数字图像相关测试技术在材料力学实验教学中的应用

为丰富实验教学手段和提高教学质量,我们引入了基于数字图像相关的平面应变测试技术并应用于材料力学实验教学。籍由此技术,学生获得了低碳钢和铝镁合金材料在单轴拉伸下的力学性能参数和全场应变等丰富的可视化信息,加深了学生对应变等理论知识的理解,显著调动了学习积极性,培养了他们的科学思维能力。     

图像相关法在高分子材料拉伸性能研究中的应用

本文对聚碳酸酯(PC)和丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)的合金(PC/ABS)高分子材料不同环境温度下的拉伸性能进行了试验研究。根据图像相关分析法编制了图像法位移测量分析软件,并对该分析软件的适用性进行了分析。系统研究了PC/ABS高分子材料拉伸试验时三个方向的位移场和应变场。根据测得的位移场研究了该高分子材料拉伸过程中应变和应变率的变化以及应力应变变化规律,并对试验结果进行了详细分析。结果表明,文中采用的图像法位移测量系统具有较高的测试精度;拉伸过程中,试件厚度方向的收缩变形大于宽度方向的收缩变形;颈缩过程区具有非常高的应变率,颈缩后的平直颈缩区的应变率快速下降到一个很低的应变率继续缓慢变形;尽管载荷位移曲线出现了较大的载荷下降现象,PC/ABS拉伸时的真应力应变曲线没有明显的应力下降现象出现,因此,载荷下降现象主要由颈缩时的截面减小引起;高分子材料PC/ABS的屈服应力随环境温度的升高而降低。     

A_（PMOC）－Ⅱ／RE04材料的拉伸及剪切性能测试

本文针对ＡｐＭＯＣ－Ⅱ／ＲＥ０４材料进行拉伸及剪切性能测试，采用激光切割制备试样，按国标进行测试，所得数据对于该复合材料的结构设计具有应用价值．     

A_（PMOC）－Ⅱ／RE04材料的拉伸及剪切性能测试

本文针对ＡｐＭＯＣ－Ⅱ／ＲＥ０４材料进行拉伸及剪切性能测试,采用激光切割制备试样,按国标进行测试,所得数据对于该复合材料的结构设计具有应用价值．     

人工智能在复合材料研究中的应用

复合材料以其轻质高强高模、可设计性强等优点成为结构轻量化的重要用材. 然而, 随着复合材料组分、结构以及性能需求的日益复杂化, 以实验观测、理论建模和数值模拟为主体的传统研究范式, 在复合材料力学性能分析、设计和制造等方面遇到了新的科学问题与技术瓶颈. 其中, 实验观测不足、理论模型缺乏、数值分析受限、结果验证困难等问题在一定程度上制约了先进复合材料在面向未来工程领域中应用的发展. 人工智能方法以数据驱动的模型替代传统研究中的数学力学模型, 直接由高维高通量数据建立变量间的复杂关系, 捕捉传统力学研究方法难以发现的规律, 在复杂系统的分析、预测、优化方面拥有与生俱来的优势. 而通过人工智能赋能来寻求复合材料中传统研究方法所面临难题的新的解决方案, 目前已成为复合材料研究领域的发展趋势. 本文综述并评价了人工智能方法在复合材料性能预测、优化设计、制造检测及健康监测等方面的研究进展, 并对未来发展方向进行了探讨和展望.      

方法论在材料力学课程教学中的应用

将科学方法论中的一些方法引入到材料力学课程教学之中. 经过对几届学生的教学实践表明：学生们不仅能够掌握该课程的内容,而且还能学到科学方法. 掌握了方法论的方法,这对学生今后学习新知识、新技能和培养学生独立思考解决问题以及创新能力很有益处.     

小波分析技术在GPS数据预处理中的应用

将小波分析技术应用于数据预处理,利用小波变换对GPS位观测值进行小波分解,可将GPS观测值分解为不同的频率成分,通过一定尺度上的带通滤波器进行滤波,就可以将特定的频率成分提取出来,而将其它成分滤去,从而有效地消除或削弱多路径效应及观测噪声的影响,提高GPS数据处理的精度.并运用Matlab语言进行了编程实现,对比不同基线长度下小波变换前后的预处理精度估值可知,经小波变换后的精度估值有了一定提高,表明了该方法的有效性与可行性.     

