纳米晶铜单向拉伸变形的分子动力学模拟

纳米材料是由尺度在1－100nm的微小颗粒组成的体系，由于它具有独特的性能而备受关注。本文简要地回顾了分子动力学在纳米材料研究中的应用，并运用它模拟了平均晶粒尺寸从1．79－5．38nm的纳米晶体的力学性质。模拟结果显示：随着晶粒尺寸的减小，系统与晶粒内部的原子平均能量升高，而晶界上则有所下降；纳米晶体的弹性模量要小于普通多晶体，并随着晶粒尺寸的减小而减小；纳米晶铜的强度随着晶粒的减小而减小，显示了反常的Hall-Petch效应；纳米晶体的塑性变形主要是通过晶界滑移与运动，以及晶粒的转动来实现的；位错运动起着次要的、有限的作用；在较大的应变下（约大于5％），位错运动开始起作用；这种作用随着晶粒尺寸的增加而愈加明显。     

分子动力学模拟金属纳米杆

纳米结构（包括纳米杆）的力学性能是纳米超微型器件设计的基础，分子动力学是研究纳米结构力学为的有效方法，采用EAM势模拟金属铜纳米杆在轴向压力作用下的力学行为，结果表明，当外力较小时，纳米杆受压发生纵向收缩；当外力达到某一临界值时，纳米杆发生横向弯曲（即屈曲）行为；稳定的弯曲状态能继承受外载，当外力继续增大时，纳米杆发生倾覆而失效。     

分子动力学模拟金属纳米杆受压稳定性

纳米结构(包括纳米杆)的力学性能是纳米超微型器件设计的基础，分子动力学是研究纳米结构力学行为的有效方法. 采用EAM势模拟金属铜纳米杆在轴向压力作用下的力学行为，结果表明，当外力较小时，纳米杆受压发生纵向收缩；当外力达到某一临界值时，纳米杆发生横向弯曲(即屈曲)行为；稳定的弯曲状态能继续承受外载；当外力继续增大时，纳米杆发生倾覆而失效.     

不同晶向金属纳米线拉伸力学性能分子动力学研究

在经典等温分子动力学框架下,采用位移控制加载方式,准静态数值模拟常温金属纳米线单向拉伸,研究了面心立方晶格(FCC)单晶金属铜纳米线的弹塑性力学性能.研究发现,,不同晶向的纳米线拉伸呈现不同变形力学性能,具有不同的屈服性能和等效弹性刚度.晶向拉伸具有最高的屈服强度,晶向次之,晶向屈服强度最小.特别发现晶向屈服应变最大,而晶向和晶向的屈服应变相近,且比晶向屈服应变的一半还要小.不同晶向的等效弹性模量顺序为E>E>E.通过分析晶向不同纳米线对应不同表面情况、变形过程中位错局部结构具有不同的演化方式、位错发射相关的临界分解剪应力不同,解释了纳米线弹塑性变形的机理.     

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.      

纳米晶钽在单向拉伸载荷下的分子动力学模拟

利用分子动力学方法模拟了纳米晶钽在单轴拉伸载荷作用下的微观结构演化情况. 结果表明纳米晶钽在塑性变形过程中可以发生从BCC到FCC, HCP结构的应力诱导相变. FCC 结构原子百分比的最大值和试样的抗拉强度成线性关系,据此可推出一个相变发生的临界应 力值. 应变率越大,相变滞后于应力越严重. 当应变达到一定值时,试样会发生晶间断裂现 象,定量分析发现纳米晶钽晶间裂纹初始形成应变不受平均晶粒尺寸的影响,而与应变率和 模拟温度有着密切的关系.     

纳米铜丝尺寸效应的分子动力学模拟

采用EAM原子势函数对不同截面尺寸纳米铜丝拉伸性能进行了零温分子动力学模拟。研究表明截面变化对纳米丝拉伸性能有明显影响。由于表明原子弛豫，纳米丝存在表面张应力以及与之相平衡的内部应力。这种本征应力的存在是纳米丝尺寸效应的根源。纳米丝截面减小，则拉伸强度提高、屈服推迟、初始拉伸模量的软化程度增加。     

大理岩动态拉伸强度及弹性模量的SHPB实验研究

提出了获取脆性材料动态拉伸强度及弹性模量的实验步骤及相关记录数据的分析方法。利用直径为100mm的分离式Hopkinson压杆径向冲击巴西圆盘和平台巴西圆盘试样,测试了大理岩在高应变率加载下的动态力学性能。应力波加载下动态劈裂拉伸圆盘在试样中心产生了约45/s的拉伸应变率。分析了实验的有效性并考虑了试样两个端面应力波波形差异的影响以提高实验结果的精度。结果表明准静态下的公式可适用于动态劈裂拉伸实验;大理岩的动态拉伸强度及弹性模量比静态时有明显的增加。     

