基于DIC方法的残余应力快速测量系统

结合数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)方法与钻孔法,开发了残余应力快速测量系统。该系统可分为两部分:适用于现场测量的便携式机械系统与针对残余应力测量而改进的基于DIC算法的程序。在四点弯曲加载平台上对工件进行载荷释放前后的残余应力测量试验,通过与应变片测量结果进行对比,该残余应力测量系统的精度达到了应变片测量的同等精度。同时,该测量系统解决了传统应变片测量系统对心误差大、操作繁琐、效率低和测量结果稳定性差等问题,具有较高的工程应用价值。     

水平应力对顶板跨落角的影响及应用

为得到水平应力对顶板垮落角的影响,进而确定高位抽采钻孔布孔参数,采用理论分析及相似材料模拟实验的方法进行了研究。首先依据基本顶断裂位置围岩结构力学模型,将顶板岩层假设为梁结构,得到单一岩梁在不同水平应力作用下的断裂线位置变化规律。然后将各岩梁的断裂线位置叠加组合,得到水平应力对垮落角发育的影响。为验证理论分析结果,以水平应力值为影响因素设计了三组不同水平应力值条件下的双向加载相似材料模拟实验,得到了不同水平应力值对应的垮落角。研究结果表明:顶板垮落角由各岩梁断裂线位置决定。地基系数较小时,断裂线与地基初始接触位置距离随水平应力的增加表现为先减小后增加,垮落角变化规律同样为先减小后增加,但减小不明显;当地基系数增加时,随水平应力增加,断裂线与地基初始接触位置的距离减小趋势逐渐消除,仅表现为增加趋势,垮落角变化同样表现为增加趋势。现场应用表明,采用双向加载模型得到的垮落角对钻孔布置参数进行优化,优化后钻场抽采浓度及高浓度抽采时间均得到提高。     

残余应力分析方法比较:X射线衍射法与应力释放法

残余应力分析方法主要有衍射法、应力释放法和声、光、磁等方法。其中,X射线衍射法与应力释放中的钻孔技术与理论最为成熟,应用最广。在应力均匀且数值较小时,两者可以给出相互接近的结果。然而当样品微小且微观结构复杂时,两者给出的结果会有明显的差异。本文利用上述两种方法对同一纯铜样品表面的残余应力进行分析,对比分析结果并讨论了相关的影响因素。我们对X射线衍射法与环芯法的适用性进行了讨论:前者适用于晶体材料的无损检测,而后者更能反映当前应力水平。此外,对方法的选用需要考虑应力测试的目的。     

基于J-C模型的镁合金MB2动静态拉伸破坏行为

为了研究不同应力状态和应变率条件下镁合金MB2的拉伸破坏行为,利用材料试验机和分离式Hopkinson拉杆(SHTB),对镁合金MB2的光滑及缺口圆柱试件进行了动静态拉伸加载;拟合得到了镁合金MB2的动静态拉伸本构关系,建立了其修正的Johnson-Cook失效破坏准则,并对不同试件的拉伸破坏行为进行了数值模拟;利用SEM对宏观破坏模式对应的微观损伤机理进行了分析。结果表明,随着应力三轴度的增加,镁合金MB2的等效破坏应变先增大后减小,宏观破坏模式由剪切转为正拉断,微观损伤机制由混合断裂转变为韧窝断裂;而随着应变率的增加,等效破坏应变不断减小,破坏模式不发生改变。Johnson-Cook本构关系和修正后的Johnson-Cook失效破坏准则能较好地拟合动态静态拉伸实验结果并预测不同试件的杯锥形破坏特征。

     

