多孔材料在压缩载荷作用下的剪切破坏模式分析

压缩行为是工程材料最为基本的力学性能之一. 本文通过简化结构模型分析了各向同性的三维网状高孔率多孔材料在压缩载荷作用下的破坏模式,其中包括单向压缩、双向压缩和三向压缩等三种承载情形. 在此基础上,得出了这种多孔体受压破坏源于剪切断裂模式时名义主应力与孔率之间的数理关系. 结果表明,该类材料承受压缩载荷时的破坏模式与其材质的种类有关,脆性材质多孔体的孔棱呈拉断破坏模式,而韧性材质多孔体的孔棱则可能出现剪切断裂的破坏模式. 对应得出的强度设计判据可为该类材料在这种承载破坏模式下的应用提供参考.     

轴向冲击载荷作用下双壁碳纳米管的动力屈曲

应用改进的有限元方法,建立考虑层间范德华力作用的壳-弹簧非线性有限元模型,基于B-R运动准则,系统地研究了双壁碳纳米管的动力屈曲问题,得到了轴向冲击载荷作用下双壁碳纳米管的临界动力屈曲载荷和临界动力失效载荷. 研究结果表明,在动力屈曲过程中,双壁碳纳米管层间距的变化非常小,各管的变形相互协调;碳纳米管中应力波的传播导致碳纳米管出现非对称屈曲模态,可明显观测到四个环向波瓣,沿着碳纳米管的轴线方向,四个波瓣的波峰和波谷交替变化. 对碳纳米管动力屈曲问题的研究表明,冲击载荷的大小和持续时间对碳纳米管的动力屈曲有 关键词： 碳纳米管 动力屈曲 冲击载荷     

冲击压缩下玻璃等脆性材料中失效波的研究进展

失效波的研究始于Rasorenov和Kanel发现K19玻璃样品后自由表面速度时程曲线上有反常再压缩信号。失效波是二十世纪九十年代冲击动力学研究领域的一个重要发现,它是指在一维平面应变冲击压缩下,在玻璃等脆性材料中由冲击波引起的一种独特的失效或破坏现象。较为系统地回顾近年来对失效波的研究工作,评述了研究现状、最新结果、发展趋势、研究方法和实验手段,对尚存的问题进行了分析讨论,并介绍了玻璃材料的基本特性。最后简单汇报了作在这方面的研究工作和取得的阶段性结果。     

内部爆炸载荷作用下砌体墙结构的失效规律

为了探究钢筋混凝土框架-砌体墙建筑物的内爆毁伤效应,开展了内爆载荷下砌体墙结构动力响应和失效规律研究。采用数值模拟方法,并结合理论分析,研究了不同当量内爆载荷下砌体墙的失效机理以及失效形式转化过程。结果表明,小药量内部爆炸时,砌体墙的主要失效形式为弯曲导致的墙面开裂。随着药量增加,墙体边界在首道冲击波反射超压作用下发生以剪切变形为主导的失效。而在大药量条件下,首道冲击波超压使砌体墙材料达到极限抗压强度而发生压溃失效。研究结果可为砌体墙结构毁伤评估与防护设计提供技术参考。     

冲击载荷下分层梯度泡沫材料中的应力波传播特性

以一维应力波传播理论为基础,建立了3层金属泡沫材料受到刚性块撞击时的理论模型,研究了刚性块撞击3层泡沫圆杆时的动力响应过程,从理论上给出了刚性块在撞击过程中的速度衰减规律数值解。利用ANSYS/LS-DYNA分析了受刚性块撞击时塑性应力波在3层泡沫材料中的传播过程,比较了刚性块以及层间界面处节点速度的变化规律。通过对比有限元结果与理论结果发现:理论模型能够较好地预测冲击载荷下分层泡沫材料各界面的速度衰减规律;3层梯度泡沫材料比相同质量的单层均质泡沫材料具有更加高效的吸能和缓冲能力。由于理论假设忽略了反射波以及泡沫材料应变硬化效应的影响,理论解与有限元模拟结果之间存在一定的误差。     

高热流密度激光作用下含湿多孔材料的传热传质分析

建立了快速高热流密度激光作用下含湿多孔材料传热传质数学模型,并采用恰当的数值处理方法进行了数值计算.结果表明,快速高热流密度激光作用下含湿多孔材料的传热传质具有经典热质传递理论难以解释的超常效应-非傅立叶与非费克效应,且非费克效应比非傅立叶效应更明显,较高含湿量的材料在高热流密度激光作用下的非费克效应应予以足够重视.     

