考虑夹杂相互作用的复合陶瓷夹杂界面的断裂分析

复合材料中夹杂含量较高时,夹杂间的相互作用能显著改变材料细观应力应变场分布,基体和夹杂中的平均应力应变水平也会发生较大变化,导致复合材料强度等力学性能发生显著变化. 为修正单一夹杂模型运用在实际材料中的误差,基于相互作用直推估计法,建立一种考虑含夹杂相互作用的夹杂界面裂纹开裂模型. 首先根据相互作用直推估计法,得到残余应力和外载应力共同作用下夹杂中的平均应力,再计算无限大基体中相同的夹杂达到相同应力场时的等效加载应力,将此加载应力作为含界面裂纹夹杂的等效应力边界条件,在此边界条件下求得界面裂纹尖端的应力强度因子,进而得到界面裂纹开裂的极限加载条件,并分析了夹杂弹性性能、含量、热残余应力、夹杂尺寸等因素对界面裂纹开裂条件的影响. 结果表明,方法能够有效修正单夹杂模型运用在实际材料中的误差,较大的残余应力对界面裂纹开裂有重要的影响,夹杂刚度的影响并非单调且比较复杂;在残余应力较小时,降低柔性夹杂刚度或者增大刚性夹杂刚度都有利于提高材料强度;扩大夹杂尺寸将导致裂纹开裂极限应力显著降低,从而降低材料强度.      

柔性基/硅层合悬臂梁振动响应的有限元分析

应用ABAQUS建立了柔性基/硅层合悬臂梁有限元模型,计算了在位移载荷下,柔性基/硅层合悬臂梁中硅层的应力变化,分析了层厚比的变化对柔性基/硅层合悬臂梁低阶固有频率以及振动响应的影响,并与铝基层合悬臂梁进行了对比。结果表明:柔性基可以大幅减小硅层上的应力;封装层和硅层的层厚比越大,柔性基/硅层合悬臂梁的低阶固有频率越大;同时,位移和速度响应明显减小,响应的周期也减小。表明增大封装层和硅层的层厚比,可以有效地提高柔性基/硅层合悬臂梁的整体性能和稳定性,提高其抗冲击性能。反之,会增大柔性基/硅层合悬臂梁发生共振现象的概率,不利于其整体稳定性的提升。此研究结果可为柔性电子器件结构振动特性的优化设计提供理论参考。     

用改进的混合方法分析微电子封装热应变场

介绍一种可用于微电子封装局部应变场分析的实验/计算混合方法,该方法结合了有限元的整体/局部模型和实时的激光云纹干涉技术,利用激光云纹干涉技术所测得的应变场来校核有限元整体模型的计算结果,并用整体模型的结果作为局部模型的边界条件,对实验难以确定的封装结构局部位置的应力、应变场进行分析.用这种方法对可控坍塌倒装封装结构在热载荷作用下焊球内的应变场分布进行了分析,结果表明该方法能够提供封装结构内应力-应变场分布的准确和可靠的结果,为微电子封装的可靠性分析提供重要的依据.     

数字状张拉整体结构的构型设计与力学性能模拟

针对大型张拉整体结构的设计问题,选取四棱柱状张拉整体结构和截角正八面体状张拉整体结构作为基本胞元,采用节点连接节点的方式建立球柱组合式数字状张拉整体结构,并使用基于结构刚度矩阵的大变形非线性数值求解方法对其进行力学性能分析.在两类胞元满足各自的自平衡条件和稳定性条件的前提下,组合得到的数字状张拉整体结构亦处于自平衡稳定状态,搭建了实物模型进行验证.以数字8状张拉整体结构为例,模拟研究了结构承受自重等分布载荷和单轴拉压等端部载荷时的静力学响应,以及结构无阻尼振动时的固有频率和模态等动力学性能.结果表明,结构在自重作用下的变形行为受初始预应力、压杆密度和拉索刚度的影响较大,对其进行合理配置方可确保结构具有足够刚度抵抗自重;结构在单轴拉压作用下呈现非线性的载荷-位移曲线,拉伸刚度随变形量的增大而增大,压缩刚度随变形量的增大而减小;结构的固有频率随初始预应力的增大而增大,而模态振型基本不变.研究结果丰富了大型张拉整体结构的外形种类,有望推动此类结构在土木建筑、结构材料等领域的应用.     

