Stone-Wales拓扑缺陷对石墨烯拉伸力学性能的影响

采用Tersoff势对含Stone-Wales(SW)拓扑缺陷的单层石墨烯薄膜的单向拉伸力学性能进行了分子动力学模拟,分别研究了SW拓扑缺陷对扶手椅型和锯齿型石墨烯拉伸力学性能及变形机制的影响.研究结果表明,单个SW缺陷对两种手性石墨烯薄膜的杨氏模量几乎无影响,而对薄膜的强度、应变等力学性能和变形破坏机制的影响与手性有关.对于扶手椅型石墨烯薄膜,单个SW缺陷降低了薄膜的拉伸强度和拉伸极限应变,降低幅度分别为5.04%和7.07%.在外载作用下,新的缺陷的萌生位置出现在SW缺陷附近;而对于锯齿型石墨烯薄膜,单个SW缺陷基本不影响薄膜的力学性能和变形破坏机制.     

基于分子动力学的氧化石墨烯拉伸断裂行为与力学性能研究

与石墨烯相比,氧化石墨烯(graphene oxide, GO)的亲水性、分散性和反应活性更好,更易于作为增强材料而研发生成性能超常的复合材料,但另一方面,由于其电子结构较为复杂,致使目前有关力学方面的研究存在一定差异.本文利用分子动力学方法,建立了羟基、羧基和环氧基等官能团随机分布的GO原子模型;通过单向拉伸模拟,分析了其断裂行为,结果表明,远离羟基和羧基的环氧基对断裂具有"诱导"作用,并从化学成键、体系能量和应力分布三个角度对其机理进行了阐释;此外,进一步研究了拉伸应力-应变曲线、极限强度、极限应变等力学性能与含氧官能团覆盖度间的关系,结果表明,极限强度、极限应变均随含氧官能团覆盖度的增大而呈减小趋势.分析认为,主要原因是官能团的出现对石墨烯面内的sp~2杂化形式造成了破坏,进而使得原子间键合能弱化,随着含氧官能团的覆盖度的增大,被弱化的键合能的数量和程度将越大,从而使得GO的极限强度、极限应变等越低.研究结果可为GO的基础研究和工程应用提供参考.     

基于分子动力学的氧化石墨烯拉伸断裂行为与力学性能研究

与石墨烯相比,氧化石墨烯(graphene oxide, GO)的亲水性、分散性和反应活性更好,更易于作为增强材料而研发生成性能超常的复合材料,但另一方面,由于其电子结构较为复杂,致使目前有关力学方面的研究存在一定差异.本文利用分子动力学方法,建立了羟基、羧基和环氧基等官能团随机分布的GO原子模型;通过单向拉伸模拟,分析了其断裂行为,结果表明,远离羟基和羧基的环氧基对断裂具有"诱导"作用,并从化学成键、体系能量和应力分布三个角度对其机理进行了阐释;此外,进一步研究了拉伸应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线、极限强度、极限应变等力学性能与含氧官能团覆盖度间的关系,结果表明,极限强度、极限应变均随含氧官能团覆盖度的增大而呈减小趋势.分析认为,主要原因是官能团的出现对石墨烯面内的sp$^{2}$杂化形式造成了破坏,进而使得原子间键合能弱化,随着含氧官能团的覆盖度的增大,被弱化的键合能的数量和程度将越大,从而使得GO的极限强度、极限应变等越低. 研究结果可为GO的基础研究和工程应用提供参考.      

人工冻土力学性能影响因素敏感性分析

为分析人工冻土单轴抗压强度影响因素敏感性,选定人工冻土单轴抗压强度的7 种影响因素,按正交试验设计方案进行大量冻土单轴压缩试验,并采用灰色关联理论对试验结果进行分析,研究分析诸因素敏感性排列顺序. 试验结果表明：在选定的7 种影响因素中,温度为最大敏感因素,其它依次为深度、土性、养护时间、加载速率、含水率和密度,且选定的7 种因素均为重要影响因素,为相关室内试验与工程应用提供依据.     