锥形杆轴向拉伸的材料力学解答

对于锥形杆受轴向均匀载荷拉伸的模型,本文基于横截面上轴向正应力均匀分布的假设,给出了其应力及截面变形的材料力学解答。结合ANSYS有限元分析结果及弹性力学精确解进行对比。发现锥角较小时,对于工程实际,材料力学解的误差可以接受。而锥角较大时,需要对轴向正应力公式作修正以使得材料力学解仍然适用。     

大理岩动态劈裂拉伸的SHPB实验研究

利用直径100 mm的Hopkinson压杆和薄圆形铝片作为波形整形器,用不同弹速径向冲击平台巴西圆盘试样以研究大理岩的动态拉伸强度。分析了试样的应变率、破坏时间、破坏模式,以及破坏过程中的载荷-应变关系,得到了关于大理岩在高应变率下拉伸强度及弹性模量的一些结论。考虑了试样的尺寸大小及两个平台附近应力的时间不均匀性与空间不均匀性对实验结果的影响。同时,利用有限元法对平台巴西圆盘试样的动态应力分布进行了数值模拟,验证了动态劈裂拉伸实验的有效性。     

Experimental Study on the Dynamic Mechanical Properties of Reinforced Concrete under Shock Loading

A simple experimental method was introduced to study the mechanical properties of reinforced concrete under shock loading. The one-stage light gas gun was used to test the mechanical properties of reinforced concrete with different reinforcement ratios under various impact velocities. Three Mn-Cu piezoresistive pressure gauges embedded in the target were used to record the voltage-time signals, from which the stress-strain curves of reinforced concrete were obtained using Lagrangian analysis. Experimental results indicated that the load-bearing capacities of reinforced concrete increased greatly with the impact velocity and the reinforcement ratio. The peak stress of the shock wave decreased exponentially with the propagation distance.     

PMMA低、中应变率单向拉伸力学性能的实验研究

利用MTS810试验机和自行研制的中应变率材料试验机对有机玻璃(PMMA)准静态(应变率为2.00×10-2s-1,2.01×10-3s-1和2.38×10-4s-1)和中应变率(应变率为18.6s-1,2.81s-1,6.54×10-1s-1和2.92×10-1s-1)单向拉伸力学性能进行了实验研究。应变率为2.38×10-4s-1时,应力-应变曲线中存在软化段。结果显示,在上述应变率范围内,PMMA的力学性能具有明显的应变率相关性,表现为应变率强化、应变率硬化和高速脆性。PMMA的拉伸力学性能在应变率达到18.6s-1时出现了更大的应变率敏感性。采用包含一个非线性弹簧和六个松弛模式的粘弹性模型分析PMMA力学性能的应变率相关性,得到PMMA在低、中应变率下单向拉伸的本构方程,理论结果与实验结果符合较好。     

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。     

Non-linear Mechanical Behaviour of Metallic Micro-wires under Dynamic Axial Loads

Metallic micro-wires (diameter ≈10 μm) are widely used to suspend reference bodies and isolate them from micro-seismic vibration because of their low bending and torsional stiffness. They make it possible to realize torsion/swing low-resonant frequency oscillators, spectrally separable from the higher frequency physics of interest. In this study, metallic micro-wires are used to provide both seismic isolation through flexural compliance and high-speed actuation thanks to axial stiffness. An experimental apparatus is realized to characterize the dynamic response of a 25 μm diameter tungsten wire used to actuate a suspended mass (10^-2 kg) subjected to accelerations up to 0.2 m/s². A theoretical non-linear model taking into account flexural and axial behaviour of the wire is developed and validated experimentally. Such a model makes it possible to predict the actual motion of the object, which significantly differs from that of the actuator.     