数字状张拉整体结构的构型设计与力学性能模拟

针对大型张拉整体结构的设计问题,选取四棱柱状张拉整体结构和截角正八面体状张拉整体结构作为基本胞元,采用节点连接节点的方式建立球柱组合式数字状张拉整体结构,并使用基于结构刚度矩阵的大变形非线性数值求解方法对其进行力学性能分析.在两类胞元满足各自的自平衡条件和稳定性条件的前提下,组合得到的数字状张拉整体结构亦处于自平衡稳定状态,搭建了实物模型进行验证.以数字8状张拉整体结构为例,模拟研究了结构承受自重等分布载荷和单轴拉压等端部载荷时的静力学响应,以及结构无阻尼振动时的固有频率和模态等动力学性能.结果表明,结构在自重作用下的变形行为受初始预应力、压杆密度和拉索刚度的影响较大,对其进行合理配置方可确保结构具有足够刚度抵抗自重;结构在单轴拉压作用下呈现非线性的载荷-位移曲线,拉伸刚度随变形量的增大而增大,压缩刚度随变形量的增大而减小;结构的固有频率随初始预应力的增大而增大,而模态振型基本不变.研究结果丰富了大型张拉整体结构的外形种类,有望推动此类结构在土木建筑、结构材料等领域的应用.      

SMA叠层变刚度水平万向阻尼器滞回性能研究

利用NiTi形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)的超弹性特性,开发了一种新型SMA叠层变刚度水平万向阻尼器,介绍了其基本构造和工作原理,建立了阻尼器恢复力计算模型并开展了滞回性能参数分析,研究了SMA张拉应变、SMA直径、阻尼器层数以及每层SMA丝根数对阻尼器行程、刚度、耗能、等效阻尼比的影响.研究结果表明：SMA叠层变刚度水平万向阻尼器的恢复力-位移滞回曲线呈饱满的纺锤形,阻尼器具有良好的能量耗散能力、自复位功能、大行程以及变刚度特性;随着SMA张拉应变由0.03不断增大至0.06,阻尼器最大行程不断减小而单位循环耗能呈先增大后减小趋势;随着SMA直径不断增大,阻尼器刚度和耗能能力不断增大而最大行程和等效阻尼比不变;随着叠层层数不断增大,阻尼器最大行程和单位循环耗能不断增加而刚度不断降低;随着每层SMA布置数量由8根增大至16和32根,阻尼器刚度和单位循环耗能不断增大而最大行程和等效阻尼比变化不明显.     

炭黑颗粒对丁苯橡胶材料力学性能的影响

利用电子万能材料试验机,对不同体积分数的炭黑填充丁苯橡胶复合材料进行了单向拉伸和循环拉伸加卸载等准静态力学试验,研究了炭黑填充橡胶材料单向拉伸应力应变关系、Mullins效应、调制应变相关性和拉伸断裂力学行为等.试验结果表明:调制应变越大,橡胶材料的刚度越小,橡胶的非线性应力应变关系越明显;炭黑含量越高,橡胶材料的初始模量和刚度越大,应力反翘现象和Mullins效应越显著;同时,随着炭黑体积分数的增加,炭黑填充丁苯橡胶材料的拉伸强度和断裂伸长率将呈现先增大后减小的趋势.     

