血红细胞力学性能的纳米压痕实验和有限元模拟

采用纳米压痕技术和有限元方法研究了血红细胞的生物力学性能. 进行了血红细胞的纳米压痕实验, 得到了血红细胞的材料参数和变形形貌; 在实验基础上, 建立了血红细胞的三维有限元模型, 模拟了血红细胞的压痕载荷-位移曲线, 并考虑了参数效应. 数值模拟结果和实验数据符合很好. 通过改变压头与材料之间的摩擦系数和压头曲率半径等参数, 比较了载荷-位移曲线的变化情况. 研究表明摩擦系数对压痕载荷-位移曲线和应力分布影响很小, 而压头曲率对载荷-位移曲线的影响明显.     

灵芝孢子孢壁的弹性模量和硬度研究

采用纳米压痕技术和数值模拟研究灵芝孢子孢壁的弹性模量和硬度.利用原位纳米力学测试与分析系统,测试灵芝孢子孢壁的弹性模量和硬度.得到了载荷--位移曲线图和硬度、弹性模量随压痕深度变化的值.并用有限元方法模拟压痕过程,利用ANSYS软件,按照灵芝孢子孢壁和Berkovich压头的结构,建立了二维计算模型,得到纳米压痕的等效应力分布以及压痕过程中加载和卸载时的载荷--位移曲线.考察了摩擦、压头尖端半径对模拟结果的影响.结果显示:灵芝孢子孢壁的平均弹性模量为2.0GPa,硬度为0.13GPa.模拟结果在趋势上与实验结果有较好的吻合,与理论分析的载荷--位移关系基本一致.摩擦、压头尖端半径小于100nm时对模拟结果不会造成明显影响.研究结果为分析孢子的破壁机理提供必要参数.     

夹层FGM圆柱壳在扭转载荷作用下的弹性稳定性

采用半解析方法研究了两端简支的功能梯度夹层圆柱壳在端部扭转载荷作用下的弹性稳定性.考虑圆柱壳的里外表层为均匀材料,中间层为材料性质沿厚度方向连续变化的功能梯度材料,并且在界面处的材料性质保持连续. 基于Flügge薄壳理论,建立了位移形式的结构静态屈曲控制方程.根据边界条件将位移表示为三角级数形式,获得包含柱壳端部扭转载荷参数的近似线性代数特征值问题,并通过数值方法求得了表征结构失稳特征的临界载荷. 数值结果表明,临界载荷随着半径与厚度比的增加而减小,随着功能梯度中间层的弹性模量的平均值的增加而增加.      

求解I型裂纹构元J积分的半解析方法

表征裂纹尖端应力应变场程度的J积分是一个定义明确、理论严密的弹塑性断裂力学基础参量. 目前J积分的计算主要是依靠塑性因子法和有限元法,但对各类裂纹构元获得J积分以及载荷-位移关系的解析公式以实现材料断裂韧性理论预测和材料测试是断裂力学的重要和困难的任务. 以J积分为参量的材料断裂测试中应用最广的是I型裂纹试样的断裂韧性测试. 本文在平面应变条件下,针对断裂韧性测试中使用的6种I型裂纹构元,基于能量等效假设,提出了J积分-载荷和载荷-位移的工程半解析统一表征方法,进而结合有限元分析的少量计算获得J积分-载荷和载荷-位移关系的半解析公式待定参数. 分析表明,6种I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移统一公式的预测结果与有限元结果吻合良好. 新提出的J积分-载荷工程半解析公式包含了材料的弹性模量、应力强度系数和应变硬化指数,能够广泛适应不同的材料,且运用该公式能够方便获取任意载荷点对应的J积分值. 应用新方法可便于获得各类I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移工程半解析公式.      

