基于同步辐射原位CT的聚氨酯泡沫微观变形机理研究

为揭示聚氨酯泡沫的微观结构性能关系,本文依靠自主研发的微型材料试验机,在美国APS光源2BM线站上搭建了原位CT系统,对闭孔硬质聚氨酯泡沫在准静态压缩加载下的变形损伤行为进行了三维实时表征,分辨率可达0.87μm。通过原位CT试验获取了硬质聚氨酯泡沫的应力应变关系,以及三个变形阶段(弹性、平台、压实)的三维结构演化过程。三维图像显示,在平台段会观察到局部压缩带从样品两端向中间传播的过程,且压缩带传播速度会超过压头速度。同时,利用数字体图像相关技术精确计算了聚氨酯泡沫的三维变形场,表明压缩变形主要集中在变形带内部。通过追踪胞元变形过程并利用表面曲率场来量化胞壁变形,发现胞元坍塌主要源于包壁屈曲形成的褶皱。     

聚丙烯酸酯改性水泥注浆材料力学性能与微观结构研究

注浆材料的力学性能对注浆加固效果至关重要。为探究聚丙烯酸酯乳液改性水泥浆液是否可以作为一种修复破碎岩体的注浆材料,文章开展了不同配比的单轴抗压强度试验,并与实际工程中应用过的注浆材料进行了对比测试,最后对几种注浆材料的微观结构进行了表征。结果表明,聚丙烯酸酯乳液改性水泥浆液结石体和注浆加固体具有突出的单轴抗压强度和韧性,这与聚丙烯酸酯乳液可以改善结石体孔隙结构,以及使浆液与岩体之间紧密胶结有关。

     

岩石微观结构CT扫描表征技术研究

岩石微观结构特征研究对非常规油气藏的演化规律、油气赋存状态、运移方式、渗流特征等基础地质问题研究具有重要的科学意义.利用CT 扫描技术对油砂、致密砂岩和页岩样品微观结构表征研究,并对比了常规测试方法与CT扫描表征技术的差异性. 对比CT扫描法和筛分法测试油砂矿物的粒度分布,两者结果十分接近,矿物颗粒大小分布总体趋势上差异小,但小于96μm的颗粒矿物分布差异性稍大.CT扫描结果显示致密砂岩样品的裂缝比较发育,还发育溶蚀孔隙. 由于测试方法和样品大小的差异性,CT扫描获得的孔隙度略大于氦气法孔隙度.微米CT 扫描可以表征页岩的层理发育情况,但无法表征内部的微观孔隙结构.与常规测试方法相比,纳米CT 扫描表征页岩中有机质和黄铁矿的含量等方面准确性好,但孔隙度测试结果偏小.纳米CT分辨率还不能完全满足表征页岩的微观孔隙结构的要求,同时有机质和孔隙的灰度值差异较小,两者区分难度大,因此纳米CT还无法完全准确表征页岩微观孔隙结构.      

WFeNiMo高熵合金动态力学行为及侵彻性能研究

为了探究不同应变速率下WFeNiMo高熵合金的变形行为和侵彻性能, 采用万能材料试验机、分离式霍普金森压杆开展了高熵合金的静动态力学性能试验, 讨论了其在不同应变速率下变形特征微观机制. 基于弹道枪试验平台开展了高熵合金与典型钨合金(93W-4.9Ni-2.1Fe,wt%)破片对有限厚钢靶侵彻作用性能试验研究, 分析了两种合金破片侵彻作用过程与靶板破坏特征、侵彻穿孔能量消耗与撞击速度间的关系. 结果表明: 高熵合金、钨合金材料屈服强度与应变率呈正相关, 且在相同的应变率下高熵合金具有更高的屈服强度; 随着应变率的提高, 高熵合金由脆性断裂、韧脆混合的准解理断裂发展至具有黏着特性的破碎变形模式; 高熵合金具有较强的局部绝热变形能力, 在侵彻薄钢靶时体现出较高的剪切敏感性; 相同撞击速度下, 高熵合金破片穿靶消耗的能量低于钨合金破片, 对于薄钢靶具有更强的侵彻穿透能力. 高熵合金具有优异的力学性能和侵彻能力, 在高速撞击薄靶板时除了传统的剪切冲塞作用还具有一定的能量释放特性, 在预制破片上有较好的应用前景.      