力学研究中"大数据"的启示、应用与挑战

大数据在全世界发展迅猛, 应用成效显著.大数据独特的思维和方法, 为科学研究与探索提供了全新的范式.力学研究中,高时空分辨率、多参数同步观测与高精度、大规模模拟手段的发展,为力学大数据的发展提供了契机,大数据、机器智能方法的应用正呈现快速上升趋势.本文旨在分析大数据思维方法在力学研究中的应用, 及其启示与挑战.首先从大数据资源、大数据科学及大数据技术3个层面分析了大数据的内涵及研究态势,概括了国内外政府及组织机构的大数据发展规划.而后对比分析了力学思维方法与大数据思维方法的特点,指出两者的本质区别在于数据使用方式的不同而带来的范式差异:大数据采用数据驱动模型替代力学中的偏微分方程组以描述问题,在复杂系统的分析、预测中优势显著.回顾了大数据方法在材料性能预测、材料本构建模、湍流建模、结构健康监测及试验力学等方面的最新研究进展,以及动态数据驱动与数字孪生等大数据驱动的建模模拟新范式.总结了大数据在力学研究中应用的3种方式, 即驱动已有模型改进,挖掘复杂隐含的规律, 以及替代已有的理论方法等. 最后,建议以力学研究为主体和牵引, 大数据与力学双驱动,推动大数据与力学交叉形成理论与方法突破、及学科发展新方向.      

棘轮安定曲线在不锈钢压力容器应变强化技术中的应用

应变强化是不锈钢压力容器结构实现轻型化的重要途径,而应变强化内压的确定则是应变强化技术的核心。为了能够更准确有效地达到结构应变强化的目的,对循环加载的应变强化方式进行了研究。通过304不锈钢材料的室温单轴棘轮试验,建立了应力比R0条件下的棘轮安定曲线。根据Mises等效原理,利用该曲线通过一次弹塑性有限元分析直接获得结构在循环载荷作用下的强化内压和产生的塑性应变,与试验结果吻合较好,说明运用循环加载的应变强化方式可以有效地达到应变强化的目的。在达到相同的应变强化程度要求下,该方法降低了强化内压,因此可以减小过载加压的风险。     

广义非线性强度理论在岩石材料中的应用

在已提出的广义非线性强度理论的基础上,结合岩石材料的力学特性,建立了岩石广 义非线性强度理论,该理论在$\pi$平面上的破坏函数为介于SMP准则和Mises准则 之间的光滑曲线,在子午面上的破坏函数为幂函数曲线. 通过已有不同岩石的真三 轴试验数据对岩石广义非线性强度理论的验证表明,岩石广义非线性强度理论可以 广泛地适用于各类岩石,描述其$\pi$平面上及子午面上的非线性强度特性;并利 用5种不同类型岩石的真三轴试验结果对岩石广义非线性强度理论和Hoek-Brown准 则进行比较,反映了所提岩石广义非线性强度理论的优越性.     

锚胫侧倾角对拖曳锚在砂土中的下潜性能大变形数值分析

拖曳锚作为一种造价低、结构简单的系泊基础,在深海资源开发中得到了广泛的应用。拖曳锚的安装下潜性能与锚的自重、锚板厚度、锚胫与锚板夹角、土层条件等因素相关,锚胫对拖曳锚下潜性能的影响研究还不深入。提出了一种通过调整锚胫侧倾角来提高拖曳锚下潜性能的方法,并采用大变形有限元分析进行了验证。以MK5拖曳锚在砂土中的安装过程为例,分析了不同锚胫前倾角、锚胫侧倾角、拖曳锚密度、锚–土界面摩擦特性等因素对拖曳锚下潜深度的影响。结果表明,相较于传统的锚胫内倾的拖曳锚,拖曳锚锚胫直立以及向外侧倾斜时其嵌入深度有明显提高。

     

面向桥梁长期健康监测的大数据处理技术及应用

简要介绍了桥梁长期健康监测系统的应用,总结了基于桥梁长期健康监测大数据分析技术的研究现状。介绍了基于长期健康监测大数据分析在多尺度关联性分析、异常数据挖掘和分析以及时变可靠度研究三个方面取得的研究进展。通过多尺度关联性分析对各频率组分下的桥梁应变进行了分类,确定了温度对应变的影响;发展了利用应变阈值和小波细节系数进行异常信号识别的方法;提出了局部时变可靠度的计算方法。最后,对基于云计算的桥梁健康监测服务平台的研制及应用进行了介绍和展望。     