方沸石大单晶及多晶粉饼力学性能的实验研究

报道了采用纳米压痕硬度计和Instron仪器分别对方沸石ANA大单晶和方沸石ANA多晶粉饼进行的力学性能测试工作。在纳米压痕实验中可实时测得连续载荷和随载荷连续变化而变化的位移,得到载荷-位移曲线图。根据W.C.O live算法,利用接触刚度连续测量(CSM)技术,实现了ANA沸石的硬度、弹性模量随压痕深度变化的连续测量,得到了ANA沸石单晶的硬度、弹性模量分别为0.25GPa和4GPa。用Instron仪器测得ANA多晶粉饼的弹性模量值为125MPa。对ANA沸石大单晶和ANA沸石多晶粉饼的力学性能进行了比较。     

求解Ⅰ型裂纹构元J积分的半解析方法

表征裂纹尖端应力应变场程度的J积分是一个定义明确、理论严密的弹塑性断裂力学基础参量.目前J积分的计算主要是依靠塑性因子法和有限元法,但对各类裂纹构元获得J积分以及载荷-位移关系的解析公式以实现材料断裂韧性理论预测和材料测试是断裂力学的重要和困难的任务.以J积分为参量的材料断裂测试中应用最广的是Ⅰ型裂纹试样的断裂韧性测试.本文在平面应变条件下,针对断裂韧性测试中使用的6种Ⅰ型裂纹构元,基于能量等效假设,提出了J积分-载荷和载荷-位移的工程半解析统一表征方法,进而结合有限元分析的少量计算获得J积分-载荷和载荷-位移关系的半解析公式待定参数.分析表明,6种Ⅰ型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移统一公式的预测结果与有限元结果吻合良好.新提出的J积分-载荷工程半解析公式包含了材料的弹性模量、应力强度系数和应变硬化指数,能够广泛适应不同的材料,且运用该公式能够方便获取任意载荷点对应的J积分值.应用新方法可便于获得各类Ⅰ型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移工程半解析公式.     

考虑压头曲率半径和应变梯度的微压痕分析

在压头尖端曲率半径取100nm的前提下，采用Chen和Wang的应变梯度理论，对微压痕实验进行了系统的数值分析. 首先通过拟合载荷-位移实验曲线的后半段来确定材料的屈服应力和幂硬化指数值,然后用有限元方法数值模拟压痕实验，并将计算得到的整段载荷-位移曲线及硬度-位移曲线和实验结果进行了比较. 结果表明应变梯度理论所预测的计算结果和实验结果很好地符合,包括压痕深度在亚微米和微米范围内的整段曲线.     

基于有限元法-正则化的弹性模量反求算法研究

生物组织的病变往往导致其物理特性的变化,研究生物组织的物理特性变化对诊断生物组织病变与否能够提供参考.本文提出了根据已知生物组织部分边界位移信息、外部载荷、边界条件和有限元模型,利用正则化方法反求弹性模量的方法.首先将求解弹性模量问题描述成一个力学反问题,建立逆系统辨识的数学模型,并应用正则化原理建立生物组织弹性模量反求算法.最后利用仿真算例验证了算法的有效性,并结合图像识别技术试验获取对象部分边界位移信息,反求其弹性模量,证明了本文反求方法的可行性.     

焊接接头局部塑性行为的循环压痕实验研究

基于纳米压痕技术,对转子钢焊接接头不同区域（母材、焊缝和热影响区）开展了压入位移控制的单向压痕实验和压入载荷控制的循环压痕实验研究．首先,通过压入位移控制的单向压痕实验,采用多次测试取平均值的方式获得了焊接接头各个区域的弹性模量和硬度分布特征,同时对各区域弹性模量中值点的载荷-压入深度曲线进行了分析;其次,对各个区域进行压入载荷控制的循环压痕实验,比较其压入深度随循环周次的演化特征．结果表明,焊接接头不同区域力学性能差异较大,热影响区的弹性模量、硬度、抗拉强度和抗循环变形能力最高,焊缝次之,母材最弱;三个区域在循环压痕载荷下的接触载荷-压入深度滞回环曲线均表现出类似棘轮变形的演化特征,且母材演化速度高于焊缝,高于热影响区．研究结果对汽轮机焊接转子的焊接工艺的优化、寿命预测和可靠性设计具有重要的借鉴意义．     

沸石分子筛单晶体弹塑性双线性本构关系的实验研究与有限元确定

为研究两种沸石分子筛方钠石SOD和镁碱沸石FER的力学性能,采用纳米压痕技术,测得随载荷连续变化的位移,得到载荷-位移曲线图.根据Olive算法,利用接触刚度连续测量技术,得到这两种沸石分子筛的硬度及弹性模量.基于弹塑性双线性本构关系假定,用ANSYS有限元程序模拟纳米压痕实验过程,利用搜索法得到沸石大单晶SOD和FER的双线性本构关系.     