纺织结构复合材料的力学性能研究

从纺织几何学入手,通过对纺织结构复合材料细胞构型的分析,建立其刚度矩阵和本构关系,并结合纺织结构复合材料的损伤和演化规律分析,完整地描述纺织结构复合材料的力学特点.着重讨论物理概念和研究方法,以促进了解纺织复合材料的分析理论和它的工程应用.      

压缩载荷下孔隙结构变化的CT实验研究

为了研究孔隙对岩石力学性能的影响,利用自制的孔隙物理模型,通过单轴压缩和CT扫描实验研究了受载条件下孔隙率对岩石孔隙结构的演化及其对外部物理力学性能的影响,得到了不同加载阶段和不同CT观察尺度下孔隙模型的裂纹扩展规律以及孔隙和固体介质的损伤变化情况. 实验结果表明：孔隙模型在受载条件下裂纹主要发生在峰值荷载之后,主裂纹大都集中在孔隙密集的地方且伴随许多细小裂纹的产生;峰值载荷前出现了少数微裂纹,微裂纹的产生与演化主要发生在孔隙周边.     

C2H2/Ar流量比对a-C:H涂层结构及摩擦学性能的影响

a-C:H涂层因具有高硬度、低摩擦系数及良好的化学惰性等性能,使其作为表面防护材料具有广泛的应用前景,而涂层中的H含量和sp2C/sp3C比值是影响其力学及摩擦学性能的重要因素. 本研究中采用非平衡磁控溅射技术在9Cr18钢表面制备了a-C:H涂层,对比研究了前驱体组成对不同结构含H碳膜的氢含量、微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响. 结果表明:增大C₂H₂/Ar流量比,涂层的生长率及H含量逐渐增大,但致密性降低. 由于涂层中C-H键及致密性的变化,a-C:H涂层的硬度和弹性模量随C₂H₂/Ar流量比的增大而逐渐减小,但结合强度却先增大后降低. 当C₂H₂/Ar流量比低于4:3时,涂层表现出良好的减摩耐磨性能,当C₂H₂/Ar流量比高于4:3时,涂层的摩擦系数和磨损率出现了急增的现象. 总体而言,a-C:H涂层的摩擦系数和磨损率随C₂H₂/Ar流量比的增加呈现先增大后降低的趋势. 由于H原子的钝化作用及涂层力学性能的变化,使a-C:H涂层的磨损机制由磨粒磨损和黏着磨损变为磨粒磨损. 当C₂H₂/Ar流量比为1:1时,a-C:H涂层具有最低的摩擦系数(约为0.1)和磨损率[8.0×10?8 mm3/(N·m)],表现出最佳的力学及摩擦学性能,这种性能的变化与涂层中的H含量和sp2C/sp3C比密切相关.      

基于附加虚拟质量的结构损伤识别方法

针对大型土木结构的模态信息往往对局部损伤灵敏度较低的特点,提出通过在各个子结构上附加虚拟质量的方法提高局部灵敏度,实现整体结构的准确损伤识别。该方法无需在结构上布置真实质量,它首先利用虚拟变形法（VDM）可进行结构快速重分析的思想,由实测结构的激励和加速度响应,构造结构附加虚拟质量后虚拟结构的频率响应;然后结合灵敏度分析和附加质量与频率关系,确定所需附加质量和对应具有较高灵敏度的频率;最后分别在每个子结构上附加虚拟质量,联合所有虚拟结构和对应的频率即可准确快速地识别出整体结构各个子结构的损伤。本文通过两层平面框架有限元模型验证了附加质量损伤识别方法的有效性。     

基于石膏材料的小结构重力坝损伤本构模型研究

大坝模型试验的模型材料力学性能是试验成功与否的关键影响因素。基于石膏模型材料基本力学性质和混凝土材料基本相似的实际情况,考虑石膏模型材料的孔隙率,在能量损伤理论模型的基础上,结合工程规范,建立了石膏模型材料的受拉损伤本构模型。同时,分析了模型材料应变率对材料峰值应力的影响,引入动应力提高系数,并给出了与应变率相关的模型材料受拉损伤本构模型。利用该本构模型模拟了动荷载下石膏模型重力坝的破坏过程,并与模型试验结果进行对比。结果表明：数值模拟得到的重力坝开裂破坏的位置、形式与模型试验结果较为接近。     

