基于实验的反演识别方法及其在材料力学性能研究中的应用

本文介绍了基于实验的反演识别方法,综述了该方法在材料力学以及界面力学性能研究中的应用.内容包括:讨论了基于实验反演识别整体化策略与若干关键技术,比较了几种识别算法的优缺点,给出了在金属基复合材料界面力学损伤与破坏及考虑时间效应的粘接界面力学模型与实验表征方面的应用,简介了在其它材料力学性能研究等方面取得的进展.最后,对该实验分析方法发展趋势进行简要评述.     

材料力学性能显微测试系统

介绍了适用于毫、微米量级材料的力学性能测试系统,该系统包括微型加力装置、显微镜及数字图像处理系统。通过计算机控制,加力机构可以对微小试件按力或位移控制方式加载,载荷大小通过传感器直接由计算机数字化。试件的变形测量采用数字图像相关技术,通过序列图像分析方式,获得试件在不同外力作用下对应的变形,从而获得该材料的应力应变关系。在利用显微镜对微细观图像进行放大时,图像的畸变会影响相关计算的精度,本文采用了精度极高的正交栅板,对成像系统进行标定,有效地消除了高放大倍数下的图像畸变。图像相关技术对被测物体的表面处理非常敏感,本文也对这一问题进行了讨论,并给出两个不同的应用实例。第一个为材料性能试验,对厚度为0.1mm的铝材进行单向拉伸,给出了材料的应力应变关系;第二个为稳态裂纹扩展试验,对用人牙制作的紧凑拉伸试件进行测试,获得裂尖后的COD曲线。实验表明,该测试系统在微细观力学实验中具有广阔的应用前景。     

数字图像相关测试技术在材料力学实验教学中的应用

为丰富实验教学手段和提高教学质量,我们引入了基于数字图像相关的平面应变测试技术并应用于材料力学实验教学。籍由此技术,学生获得了低碳钢和铝镁合金材料在单轴拉伸下的力学性能参数和全场应变等丰富的可视化信息,加深了学生对应变等理论知识的理解,显著调动了学习积极性,培养了他们的科学思维能力。     

干涉应变计法在焊缝材料力学性能测试中的应用

在焊接结构中,焊缝的不同区域(如热影响区和熔合区)的材料力学性能对整个结构的安全性、可靠性起着至关重要的影响。本文介绍了用于高精度应变测量的干涉应变计法(ISDG),并利用自行研制的微小试样拉伸试验机,对20Cr合金钢压力容器中部分焊缝材料,分热影响区和熔合区对其材料力学性能进行测试,在国内首次获得了焊缝不同区域的全历程应力-应变曲线,对热影响区材料的软化现象进行了定量的描述。     

聚能装药的多点环形起爆器性能测试及其应用

对聚能装药用多点环形起爆器的同步性能和环形起爆的聚能装药侵彻钢筋混凝土的侵彻威力进 行了研究。应用高速摄影技术和光纤探针技术测量了多点环形起爆器各点输出的同步性,结果表明环形起爆 器各点输出同步性好,时间差最大不超过0.1s;聚能装药对钢筋混凝土的侵彻威力实验结果表明,采用多点 环形起爆器的聚能装药对钢筋混凝土的侵彻威力比点起爆的有较大提高。     

数字散斑相关法在聚偏氟乙烯压电薄膜力学性能测试中的应用

利用数字散斑相关方法对PVDF透明压电薄膜进行了单轴拉伸力学性能研究。首先比较了喷漆与不喷漆两种条件下不同厚度薄膜的单轴拉伸曲线,发现当薄膜厚度超过一定值时,样品表面喷漆与否对测试结果无显著影响。然后,利用数字散斑相关方法对PVDF挤出薄膜进行了单轴拉伸下的应力-应变关系研究,得到了PVDF薄膜的应力-应变曲线和反映PVDF薄膜全场应变信息的三维信息图,以及线性阶段的弹性模量和泊松比。实验结果表明:数字散斑相关方法用于PVDF压电薄膜的力学性能研究是一种行之有效的方法。     