橡胶材料弹性模量数字图像相关测定法

利用数字图像相关方法测量了小应变下柔性橡胶的弹性模量.用CCD相机记录单轴压缩实验中圆柱体橡胶试样表面人工散斑图像,作为数字图像相关测量技术中的变形信息载体.分析了镜头畸变对位移测量的影响,运用数字图像相关法得出小应变范围内像胶的应力应变曲线,计算出橡胶的弹性模量.并与采用千分表所得到的结果进行了比较,两者符合较好.实...     

微纳米尺度膜/基结构界面性能的实验研究

为了研究铜膜/有机玻璃结构的界面性能,首先对沉积在有机玻璃基底上300nm厚的铜膜进行了单轴压缩实验,部分区域的薄膜因屈曲而脱离基底。选择在膜/基粘接良好区域、膜/基脱粘区域分别进行等位移纳米压痕实验。利用膜/基粘接良好区域处硬度/弹性模量与压痕位移的关系来确定膜/基结构的临界脱粘位移。基于宏观力学中表征界面性能的能量法,利用两个区域等位移的塑性功差值来确定界面能量释放率。研究结果表明:当压痕位移约450nm时,膜/基结构开始出现界面脱粘,实验测得铜膜/有机玻璃结构的界面能量释放率值在6.81~10.32J/m2之间。     

The Brazilian disc under parabolically varying load: Theoretical and experimental study of the displacement field

The displacement field in an intact Brazilian disc under the influence of a parabolically varying radial pressure distribution acting along two symmetric arcs of its periphery is studied. The specific loading type closely approaches the actual load-distribution as obtained by considering the specimen and the load platen as a system of two elastic bodies in contact. The problem is solved adopting the complex potentials method and a closed form full-field solution is proposed. The results of the theoretical analysis for discs made either from Dionysos marble or PMMA are considered in juxtaposition to the respective ones obtained for uniform radial pressure as well as for concentrated point load. Critical points related to the variation of the displacement field in the immediate vicinity of the load platen-specimen interface are enlightened. The accuracy of the solution is assessed by comparing the analytic results with the experimental ones obtained from series of Brazilian-disc tests carried out using the standardized device suggested by the international society for rock mechanics. The specimens were made from PMMA and the 3D digital image correlation technique was employed for measuring the components of the displacement field developed. It is proved that the experimental results are in very good qualitative and quantitative agreement with the theoretical predictions.     

用直接散斑技术测量复合材料试件的面内位移

直接散斑法用来测量带中心圆孔复合材料条状试件在拉伸载荷作用下的面内位移分布,采用镜面移植技术,提高复合材料试件表面的反射性能,从而得到高质量的散斑干涉干板,在分析散斑干涉干板时,由于得到的全场位移分布条纹频率的可调性,使此方法测量范围很宽,由弹性应变到塑性应变,直接散斑法测量的结果与云纹法得到的结果相符合。     

正交各向异性复合井壁应力变形分析与应用

推出了正交各向异性多层复合井壁的应力、位移计算公式,分析了双层混凝土中间夹泡沫塑料板的复合井壁的应力、变形规律. 发现当井壁环向弹性模量小于径向弹性模量时,内壁最大剪应力和径向位移会随着环向模量的减小而显著增大,若仍按各向同性设计,将可能出现病态井壁. 通过工程应用和现场测试综合分析验证了上述结论,并提出了多层复合井壁破裂的新依据.     

