体变形-超导临界温度退化响应曲线的一致性预测.研究结果有助于提高对Nb3 Sn高场超导材料变形-超导电性能耦合行为的认识,为发展描述运行工况下Nb3 Sn超导材料力-电磁-热多物理场多尺度耦合行为的建模与数值计算方法提供了一定的基础;同时,相关结果对于特殊工况下高场超导磁体性能的评估和高应变耐受性超导材料的制备也具有一定的指导作用.     

单摆冲击划痕法及其在磨粒磨损和冲蚀磨损研究中的应用

为了促进新近发展起来的单摆冲击划痕法在磨损研究领域的应用，考察材料在单摆冲击划痕条件下的磨损规律，弄清这种方法与平稳加载滑动磨粒磨损及冲击加载喷砂冲蚀之间的关系，采用单摆冲击划痕法、滑动磨粒磨损和喷砂冲蚀３种试验方法，研究了几种纯金属和合金材料的磨损行为．结果表明：在单摆冲击划痕过程中，比能耗（材料产生单位体积划痕所消耗的能量）与材料的切向动态硬度之间有较好的线性关系，二者都可以用作单摆冲击划痕法评价材料耐磨性的指标；材料的法向动态硬度与显微硬度有较好的线性关系，而且法向动态硬度能够更准确地反映材料在平稳加载条件下的抗磨能力     

掺氮类金刚石薄膜的纳米力学及纳米摩擦特性研究

利用微波电子回旋共振化学气相沉积技术制备了不同氮掺杂量的类金刚石(DLC)薄膜,采用俄歇电子能谱仪、Raman光谱仪和Hysitron型纳米力学测试系统对掺氮类金刚石薄膜的化学成分和结构、纳米力学及其纳米摩擦特性进行研究.结果表明:反应气体中氮气流量比例越大,类金刚石薄膜中的氮含量越高;随着薄膜中氮含量增加,掺氮类金刚石薄膜中sp3比例下降,sp2比例明显增加,而薄膜的纳米力学性能如纳米硬度和弹性模量明显下降;纳米划擦试验中的划痕深度与薄膜中氮含量有关,当载荷相同时,氮含量越高,所对应的划痕深度越深;名义摩擦系数(LF/NF)随着载荷增加而增大;当载荷相同时,摩擦系数与沉积膜中的氮含量无关.     

飞机风挡结构抗鸟撞一体化设计技术研究

结合大型非线性有限元分析软件,实践了飞机风挡结构由初步设计、数值仿真以及实验验证的一体化设计过程,建立了适于风挡结构材料的非线性黏弹性本构计算接口程序,对合理选取单元类型、材料模型、边界条件影响以及试验设计等工作细节进行了深入研究,通过实验与仿真计算结果的对比,验证了数值仿真计算模型的精度．为飞机风挡的抗鸟撞结构设计-数值仿真-实验验证一体化技术提供了支持论证．     

航天器噪声试验中结构振动响应预示方法研究

航天器在随运载火箭发射过程中要承受严酷的噪声环境,需通过噪声试验来检验航天器承受噪声环境并能正常工作的能力.航天器噪声试验中结构振动的响应特性是结构强度设计应该考虑的因素之一,更是制定器上组件随机振动试验条件的重要依据,因此有必要在航天器研制初期对噪声载荷作用下的结构振动进行响应预示.文章应用商用有限元分析软件MSC.Patran和MSC.Nastran建立了某型号航天器结构舱板的有限元模型,将噪声载荷声压谱转换为脉动压力功率谱密度,进而采用模态法分析结构在噪声载荷作用下的随机振动响应,并将仿真预示结果与试验结果进行对比研究,在仿真分析中考虑阻尼参数模型和流场附加质量效应等因素的影响;通过研究表明:采用阻尼比随频率提高而减小的经验阻尼参数模型可以较好地反映中高频响应特性、得到较为准确的总均方根响应分析结果,进一步采用虚拟质量法考虑流场附加质量效应可以得到较为准确的功率谱密度响应分析结果.文章提出的仿真分析方法建模简便、计算成本低,适用于在航天器研制初期对航天器噪声试验中的结构振动进行响应预示.