原位微拉曼测试技术在碳纳米管纤维和薄膜材料力学性能研究中的应用

利用宏观应力联合原位微拉曼测试技术对双壁碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)纤维和薄膜材料的力学性能进行了实验分析,探讨了拉伸加载期间纤维和薄膜内CNT的载荷响应及其与宏观力学性能的关联,揭示了两种材料力学性能差异性的微观机理。实验分析表明,CNT纤维和薄膜的拉伸变形呈现弹性、强化和损伤断裂三个阶段,但其内的CNT只发生弹性变形,没有塑性形变,且没有明显的损伤或键的断裂,纤维和薄膜呈现阶段性拉伸变形的原因可归结为滑移。纤维的弹性模量显著高于薄膜,是薄膜的4.7倍,原因是弹性阶段纤维中CNT的轴向伸长对宏观应变的贡献较大。纤维和薄膜的拉伸强度相差较小,原因是强化阶段薄膜内不断有大量CNT进入承载队伍,这也使得薄膜具有比纤维更高的韧性。     

小冲杆高温蠕变试验平台在力学实验教学中的应用

传统的蠕变力学实验方法已无法满足新工科背景下本科生与研究生创新性实验教学的需要,为了使本科生与研究生在开放性实验教学中掌握力学实验分析的基本方法与技能,基于小冲杆试验技术建立了一套微试样高温蠕变试验系统.该系统作为一个科研平台,由常规单轴蠕变试验机与独立设计制造的微试样试验装置构成,能够为无法制备常规标准试样的新材料或...     

原子力显微镜在二维材料力学性能测试中的应用综述

以石墨稀为代表,二维材料有着诸多优异的性质,在下一代电子器件等领域拥有广阔的应用前景.目前绝大多数关于二维材料的研究都集中在其电子学和光学的性质和应用,对于其力学性质的研究则相对欠缺,而力学性质在二维材料的研究和应用中都有着至关重要的意义.原子力显微镜是低维材料力学性质表征的主要手段,例如基于原子力显微镜的纳米压痕技术...     

流固耦合不可压物质点法及其在晃动问题中的应用

作为一种混合拉格朗日欧拉法,物质点法在流固耦合问题中具有重要的应用前景。对于自由液面的流动问题,基于物质点法框架已建立了弱可压物质点法和完全不可压物质点法,但在处理流固耦合问题时遇到了困难。弱可压物质点法由于采用可压缩状态方程,导致求解时间步长过小,压力振荡严重,产生了非物理的飞溅现象;完全不可压物质点法基于投影算法和不可压条件,消除了弱可压物质点法的压力振荡,提高了时间步长,但难以处理移动边界问题。基于变分形式的投影算法提出了一种新型流固耦合不可压物质点法,得到了体积加权的压力泊松方程PPE(Pressure Poisson Equation),解决了完全不可压物质点法无法处理不规则边界和移动边界的问题。采用流固耦合不可压物质点法研究了运动刚体容器中的液体晃动问题,并与已有实验和数值结果进行对比,验证了算法的正确性和精度。     

数字散斑相关技术进展及应用

数字散斑相关技术是廿世纪末发展的一项光力学测量技术,历经20年各国学者的研究改进积累,目前已成为一种成熟的测量方法,并已成功地应用于力学测量中。本文回顾和叙述了这些进展,并列举在各方面的应用实例以进一步扩展其应用领域。数字散斑相关技术的八个关键问题即1.相关公式,2.搜索技术,3.亚像素搜索,4.散斑图,5.减噪,6.补偿技术,7.位移场至应变场转换,8.三维位移场测量。最后将叙述数字相关技术在材料测试、结构模型及实物监测、岩石力学、复合材料性能研究、生物力学等方面的广泛应用情况。     

结合数码显微镜的数字散斑相关方法精度分析及应用

结合数字散斑相关方法和一种新型的显微镜数码显微镜,提出了一种测量多晶材料晶粒尺度面内变形的新方法,并通过零变形校准实验、重聚焦实验和平移实验等一系列验证实验分析了该方法的精度和实用性.作为应用实例,对一种镍基合金试件进行了单向拉伸和疲劳实验,得到了晶粒尺度下具有较大应变梯度的应变分布图像.结果表明,该方法能够得到精确的位移测量数据,是一种理想的测量晶粒尺度变形的光测方法.     

扫描电镜下的数字散斑相关方法及其应用

对数字散斑相关方法(digital speckle correlation method,DSCM)在扫描电镜(scanningelectron microscope,SEM)下的应用进行了研究。将DSCM与带电液伺服试验系统的SEM结合起来,对二者结合的过程进行了分析,实现了SEM下细微观变形场的测量,扩展了DSCM和SEM的应用范围。为了定量地把握SEM在扫描图像时放大倍数的不稳定性、非线性和内部噪声对DSCM的影响,还对SEM下的DSCM精度和误差进行了实验分析。统计结果表明,SEM下应用DSCM进行变形场的测量,其位移测量误差最大可达2像素,其精度可以满足一般变形场测量的需要。作为应用实例,对混凝土试件在SEM下的断裂行为进行了研究,得到了混凝土试件表面随着载荷的变化而变化的表面细观变形场。     