2D周期蜂窝结构面内静动态压缩力学行为研究

基于``平板开缝-装配-焊接'工艺制备了以高聚物为基体的Kagome等蜂窝结构,并开展了Kagome, 正三角形和菱形蜂窝结构的面内准静态压缩力学行为实验研究,实验过程中应用CCD图像采集系统和图像相关法对试件进行了全场位移监测. 另外对比传统正六边形蜂窝,采用数值分析技术,模拟了低速冲击下不同蜂窝结构坍塌行为. 实验结果和数值模拟均揭示了在材料用量和结构尺寸完全相同的情况下,Kagome蜂窝结构的面内能量吸收性能优于其它3种蜂窝结构,并发现了Kagome蜂窝压缩变形时所特有的局部蜂窝旋转变形. 研究结果表明改变蜂窝形状和周期性排布会对蜂窝结构整体的变形模式以及能量吸收性能产生较大的影响.      

CT技术在岩石损伤检测中的应用研究

本文将先进的计算机层析（ＣＴ）技术应用于岩石损伤特性研究。分别对岩石材料的初始损伤特性和损伤扩展过程进行即时ＣＴ扫描。用ＣＴ数的大小及分布规律表征岩石材料的损伤状态。     

基于定量结构-性质相关性的烃类物质爆炸下限预测

基于定量结构-性质相关性(quantitative structure-property relationship,QSPR)原理,研究了烃类物质爆炸下限与其分子结构间的内在定量关系。根据分子结构计算用于反映分子各种结构信息的结构参数,应用遗传算法从大量结构参数中优化筛选出与爆炸下限最密切相关的一组结构参数作为分子描述符,分别采用支持向量机方法和多元线性回归方法对分子描述符数据与爆炸下限数据之间的内在定量关系进行模拟,建立了根据分子结构预测烃类物质爆炸下限的数学模型。对模型性能进行内部及外部验证,结果表明,2种模型爆炸下限的预测值与实验值均符合良好,在实验误差允许范围之内。支持向量机模型预测体积分数平均绝对误差为0.036%,均方根误差为0.046%,优于多元线性回归和已有方法所得结果。该方法的提出为工程上提供了一种预测烃类物质爆炸下限的新方法。 更多还原     

Al2O3陶瓷动静态压缩下碎片形貌与破坏机理分析

为探究Al₂O₃陶瓷的宏观力学响应与破坏机理,分别利用材料试验机和分离式霍普金森压杆对其进行准静态和动态压缩实验,同时通过原位光学成像观测试样的破坏过程,并利用同步辐射CT和扫描电镜（SEM）对回收碎片的尺寸和形状以及微观破坏模式进行表征分析。宏观强度数据表明,Al₂O₃陶瓷的抗压强度符合Weibull分布,且与加载应变率呈现指数增长关系。原位光学成像和SEM回收分析共同揭示了动静态加载下裂纹成核与扩展模式存在明显差异。准静态加载时材料微观上更易发生沿晶断裂,宏观表现为劈裂裂纹较少,且倾向于沿加载方向传播并贯穿整个试样;而动态加载时穿晶断裂占主导地位,劈裂裂纹明显增加并发生相互作用,因此在传播过程中容易分叉而形成大量次生裂纹,提高了试样内裂纹密度。这与碎片的CT表征结果一致,即碎片平均球形度和伸长、扁平指数等均随应变率对数线性增加。破坏模式的改变最终导致高应变率下陶瓷材料应变率敏感性显著增强。

     

Scientific post hoc and in situ visualisation of high-order polynomial solutions from massively parallel simulations

This paper presents two recent numerical tools developed respectively to perform traditional post-processing and more advanced in situ processing of high-order polynomial data generated by massively parallel finite element codes. For post-processing and visualisation of high-order solutions, we present a new ParaView plugin that integrates Gmsh used as an external library. This plugin therefore combines respectively ParaView's scalability in parallel and Gmsh's ability to apply h-refinement of the initial mesh followed by solution interpolation on the resulting visualisation grid, thus enabling parallel visualisation of any arbitrary high-order polynomial solutions in client–server mode. In a second stage, this capacity has been extended to an in situ interface based on the Catalyst library which enables in situ analysis and visualisation of high-order solutions. These new capacities are demonstrated with the visualisation of high-order solution of the unsteady flow generated by a discontinuous Galerkin method for an unsteady turbomachinery application.     