单纤维微拉伸力学性能测试与分析

针对微尺度材料力学性能测试与尺度效应实验研究的需要,自行研制了一台FMT-I型高精度纤维材料微拉伸力学性能实验装置,并基于LabVIEW软件平台开发了相应的数据采集与控制系统,实现了测试过程的全自动化。该装置的测力传感器由非接触式激光位移传感器和两端固定的薄梁组成,可同时测量试样的拉伸力和上夹持端的位移量,帮助精确地获取试样的载荷-变形曲线。采用该装置对微米级直径的多晶铜丝、316L不锈钢纤维和T300碳纤维进行了拉伸测试。实验结果表明,直径为18～105μm多晶铜丝的拉伸力学行为并无明显的尺度效应;多晶铜丝和316L不锈钢纤维的弹性模量分别在43.9～60.0GPa和102.9～111.5GPa之间,均低于宏观尺度下材料的弹性模量;316L不锈钢纤维的抗拉强度和延伸率随着丝径的减小而降低;T300碳纤维的弹性模量为235.4±12.4GPa,抗拉强度为3238.2±280.8MPa,断裂应变约为1.5%。另外,相同的细铜丝材料的测试结果与Instron5848型商用拉伸试验机的测试结果进行了对比,吻合良好。通过系统的实验分析表明,该装置具有较高的精度和稳定性,适用于各种纤维材料的拉伸力学性能测试。     

ARALL 材料拉伸力学性能的试验研究

利用自行研制的旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验装置对ＡＲＡＬＬ材料以及施加预应力的ＡＲＡＬＬ材料进行了３个应变率（２００、５００、１３００ｓ－１）的冲击拉伸试验,得到了两种材料在不同应变率下的完整的应力应变曲线。结果表明ＡＲＡＬＬ材料在高速加载条件下的变形可以分为弹性变形、塑性变形和材料失稳后的残余变形三个部分,每个部分都有不同的变形机理。结果还表明,随着应变率的增加两种材料的屈服应力、失稳应力以及失稳应变均相应增加,表现出明显的应变率强化和动态韧性现象。最后根据材料在不同应变率下的试验结果,建立了ＡＲＡＬＬ材料计及应变率影响的三段线性本构模型。     

扭转塑性变形对6063铝合金拉伸力学性能的影响机理研究

扭转是一种常用的冷作硬化方法。本文通过实心圆轴扭转实验和预扭试件的单向拉伸实验,研究了扭转塑性变形程度对6063铝合金拉伸力学性能的影响。通过理论研究和硬度分析探究了造成这一影响的内在机理。结果表明,试件扭转后其内部形成的以屈服强度为特征参数的梯度结构,是造成预扭试件力学性能得到改善的根本原因。并且,扭转不同的角度,材料内部产生的梯度结构也是不同的。而不同的梯度结构对试件力学性能的影响则表现为后继拉伸屈服强度随预扭角度的增大而增大。为了预测预扭试件的后继拉伸力学行为,验证前述结论的正确性,建立了由内到外屈服强度逐渐变化的有限元模型。此模型代表了预扭转变形试件,对其施加位移载荷,模拟后继单向拉伸加载过程。模拟所得材料力学性能随扭转角的变化趋势与实验结果基本吻合,从而验证了扭转冷作硬化后,圆轴试件内部产生了以屈服强度为特征参数的梯度结构这一结论。同时,也提供了一种有效的预测材料扭转后拉伸力学性能的数值模拟方法。     

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。     

脱水污泥力学性能研究及其对料仓的影响分析

采用土工试验, 对污泥的孔隙比、压缩系数、应力位移关系、抗剪强度与垂直压力之间的关系等进行了研究, 简要分析了污泥性能对料仓的影响. 结果表明, 污泥的含水率、孔隙比明显高于一般的淤泥质土. 结实污泥的抗剪强度、内聚力都明显高于松散污泥. 松散污泥具有高压缩性, 在垂直压力62.5~100 kPa 附近出现压缩系数的极小值, 污泥颗粒结构相对稳定, 在垂直压力大于60 kPa, 超固结现象明显, 其内摩擦角与结实污泥接近. 污泥进入料仓前应先将污泥进行破碎, 避免污泥的超固结现象发生.     

The effect of contained salts on the mechanical properties of polycrystalline ice

Sans résumé     

The influence of a limiting dislocation flux on the mechanical response of polycrystalline metals

Certain physical results from the study of dislocation motions lead to the concept of ideal viscoplasticity. In particular the existence of a limiting dislocation velocity, coupled with an upper limit on dislocation density, provides an upper bound on the dislocation flux. Thus, the plastic strain rate in polycrystalline metals must also be bounded in many cases of interest. This physical situation can be idealized by postulating transition functions from zero to maximum flux in as simple as possible a manner consistent with the problem under investigation and the solution features to be examined. A drastic transition function is given here which leads to multiaxial stress, strain, strain-rate relations of reasonable simplicity and these are illustrated by application to several example problems. A common feature of the solutions of the examples treated is that the material response is partly rate dependent and partly rate independent. This indicates that the corresponding physical situations are characterized by large dislocation fluxes during part of the time and very small fluxes at other times.     