相关识别中的曲面拟合法

本文讨论了相关识别中的曲面拟合法。利用相关系数在真实匹配点附近的统计特性,通过对相关系数进行曲线（一维）或曲面（二维）拟合,根据其一阶导数确定最大相关系数所在的位置,快速得到亚像素匹配点。与逐步搜索法相比,该方法大大减少了运算次数,提高了数字图像相关运算的速度。     

数字图像相关方法在桥梁裂缝变形监测中的应用

本文结合工程实际背景分析了数字图像相关方法应用在桥梁裂缝变形监测中的可行性及优越性。根据桥梁裂缝变形的特点采用数字图像处理技术中的位移梯度法进行所选区域的相关匹配搜索并对相关系数的计算公式加以改进。使实验过程得以简化。计算结果全场化、直观化。本文对数字图像处理软件的测量精度和在实际测量中的测试误差进行了分析和研究。证明该软件能够更加精确地测定裂缝在各种荷载作用下的变形量值．实际的桥梁测试也验证了该方法的可行性和优越性。若图像记录设备的分辨率是12．47pixel／mm(0．0802ram／pixel)。本文所涉及到的桥梁裂缝边缘的位移测试精度为0．000802mm。     

利用数字散斑相关法测定聚酰亚胺/SiO2合成薄膜的力学性能

聚酰亚胺 /SiO2 合成薄膜是一种具有优良力热光电性能的薄膜材料,在MEMS工艺中具有广阔的应用前景,其力学性能测量的研究具有非常重要的意义。本文将数字散斑相关技术和微拉伸试验相结合,对厚度为 37μm的聚酰亚胺(polyimide) /二氧化硅(SiO2 )合成薄膜进行了力学性能测量,获得了比较满意的结果。文章给出了测得的弹性模量和泊松比。为了解决数字散斑相关法不能直接测量较大变形的缺陷,本文提出了多级相关算法,并利用亚像素搜索和双线性插值进行了数据处理。     

数字图像相关测试技术在霍普金森杆加载实验中的应用

本文利用三维数字图像相关(3D-DIC)测试技术,在Hopkinson bar加载条件下测试铝合金动态拉伸力学性能以及TC4合金Ⅱ型裂纹的起裂时间和冲击载荷下的失稳扩展速度。两台高速相机保证了被测物体的三维成像,校准板技术使得所测试的应变-时间历程定量化。利用数据处理软件能够得到关注区内每一点的位移-时间历程、应变-时间历程及主应变等。同时,针对TC4材料的动态断裂过程,三维数字图像相关技术能够实时地记录预制疲劳裂纹的张开、裂纹尖端起裂、裂纹分叉扩展、失稳传播等各个阶段,为动态断裂韧性的确定提供了有力工具。     

材料力学性能检测虚拟实验的设计和开发

针对传统材料实验教学的种种弊端,将虚拟现实技术运用到材料实验教学当中,使教学过程具有交互性好,实验沉浸感强的特点。介绍了基于VRML的材料力学性能检测虚拟实验的设计思想和设计原理,对关键技术进行了阐述和分析。采用Pro/E、3DS MAX建立拉伸机、冲击机,疲劳试验机、压缩机、带表卡尺等实验仪器、工具的三维模型,并将其转换成VRML格式。然后通过VRML的事件路由机制实现了材料力学性能检测实验的全过程,如拉伸实验中,包括试样的测量、加载,拉伸过程的实现和曲线实时生成。作为材料实验教学的辅助工具,使学习过程形象化,充分发挥学生主观能动性,培养创新意识和解决工程问题能力。     

在役设备材料弹塑性力学参数测定方法综述--小冲杆实验力学研究进展之一

20多年以来,采用小型试件的小冲杆试验技术来测量在役设备材料的各种力学参数已经取得了很大进展,这个方法已经用来确定材料的弹性模量、屈服强度、塑性性能、抗拉强度、韧一脆转变温度、断裂韧度、蠕变性能和黏塑性性能等各种力学性能。由于从小冲杆试验的测量结果来确定材料的力学性能是一个反问题,因此,与此有关的反问题分析方法也得到了相应的发展。本文系统综述小冲杆试验的测量技术及从测量数据来确定材料弹塑性参数的各种经验方法和计算方法,例如有限元分析和参数法、反向有限元法、有限元和反方法、反向识别和人工神经网络、有限元优化和试验变形形状以及杂交反方法等。