液晶微纤原位增强PTFE复合材料抗磨性能与磨损机理

将热致型液晶与ＰＴＦＥ混合,用模压烧结法制备出新型原位复合材料,摩擦磨损试验结果表明该复合材料具有优良的抗磨性能,研究表明：液晶在ＰＴＦＥ中以微纤形态存在,能很好地起到承载作用,并有利于偶件表面薄而瓣转移膜的形成,从而改善复合材料的摩擦学性能并减轻偶件表面的损伤,液晶含量较低时,复合材料的磨损机理主要为擦伤与粘着,液晶含量较高时,其磨损机理主要为疲劳剥落。     

基于ASME应变限制准则的小冲杆试验等效断裂应变

为更清楚地了解阳江35kV服役导线的运行状态,从分析导线断线原因出发,通过对老旧导线的单丝断裂强度、弹性模量、应力应变曲线、拉断力、抗拉强度等综合指标的测试与分析,研究服役导线的力学性能,由试验结果得出：35kV老旧导线钢芯的直径变化对于架空导线的外径变化有直接的影响,老旧导线的铝线直径变化较小,其外径增大1.67％~4.24％;钢单线的拉断应力仍能达到标准中规定值的106%,且伸长率也满足要求;部分铝线的抗拉强度低于95%;绞线拉断力仍能达到95%的计算拉断力。但是相同规格下的老旧导线的抗拉强度比新导线的抗拉强度低2%~18%。结果表明：阳江地区服役三十年以上的老旧导线在力学性能上仍能继续承载。     

基于CT扫描的环氧树脂基混凝土裂缝观测与冲击损伤演化研究

环氧树脂基混凝土是一种新型路面铺装材料。本文估算了道路使用过程发生"跳车"现象时货车车轮对路面产生的冲击荷载,根据计算结果,利用落锤冲击试验机对含有不同程度初始损伤的环氧树脂基混凝土试件进行多次冲击试验,研究其冲击疲劳现象。为了准确描述环氧树脂基混凝土的初始损伤,采用CT(计算机断层)扫描技术重构了试件的立体图像,对其中的内部裂缝进行了统计,建立了初始损伤裂缝体积占试件体积的百分比与基于材料弹性模量衰减的损伤变量之间的关系。通过追踪经受一定次数冲击后试件的弹性模量,分析了不同程度初始损伤下环氧树脂基混凝土的冲击损伤随冲击次数的变化规律;结合多次冲击荷载下环氧树脂基混凝土弹性模量的衰减,研究了初始损伤对环氧树脂基混凝土冲击疲劳过程中损伤演化规律的影响。     

奥氏体基体相硬度对自生质点合金钢高温耐磨性的影响

研究了在５６０℃下奥氏体基体相硬度对自生质点合金耐磨性的影响。结果表明,当硬质相硬度处于１７５０￣１９３０ＨＶ范围内,而奥氏体硬度处于１８０￣３３０ＨＶ范围内时,随着奥氏体基体硬度的提高自生质点合金钢的磨损大大减轻,耐磨性改善;当奥氏体硬度处于３３０￣４３０ＨＶ范围内时,奥氏体基体硬度对合金钢耐磨性的改善作用减弱;当奥氏体的硬度大于４３０ＨＶ时,奥氏体基体硬度的提高对合金钢耐磨性的改善作用消失。因     

有限宽板孔边弹塑性变形测试

测量应变集中区域的弹塑性变形，对于研究材料损伤或微裂纹的产生，以预防宏观裂纹的产生及扩展具有重要的意义。为给航空发动机轮盘的损伤容限设计研究提供相关材料的力学实验参数，做了两个有限宽中心带孔试件的拉伸试验。试验中，采用单调逐级加、卸栽的循环加栽方式，并应用自动网格法和数字图像相关技术测量了孔用的全场位移分布。再应用最小二乘法将离散的位移分量拟合成二元多项式函数，求解出拉伸方向的应变分布，并给出孔边应力σ与孔边应变εy的关系曲线。     

An analysis of the modeling of stress and strain fields in a real microstructure using a hybrid method

The distribution of stress and strain fields in a micro-structural area of a particle reinforced composite is studied by a combination of experimental and numerical method (hybrid method). With the experimental values of displacements in a micro-region as the boundary loading condition, strain and stress fields inside the micro-region are calculated by the finite element method under two different kinds of modeling, namely, as plane stress and plane strain condition. The differences between the two kinds of modeling conditions as applied to micro-structural areas are discussed. Project Supported by the National Natural Science Foundation of China (19972046) and National Overseas Study Foundation.