膨胀环实验平台及其在材料动力学行为研究中的应用

分析了目前膨胀环实验技术的研究现状,介绍了本课题组搭建的电磁膨胀环和爆炸膨胀环实验平台,着重介绍了其原理和主要性能参数。爆炸膨胀环实验中提出了一种新的爆炸丝起爆方式,电磁膨胀环平台中使用了一种先进的三电极开关实现电流截断。膨胀环的传统研究方向为材料的断裂行为、破片的统计规律、材料的动态拉伸本构等,本课题组将其拓展到材料在冲击拉伸加载下的损伤演化规律、裂纹的扩展速度等研究领域。本文对膨胀环平台的主要应用研究进行了一个较全面系统的总结概括,并指出今后膨胀环平台应用研究的主要方向。     

大涡模拟及其在湍流燃烧中的应用

大涡模拟作为一种研究湍流流动和湍流燃烧的有效手段,在国际上已经得到广泛应用。本文在回顾了大涡模拟(LES)的基本思想及其实施方法的基础上着重介绍了前人在大涡模拟的亚格子湍流模式和亚格子燃烧模式中的研究成果,同时给出了采用不同亚格子模式的大涡模拟在湍流燃烧中的应用实例,指出了大涡模拟在湍流燃烧中的重要作用,为大涡模拟的进一步发展和应用提供参考。      

速度估计模型在大涡模拟中的应用

介绍了速度估计模型的基本思想及其在物理空间的实现。速度估计模型依靠湍流大尺度的非线性作用估计出小尺度,从而可直接求解亚格子应力项而不需要额外的模型。本文采用该模型对不同雷诺数下的各向同性衰减湍流进行了模拟,并与直接数值模拟、理论分析和其他亚格子模型的大涡模拟结果进行了比较。也初步考察了网格分辨率、不同精度的紧致格式对大涡模拟结果的影响。     

数字图像相关法在相似材料模拟试验中的应用

利用相似材料模拟试验研究印度某矿长壁开采采场厚硬顶板的破断规律,针对试验中传统的位移测量法的不足,引入了数字图像相关法。通过恰当布设模型、合理控制光照强度,实时用高分辨率数码相机拍摄模型在开采过程中的表面变形图像,借用数字照相图像分析与结果可视化应用软件系统GeoDPDM对序列照片进行相关性分析,得到了开采过程中上覆岩层变形的位移场和应变场。将分析结果与传统测量方法所得结果对比,得到两种方法具有较高的一致性,并将测试精度提高到0.6mm/pixel,成功实现了大范围模型变形的全场、非接触式测量。     

实时三维数字图像相关方法在材料力学教学中的应用1)

实验教学是理工科院校极为重要的教学环节,为使学生深刻理解理论知识,将现代光测力学方法用于实验教学具有重要意义。本文以铝合金拉伸实验和梁模型的三点弯实验为例,采用自主研制的实时三维数字图像相关方法进行教学内容展示。该方法可实时测量物体表面的三维形貌及变形,更直观地揭示材料力学中的变形规律和力学原理。实践表明,课堂演示易于调动学生的积极性,将理论与实验相结合,有助于增强学生分析问题的能力,相比传统电测方法具有无可比拟的优势。     

心肌细胞大变形黏弹性模型及在实验中的应用

在衡量单个细胞力学行为的研究中,越来越多地采用结合实验的数值模拟方法. 在连续介质力学框架下,发展了一种新的心肌细胞本构模型,并与微管吮吸实验结合,探讨了心肌细胞的力学特性. 本构模型是对普遍使用的仅能用于小变形分析的标准线性固体模型的一种扩展,它将超弹性性能引入到黏弹性模型中,用以描述细胞的大变形黏弹性效应. 基于改进的本构模型,对心肌细胞微管吮吸实验过程进行了有限元模拟,并将计算结果与实验结果以及经典理论解进行了对比. 结果显示发展的本构模型适合细胞大变形问题的有限元数值模拟.