多孔材料传热特性的试验研究

对多孔材料在低温下的传热特性进行了试验研究,试验结果表明在填充多孔材料以后夹板表面低温维持时间明显增加,主要原因是由于多孔材料的参与改变了传热特性,且材料的密度与其传热特性有着密切的关系。在一定范围内,随着多孔材料密度的增大,其传热特性不断增强。     

冲击压缩下玻璃等脆性材料中失效波的研究进展

失效波的研究始于Rasorenov和Kanel发现K1 9玻璃样品后自由表面速度时程曲线上有反常再压缩信号。失效波是二十世纪九十年代冲击动力学研究领域的一个重要发现 ,它是指在一维平面应变冲击压缩下 ,在玻璃等脆性材料中由冲击波引起的一种独特的失效或破坏现象。较为系统地回顾近年来对失效波的研究工作 ,评述了研究现状、最新结果、发展趋势、研究方法和实验手段 ,对尚存的问题进行了分析讨论 ,并介绍了玻璃材料的基本特性。最后简单汇报了作者在这方面的研究工作和取得的阶段性结果。     

多孔材料内部结构的微CT扫描仪分析

本文介绍使用微CT扫描仪对样品进行扫描和图像重构的原理,以蛋糕为样品使用CT对多孔材料的内部结构进行研究,包括样品的孔隙率及其变化,水在大孔内的分布,空腔的三维重构图像和样品内部其它微细特征。结果表明, 浸水的样品在干燥后,骨架收缩,部分孔的尺寸明显增大,孔隙率增加,而没有浸水的蛋糕在干燥前后结构变化不大。文章表明,对于孔径大于几十微米的多孔性材料,使用文中的微CT扫描仪可以有效地对它们进行内部结构的研究。     

多孔脆性介质冲击波压缩破坏的细观机理和图像

本文采用一种具有良好定量性质的离散元模型研究了带孔洞的各向同性脆性介质在细观尺度上的压缩破坏特征. 通过对孤立孔洞、三种简单的孔洞排布方式和大量孔洞随机排布等几种情况的模拟, 认识到了剪切破坏和局域拉伸破坏是冲击波压缩下多孔介质的基本破坏模式; 孔洞之间的损伤贯通会促进孔洞在较低应力下发生塌缩, 但损伤区的应力松弛过程却会对一定范围内的介质起到损伤屏蔽作用; 不同区域中损伤促进和损伤屏蔽的综合效果是在多孔脆性介质中形成一种高损伤区与低损伤区间错排布的奇特损伤分布. 本文的研究结果为深入理解脆性材料冲击波压缩破坏的演化过程和机理提供了细观尺度上的初步物理图像.     

Fractal analysis for effective thermal conductivity of random fibrous porous materials

In this Letter, a fractal series-parallel model, which included numerous capillary channels both parallel and perpendicular to the heat flow direction, was established to predict the effective thermal conductivity of fibrous porous material (FPM). The prediction results from the proposed model are compared with calculated values from other theoretical models and experimental data.     