循环荷载作用下聚丙烯纤维再生混凝土受压性能试验研究

为研究循环荷载作用下聚丙烯纤维再生混凝土(PFRAC)的力学性能，以粗骨料取代率、纤维掺量、加载速率为变化参数，设计了78个圆柱体试件进行单轴循环受压试验。通过试验观察PFRAC的破坏形态，获取了应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变、刚度退化等重要指标，研究了不同变化参数对其力学性能指标的影响规律，得到了循环荷载作用下聚丙烯纤维对再生混凝土的阻裂机理。结果表明：循环荷载作用下PFRAC主要发生斜向劈裂破坏；随着聚丙烯纤维掺量的增加，试件表面主裂缝宽度减小；循环荷载下PFRAC试件受压应力-应变曲线包络线与单调受压应力-应变曲线相似；聚丙烯纤维的加入可显著改善PFRAC循环荷载下的力学性能，随着纤维掺量的增加，峰值应力、弹性刚度比先增大后减小；纤维掺量为0.9%时的纤维改性效果最优，峰值应力和峰值刚度比分别提高了4.4%和7.4%。     

转捩位置对全动舵面热气动弹性的影响

高超声速附面层的转捩预测一直是流体力学研究中的难点,转捩前后物面的摩擦系数和传热系数会发生改变,转捩位置的不同会影响到飞行器表面热环境,进而使得飞行器的气动弹性特性发生显著变化.鉴于高超声速附面层转捩预测的不确定性,本文分析了转捩位置对高超声速全动舵面热气动弹性的影响.首先分别用层流模型和湍流模型求解N-S方程,得到气动热环境,并对气动热进行参数化;然后在不同转捩位置情况下构造出不同转捩位置的热分布模型,基于此种温度分布,结合热应力和材料属性的影响分析结构的热模态,将结构模态插值到气动网格上,采用基于CFD的当地流活塞理论进行气动弹性分析.以M=6,H=15 km的某舵面为对象进行计算,结果表明:(1)随着转捩位置向后缘移动,结构频率上升,结构颤振速度呈增大趋势,转捩位置的变化能够带来颤振临界速度最大6%的变化量;(2)当转捩位置位于舵轴附近时,结构的颤振特性变化剧烈.通过刚度特性的分解和分析发现,导致颤振特性变化的主要因素在于舵轴的刚度特性变化,舵轴的影响量占整个结构刚度特性变化量的80%以上.     

含界面相Voronoi单元的等效弹性常数的计算

采用含界面相Voronoi单元有限元法,根据广义胡克定律,计算了在给定边界条件下,颗粒增强复合材料的等效弹性常数。建立了含多个随机分布的椭圆形夹杂及界面相的VCFEM模型,分析了夹杂体分比,界面相厚度和界面相弹性模量等因素对颗粒增强复合材料等效弹性常数的影响,并利用普通有限元方法对比验证。结果表明,当界面相弹性模量小于基体与夹杂时,材料的等效弹性模量会随着界面相厚度的增大而减小,随着夹杂体分比的增大而减小,并且界面过薄时,材料的等效弹性模量会随着夹杂体分比的增大而增大;当界面相弹性模量大于基体或夹杂时,材料的等效弹性模量会随着夹杂体分比和界面相厚度的增大而增大。而界面相的厚度和弹性模量对材料的等效泊松比的影响较小,材料的等效泊松比主要受夹杂体分比的影响,与其呈反比关系。     

Effects of interfacial properties on the ductility of polymer-supported metal films for flexible electronics

Polymer-supported metal films as interconnects for flexible, large area electronics may rupture when they are stretched, and the rupture strain is strongly dependent upon the film/substrate interfacial properties. This paper investigates the influence of interfacial properties on the ductility of polymer-supported metal films by modeling the microstructure of the metal film as well as the film/substrate interface using the method of finite elements and the cohesive zone model (CZM). The influence of various system parameters including substrate thickness, Young’s modulus of substrate material, film/substrate interfacial stiffness, strength and interfacial fracture energy on the ductility of polymer-supported metal films is systematically studied. Obtained results demonstrate that the ductility of polymer-supported metal films increases as the interfacial strength increases, but the increasing trend is affected distinctly by the interfacial stiffness.     