泡沫铝在SHPB高温动态下的变形过程研究

利用分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置研究轻质泡沫铝在动态压缩下的温度相关性,重点设计了一种基于SHPB的可视化高温炉,在此基础上通过高速摄影观测泡沫铝试件在高低温且动态压缩下的变形过程。动态加载下的实验结果表明：常温下,胞壁在变形过程中易于观察到屈曲失稳、撕裂、弯曲等现象,且在压缩的过程中碎片飞溅;高温下材料软化较明显,呈现出更多的塑性弯曲现象,但是屈曲失稳与撕裂的现象并不显著,变形过程中并无碎片产生。     

梯度纳米结构金属力学性能、变形机理和多尺度计算研究进展

近年来,梯度纳米结构金属因其优越的力学性能和独特的塑性变形机理受到广泛关注,已成为材料与力学学科的热点和前沿.论文首先介绍梯度纳米结构金属的强度、塑性、加工硬化和抗疲劳等核心力学性能,以及晶粒长大、塑性应变梯度和几何必需位错等塑性变形机理及其力学研究.其次介绍梯度纳米结构金属的多尺度计算与模拟研究.最后讨论梯度纳米结构金属研究领域存在的挑战.     

火灾升降温模式对高温后钢筋混凝土轴压力学性能影响的试验研究

为研究实际火灾与标准火灾对高温全过程作用后钢筋混凝土力学性能的影响程度,进行了6根大尺寸钢筋混凝土短柱经历不同火灾模式的高温全过程作用后轴压力学性能试验。选择一典型住宅房间,根据欧洲规范得到了模拟火灾温度-时间曲线,利用等效曝火时间方法获得等效标准火灾,考察火灾模式、轴压比对高温全过程作用后钢筋混凝土承载力、刚度和延性的影响规律。试验结果表明:随着轴压比(n0.4)增大,高温后剩余承载力、刚度和延性损伤程度降低;火灾升降温模式影响显著。根据等能量法进行的火灾试验结果和模拟实际火灾试验结果吻合较好,而等面积法过于保守。建议相关规范采用基于能量的等效曝火时间方法进行抗火设计和火灾后剩余力学性能评估。     

基于平台圆环试样的无机玻璃动态拉伸性能研究

无机玻璃的拉伸强度往往远小于压缩强度,服役过程中玻璃大多会发生拉伸断裂.论文采用平台圆环(flattened circular ring, FCR)试样测试钠钙硅酸盐玻璃的拉伸性能.分别利用电子万能试验机和电磁分离式Hopkinson压杆(electromagnetic split Hopkinson pressure bar, ESHPB)开展准静态、动态单轴单向和单轴双向实验,加载过程中采用高速相机对试样的破坏过程进行观测.结果显示,该材料试样强度具有明显的正加载速率相关性.动态单轴双向加载可比单向加载更快实现应力平衡,但两种应力波加载方式下试样的动态拉伸强度大致相同.高速摄像与动态加载同步分析表明,这是因为试样的裂纹产生时刻与应力峰值时刻几乎同时产生.对三种形式的拉伸实验结果进行对比,发现拉伸强度受试样形状影响,这与试样断裂路径上的拉伸应力分布有关.     

特种泡沫塑料的动态力学性能研究

通过大尺寸分离式Hopkinson压杆对特种泡沫塑料进行了高应变率冲击实验，完整地给出了该材料在高应变率下的动态应力应变曲线，并将结果和理论上的Eyring模型进行了比较，指出了这种材料在一定的应变率范围内，具有明显的应变率效应，同时从应力应变曲线的特点来看，这种材料又有良好的吸能特性，最后通过对实验数据的拟合，提出了便于工程应用的动态本构方程。     

中应变率拉伸载荷下DZ2车轴钢的动态力学响应与微观组织演变

高速列车运行过程中车轴可能遭受不同程度的冲击载荷作用,导致车轴的结构损伤与破坏,从而影响列车运营安全和服役寿命.因此,明晰冲击载荷下车轴材料的力学响应和变形损伤行为,对高速动车组车轴的运维与设计具有重要意义.论文研究了DZ2车轴钢在中应变率(0.1～100 s^-1)拉伸条件下的力学性能和微观结构演变,揭示了DZ2车轴钢的变形与失效机理,构建了可准确描述DZ2车轴钢力学响应行为的Zerilli-Armstrong模型.结果表明,位错滑移和韧性断裂是DZ2车轴钢塑性变形和失效的主要机制,但由于位错运动状态的改变,其强度的应变率依赖性在不同应变率范围内存在较大差异.当应变率低于10 s^-1时,DZ2车轴钢内的位错密度低,位错运动阻碍作用小,其强度不会随应变率增加而显著变化,具有低的应变率敏感性;而在应变率超过10 s^-1后,DZ2车轴钢内的位错密度大幅度增加,位错运动速率加快,位错短程作用增强,从而增大了材料的变形抗力,材料的强度随应变率增加而增大,表现出显著的应变率强化效应,应变率敏感性也明显提高.与实验数据相一致,Zeri...