热力耦合作用下双层碳纳米管的扭转屈曲

考虑碳纳米管周边弹性介质和层间范德瓦耳斯力的作用,利用连续介质力学的壳体理论,建立了热力耦合作用下碳纳米管屈曲问题的控制方程,给出了相应的临界屈曲扭矩的解析解.数值模拟结果表明,在低温和室温环境下,碳纳米管的临界屈曲载荷随着温度变化量的增加而提高;在高温环境下,碳纳米管的临界屈曲载荷随着温度变化量的增加而降低. 关键词： 碳纳米管 屈曲 热力耦合     

Secondary buckling patterns of a thin plate under in-plane compression

We study the nonlinear deformations of a long rectangular elastic plate clamped along its edges and submitted to in-plane biaxial compression. Using the F?ppl-von Kármán equations, we predict various secondary buckling modes according to the applied longitudinal and transverse compressions. A model experiment is carried out in a thin polycarbonate film, and the observed buckling patterns are found in good agreement with theory. Pattern selection in the delamination of compressed thin films is discussed in the light of these results. Received 22 January 2002     

Transitional failure of hybrid carbon nanotubes under multiaxial loads

Transitional failure envelopes of hybrid single-walled carbon nanotubes functionalized by functional groups and filled with butane molecules under combined tension–torsion are predicted using classical molecular dynamics simulations. The observations reveal that while the tensile failure load decreases with combined torsion, the torsional buckling moment increases with combined tension. As a result, the failure envelopes under combined tension–torsion are definitely different from those under pure tension or torsion. In such combined loading, there is a multitude of failure modes (tensile failure and torsional buckling), and the failure therefore exhibits the feature of transitional failure envelopes. In addition, the functionalization by functional groups decreases both tensile failure load and torsional buckling moment, while filling with butane molecules increases only the torsional buckling moment. Consequently, the transitional failure envelopes of functionalized and filled nanotubes are absolutely different relative to what is predicted for pristine nanotubes.     

Effects of compression on the sound absorption of porous materials with an elastic frame

The absorption characteristics of a porous material are well known to vary during compression. The transfer matrix method is applied with an elastic frame to explore the effect of compression on absorption properties. In this work, the materials are treated as elastic rather than being made of rigid models. The absorption coefficients of the uncompressed and compressed porous material are initially calculated and verified from the experimental measurements. Then, numerical predictions of absorption coefficient are made for the compressed porous material.     

Characterization of porous materials by small-angle scattering

Characterization of porous materials by small-angle scattering has been extensively pursued for several years now as the pores are often of mesoscopic size and compatible with the length scale accessible by the technique using both neutrons and X-rays as probing radiation. With the availability of ultra small-angle scattering instruments, one can investigate porous materials in the sub-micron length scale. Because of the increased accessible length scale vis-a-vis the multiple scattering effect, conventional data analysis procedures based on single scattering approximation quite often fail. The limitation of conventional data analysis procedures is also pronounced in the case of thick samples and long wavelength of the probing radiation. Effect of multiple scattering is manifested by broadening the scattering profile. Sample thickness for some technologically important materials is often significantly high, as the experimental samples have to replicate all its essential properties in the bulk material. Larger wavelength of the probing radiation is used in some cases to access large length scale and also to minimize the effect of double Bragg reflections.     

多孔脆性材料对高能量密度脉冲的吸收和抵抗能力

作用在脆性结构材料表面的高能量密度脉冲会以冲击波的形式传播进入材料内部, 导致压缩破坏和功能失效. 通过设计并引入微孔洞, 显著增强了脆性材料冲击下的塑性变形能力, 从而使脆性结构材料可以有效地吸收耗散冲击波能量, 并抑制冲击诱导裂纹的扩展贯通. 建立格点-弹簧模型并用于模拟研究致密和多孔脆性材料在高能量密度脉冲加载下的冲击塑性机理、能量吸收耗散过程和裂纹扩展过程. 冲击波压缩下孔洞塌缩, 导致体积收缩变形和滑移以及转动变形, 使得多孔脆性材料表现出显著的冲击塑性. 对致密样品、气孔率5%和10%的多孔样品吸能能力的计算表明, 多孔脆性材料吸收耗散高能量密度脉冲的能力远优于致密脆性材料. 在短脉冲加载下, 相较于遭受整体破坏的致密脆性材料, 多孔脆性材料以增加局部区域的损伤程度为代价, 阻止了严重的冲击破坏扩展贯通整个样品, 避免了材料的整体功能失效.