Determination of the Frictional Properties of Titanium and Nickel Alloys Using the Digital Image Correlation Method

The paper describes experiments to investigate the frictional properties of a Titanium alloy (Ti-6Al-4V) and a Nickel alloy (Udimet 720) under representative engineering conditions. Flat fretting pads with rounded corners were clamped against a flat specimen and a servo-hydraulic tensile testing machine was used to apply cyclic displacement to the specimen. Slip displacement between the specimen and pad was measured remotely using an LVDT and locally using digital image correlation. The latter approach allowed accurate determination of the tangential contact stiffness from frictional hysteresis loops. The results obtained show that the contacts are significantly less stiff than would be predicted by a smooth elastic contact analysis. A finite element model of the experimental contact geometry was constructed and it was shown that good agreement with the experimental measurements of contact stiffness can be obtained with a suitable choice of elastic modulus for a compliant surface layer.     

2.5维自愈合C/SiC复合材料弹性性能预测

通过试验研究了2.5维自愈合C/SiC复合材料(2.5D-C/SiC)的面内弹性性能.基于复合材料的细观结构,建立了2.5D-C/SiC的弹性模量预测模型.预测结果与试验值吻合较好,证明了模型及计算方法的正确性.研究发现,随着纤维束中纤维数的增大,经纱方向纤维的体积含量和拉压模量均增大,面内剪切模量几乎无变化,纬纱方向纤维的体积含量和其余模量均降低.随着经纱编织角度的增加,经纱方向纤维的体积含量和拉压模量均降低,面内剪切模量变化很小,纬纱方向纤维的体积含量和其余模量均增大.保持碳化硅与碳化硼体积分数的总和不变,随着碳化硼与碳化硅体积比的增加,弹性模量均逐渐降低,降低幅度很小.     

梯度弹性基础上正交异性薄板的屈曲分析

基于双参数弹性基础模型,研究了梯度弹性基础上正交异性薄板的屈曲问题. 首先,基于能量法与变分原理,给出了梯度弹性基础上正交异性薄板的屈曲控制方程,并得到了梯度弹性基础刚度系数K1 与K2的计算式;进而,通过将位移函数采用三角函数展开的方法,给出了单向压缩载荷作用下、四边简支正交异性弹性基础板屈曲载荷的计算式;在算例中,通过将该文的解退化到单纯的正交异性板,并与经典弹性解比较,证明了理论的正确性;最后,求解了弹性模量在厚度方向上呈幂律分布的梯度基础上的薄板屈曲问题,分析了基础上下表层材料弹性模量比与体积分数指数对屈曲载荷的影响.     

The principle and application of sticking film moiré internnferometry

This paper presents a new method for obtaining a high-resolution one-dimensional or two-dimensional moiré pattern on a specimen. The technique uses a holographic film that adheres to the specimen. The film is twice exposed by a virtual holographic grating, then it is removed from the specimen, devellped, fixed, bleached, and illuminated. This process produces clearly visible moiré patterns. The method is used to measure elastic modulus values of some materials, deflection and longitudinal displacement of a beam, stress-intensity factors (SIF), crack-opening displacement (COD,J integral, and a dynamic deformation. This paper explains the principles of the method, derives two displacement equations of two-dimensional moiré interferometry, and discusses the reliability, range of application, and measuring precission of the new method.     

应用边界积分法求圆形夹杂问题的解析解

边界元方法作为一种数值方法,在各种科学工程问题中得到了广泛的应用.本文参考了边界元法的求解思路,从Somigliana等式出发,利用格林函数性质,得到了一种边界积分法,使之可以用来寻求弹性问题的解析解.此边界积分法也可以从Betti互易定理得到.应用此新方法,求解了圆形夹杂问题.首先设定夹杂与基体之间完美连接,将界面处的位移与应力按照傅里叶级数展开,根据问题的对称性与三角函数的正交性来简化假设,减少待定系数的个数.其次选择合适的试函数(试函数满足位移单值条件以及无体力的线弹性力学问题的控制方程),应用边界积分法,求得界面处的位移与应力的值.然后再求解域内位移与应力.得到了问题的精确解析解,当夹杂弹性模量为零或趋向于无穷大时,退化为圆孔或刚性夹杂问题的解析解.求解过程表明,若问题的求解区域包含无穷远处时,所取的试函数应满足无穷远处的边界条件.若求解区域包含坐标原点,试函数在原点处位移与应力应是有限的.结果表明了此方法的有效性.