A PIECEWISE LINEAR MODEL FOR ANALYZING THIN FILM/SUBSTRATE STRUCTURE IN FLEXIBLE ELECTRONICS

The conventional analytical method of predicting strain in a thin film under bending is restricted to the uniform material assumption, while in flexible electronics, the film/substrate structure is widely used with mismatched material properties taken into account. In this paper,a piecewise model is proposed to analyze the axial strain in a thin film of flexible electronics with the shear modification factor and principle of virtual work. The excellent agreement between analytical prediction and finite element results indicates that the model is capable of predicting the strain of the film/substrate structure in flexible electronics, whose mechanical stability and electrical performance is dependent on the strain state in the thin film.     

EFFECT OF INTERLAYER THICKNESS ON THE MODE I FRACTURE ENERGY RELEASE RATE OF SANDWICH STRUCTURE$^{\bf 1)}$

三明治结构作为载荷传递和连接元件,广泛应用于航空航天、材料表征、柔性电子等领域. 了解其断裂行为和特点能为三明治结构连接件极限载荷的设计提供理论指导. 基于改良弹性地基理论模型,本文提出了一种计算能量释放率的新理论模型,模型中考虑中间层厚度对三明治结构 I 型断裂能量释放率的影响. 结果表明,中间层厚度对三明治结构 I 型断裂的影响存在两个部分：中间层剪切力的影响及中间层引起结构刚度增大的影响. 当无量纲中间层厚度取最大值 2 时,传统模型与有限元计算结果存在 70% 以上的误差;采用本文的模型可以极大地提高精度,将误差降到 5% 以内. 相比改良弹性地基理论只适用于中间层厚度较小的情况,本理论模型的适用范围更广. 此外,利用本模型,本文选取了两个几何参数 (中间层厚度和裂纹初始长度) 和一个材料参数 (模量比) 进行研究. 讨论了剪切效应对结构几何和材料参数的敏感性. 在定载荷的基础上,讨论了几何和材料参数对能量释放率的影响;并在假定结构断裂韧性不变的基础上,得到了几何和材料参数对三明治结构临界载荷的影响规律.     

车-轨-桥耦合动力系统影响参数分析

为了考虑高速列车、板式无砟轨道和桥梁相互作用的特点,需将列车模拟为质量-弹簧-阻尼多刚体相互约束的系统,通过列车车轮与钢轨的接触关系,建立车-轨-桥耦合系统的运动方程。重点分析了双线列车以不同工况通过高速铁路桥梁时,列车行驶状态(速度和加速度)、列车悬挂系数和钢轨-轨道-桥梁连接参数分别对车-轨-桥耦合系统的动力学性能影响。结果表明,(1)列车的加速度和速度的变化对耦合系统有不同程度的影响,随着列车行驶速度与加速度在一定范围内增加,车体自身结构的位移振动响应逐渐减小,而钢轨和桥梁结构的位移振动响应则不断增加;(2)列车悬挂参数的改变对列车自身结构影响较大,而对钢轨和桥梁结构影响很小;(3)车体一系刚度系数增大会引起列车系统结构振动响应变大,但车体二系刚度系数的增加却抑制了车体结构的振动响应;(4)除了钢轨的最大加速度随着连续刚度系数增加呈线性递减外,列车、钢轨和桥梁的振动响应不易受钢轨与桥梁间连接参数的影响。     

六边形桥墩柔性抗船撞装置抗弯刚度

针对中国自主研发的桥梁柔性抗船撞装置,构建该装置模型:由两个相似的六边形梁为内外钢围以及均布且垂直于六边形各边的防撞圈构成。分析该模型得到在冲击载荷作用下六边形梁的控制方程及相应的初边值条件。利用Laplace变换和数值Laplace逆变换对该方程进行求解,揭示六边形梁在冲击载荷作用下的动态响应。并进一步分析外钢围等效抗弯刚度对抗船撞装置动态响应的影响,发现外刚围结构在冲击载荷作用下存在临界等效抗弯刚度。当外钢围等效抗弯刚度达到该临界值后,该外钢围在冲击载荷作用下可以近似为刚性。     