Tunable band structures of polycrystalline graphene by external and mismatch strains

Lacking a band gap largely limits the application of graphene in electronic devices. Previous study shows that grain boundaries (GBs) in polycrystalline graphene can dramatically alter the electrical properties of graphene. Here, we investigate the band structure of polycrystalline graphene tuned by externally imposed strains and intrinsic mismatch strains at the GB by density functional theory (DFT) calculations. We found that graphene with symmetrical GBs typically has zero band gap even with large uniaxial and biaxial strain. However, some particular asymmetrical GBs can open a band gap in graphene and their band structures can be substantially tuned by external strains. A maximum band gap about 0.19 eV was observed in matched-armchair GB (5, 5) | (3, 7) with a misorientation of θ = 13° when the applied uniaxial strain increases to 9%. Although mismatch strain is inevitable in asymmetrical GBs, it has a small influence on the band gap of polycrystalline graphene.     

铝蜂窝的动态力学性能及影响因素

采用显式动力有限元方法研究了具有不同胞元结构的六角形铝蜂窝在冲击荷载下的力学性能,讨论了铝蜂窝的变形模式和动态承载力以及影响因素。通过改变胞壁夹角得到5种不同的胞元结构,计算采用了3种冲击速度。结果表明,在准静态变形模式下,胞元的几何因素对铝蜂窝的承载力起主导作用;一旦蜂窝的变形呈现动态模式后,惯性效应显著,对蜂窝承载力起决定作用,胞元几何因素的影响不再明显;在过渡模式下,惯性效应与几何因素共同主导蜂窝的动态承载力,并且冲击速度越高,惯性效应的影响越大。     

Well posed formulations of holonomic mechanical system dynamics and design sensitivity analysis

Abstract

Manifold theoretic ordinary differential equations of motion for holonomic mechanical systems that depend on problem data, or design variables, are shown to be well posed; i.e., they have a unique solution that depends continuously on problem data. It is proved that these differential equations are equivalent to the d’Alembert variational formulation and the index 3 Lagrange multiplier formulation of differential-algebraic equations of motion, which are also shown to be well posed. These results provide a foundation for dynamic system design sensitivity analysis, which requires differentiability of solutions of the equations of motion with respect to design variables.     

多晶体变形、应力的不均匀性及宏观响应

从单晶滑移变形分析的角度探讨多晶体塑性变形和应力的不均匀性及宏观力学响应：建议了 一种当前构形下以应力为基本变量的单晶黏塑性增量迭代计算方法；用Voronoi晶粒集合体 模型研究多晶体由于晶粒几何及取向的随机性造成的变形和应力的不均匀性, 进行了多晶集 合体的宏观响应和晶粒位向演化数值分析. 结果表明：(1)多晶体内等效塑性应变和应力分量在统计上呈现高斯分布，在应变硬化过程中, 随着塑性变形增加多晶体微观应力的统计变异系数会越来越大；(2)用Voronoi模型计算可得到沿最大剪应力方向的滑移变形带；(3)多晶体内最高三轴拉应力一般出现在晶界特别是三晶交界处；(4)Voronoi模型能用于织构分析.     

Tensile properties of an extruded polyethylene-melt

Summary Isothermal continuous stretching experiments with a Rheotens apparatus were carried out on an extruded polyethylene melt. Measurements of the tensile force, the thread velocity and the thread profiles for various mass flow rates resulted in the determination of the elongational viscosity as a function of the strain rate and the deformation time. It was found that the deformation time is a more suitable general parameter than the strain rate for the characterization of the elongational viscosity of extruded polymer melts.

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Zusammenfassung Experimente zum isothermen Schmelzspinnen wurden mit dem Rheotens an einer extrudierten Polyäthylenschmelze durchgeführt.Messungen von Abzugskraft, Abzugsgeschwindigkeit und Querschnittsprofil des extrudierten Stranges bei variierenden Ausstößen führten zur Bestimmung der Dehnviskosität als Funktion von Dehngeschwindigkeit und Deformationszeit. Es konnte nachgewiesen werden, daß die Deformationszeit besser als die Dehngeschwindigkeit zur Charakterisierung der Dehnviskosität von extrudierten Schmelzen geeignet ist.

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Vortrag, gehalten auf der Jahrestagung der Deutschen Rheologischen Gesellschaft e.V., Universität Dortmund, 9. bis 11. März 1977.

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With 8 figures