Debris impact forces on flexible structures in extreme hydrodynamic conditions

Field surveys of recent major flood events have emphasized the need for an in-depth examination of debris loading. Debris loading occurs when solid objects entrained within the flow interact with a structure in its movement path, exerting loads through direct impacts or damming. Until now, the focus of research into debris impacts has concentrated on single debris impacting a rigid structure. This study extends to examining the influence of debris impacting a flexible structure. A two degree-of-freedom (2DOF) system was used to model the debris–structure interaction. The model is compared with two experimental data sets using a rigid body and the effective stiffness model. The proposed 2DOF model was shown to be more accurate in estimating the impact force than those to which it was compared to. However, due to difficulties in estimating the stiffness and inertia of the structure and the debris, the proposed model under predicted the maximum measured impact loads. The effective stiffness model was shown to represent the maximum measured impact loads, and should therefore be implemented in the design process when considering debris impacts on flexible structures.     

Adhesion-governed buckling of thin-film electronics on soft tissues

Stretchable/flexible electronics has attracted great interest and attention due to its potentially broad applications in bio-compatible systems. One class of these ultra-thin electronic systems has found promising and important utilities in bio-integrated monitoring and therapeutic devices. These devices can conform to the surfaces of soft bio-tissues such as the epidermis, the epicardium, and the brain to provide portable healthcare functionalities. Upon contractions of the soft tissues, the electronics undergoes compression and buckles into various modes, depending on the stiffness of the tissue and the strength of the interfacial adhesion. These buckling modes result in different kinds of interfacial delamination and shapes of the deformed electronics, which are very important to the proper functioning of the bioelectronic devices. In this paper, detailed buckling mechanics of these thin-film electronics on elastomeric substrates is studied. The analytical results, validated by experiments, provide a very convenient tool for predicting peak strain in the electronics and the intactness of the interface under various conditions.     

移动柔性梁作用下简支梁的动力响应

对移动结构作用下梁的响应问题进行了推广,采用柔性梁作为移动结构模型,在考虑结构柔性和悬挂连接的前提下对系统的耦合振动进行了分析.根据一般边界条件梁建立振动方程,通过量纲一参数以及模态叠加法处理系统动力学方程.以简支边界条件为例,得到了梁响应的数值结果,对系统主要参数即移动结构频率、移动速度及连接刚度对简支梁振动的影响进行了讨论.结果表明:考虑移动体的柔性频率对简支梁的振动会产生一定的影响.     

木龙河斜拉跨越结构的静态力学分析

利用有限元法对木龙河斜拉跨越结构进行了力学分析. 结果表明: 安装时索 具有一定的预应变可以提高结构的强度和刚度, 但预应变太大反而降低结构的刚度和强度, 预应变存在一个最优值, 且最优值与结构的形式和载荷有关; 在工作载荷或充水载荷作用下, 结构的强度刚刚满足要求; 在极限载荷作用下, 结构的强度不满足要求; 结构中最大应力出 现在左塔架顶端连接索处、右塔架顶端连接索处和管桥架中间上缘杆.     

Amplitude effect on stiffness of bitumen and bituminous mixes under dynamic conditions

Summary Details are given of tests carried out to measure the dynamic torsional stiffness (or modulus) or bitumen and bituminous mixes at various amplitudes of applied strain.The results show that there is a decrease in stiffness with increasing strain amplitude but the rate of decrease diminishes with increasing amplitude until a minimum value is reached, after which the stiffness remains constant with further increase in amplitude. The magnitude of the strain amplitude at which the stiffness becomes a minimum increases with decreasing stiffness (i. e., dependent on temperature and aggregate content). These measurements indicate the non-linearity of the material under certain conditions.