STUDY OF THREE-SHEAR STRESS UNIFIED STRENGTH THEORY

材料强度理论研究是高等材料力学的一个重要研究领域,200多年来,各国学者提出了许多强度理论及试验研究结果.这些理论都是从不同的假设和力学模型出发,推导出不同的数学表达式,但一般只适用于某一类特定的材料.各种强度理论之间是否有联系?是否可能建立一个广泛适用的统一强度理论?自19世纪末以来,世界各国学者都在努力寻求建立统一强度理论,但一直没有成功.本文应用理论研究和试验验证相结合的方法,提出并验证了三剪应力统一强度理论。认为当作用于菱形十二面单元体上的三个主剪应力及其作用面上的三个正应力的函数达到某一极限值时,材料发生破坏.三剪应力统一强度理论是全应力理论,它用一个统一的线性表达式包含或逼近了现有的和其他新的各种单一和统一、线性和非线性、外凸和非凸的强度理论,形成了以单剪强度理论为下限、而以三剪应力强度理论为上限的一系列强度理论的新体系,实现了外凸强度理论和非凸强度理论的高度统一,使强度理论从适用于某一类材料、某种应力状态的单一强度理论发展为可以适用于各种材料及不同应力状态的统一强度理论,并能更大程度地发挥材料的强度潜力.通过与大量试验结果的对比分析表明：三剪应力统一强度理论可以广泛适用于各种材料及其不同的应力状态.     

基于修正偶应力和高阶剪切变形理论的变截面微梁的自由振动

基于修正偶应力和高阶剪切理论建立了仅含有一个尺度参数的Reddy变截面微梁的自由振动模型,研究了变截面微梁自由振动问题的尺度效应和横向剪切变形对自振频率计算的影响。基于哈密顿原理推导了动力学方程与边界条件,并采用微分求积法求解了各种边界条件下的自振频率。算例结果表明,基于偶应力理论预测的变截面微梁的自振频率均大于经典梁理论的预测结果,即捕捉到了尺度效应。另外,梁的几何尺寸与尺度参数越接近,尺度效应就越明显,而梁的长细比越小,横向剪切变形对自振频率的影响就越明显。     

新修正偶应力层合板理论中的几个基本假设对自由振动计算的影响

基于新修正偶应力理论,在对微细观尺度的复合材料层合梁/板进行力学响应计算时,往往采用一系列假设来简化模型。现有文献都全部或部分应用了这些假设,但对这些假设是否会对计算结果造成影响尚未进行充分讨论分析。本文建立了未经简化的新修正偶应力Reddy层合板模型,并对其自由振动进行了分析。通过数值算例的对比,讨论了常用的几个简化假设对微细观复合材料四边简支方板自振频率的影响以及适用范围。算例结果表明,常用的几个简化假设对于微尺度层合薄板自由振动的影响很小,对于厚板的低阶频率影响也很小,但对厚板的高阶频率影响显著。     

不同倾角预制裂纹缺陷与运动裂纹的相互作用

为了研究运动裂纹与不同倾角预制裂纹缺陷之间的作用机制,采用数字激光动态焦散线方法对含不同倾角预制裂纹缺陷的三点弯曲梁进行冲击实验。研究结果表明,在冲击载荷作用下,预制裂纹缺陷尖端均产生了次生裂纹;当运动主裂纹与预制裂纹缺陷贯通时,次生裂纹不会立即起裂,而是经过0~10 μs的能量积蓄后,次生裂纹才起裂;运动主裂纹应力强度因子峰值与次裂纹起裂时的应力强度因子值均随预制裂纹倾角的增大而增大。     

Dynamic analysis and design of electrically actuated viscoelastic microbeams considering the scale effect

Viscoelastic phenomena widely exist in MEMS materials, which may have certain effects on quasi-static behaviors and transition mechanism of nonlinear jumping phenomena. The static and dynamic behaviors of a doubly clamped viscoelastic microbeam actuated by one sided electrode are investigated in detail, based on a modified couple stress theory. The governing equation of motion is introduced here, which is essentially nonlinear due to its midplane stretching effect and electrostatic force. Through quasi-static analysis, the equilibrium position, pull-in voltage and pull-in location of the system are obtained with differential quadrature method and finite element method. The equivalent geometric nonlinear parameter is presented to explain the influence of the scale effect on the pull-in location. Different from elastic material, there are two kinds of pull-in voltages called as instantaneous pull-in voltage and the durable pull-in voltage in viscoelastic system. Then, Galerkin discretization and the method of multiple scales are applied to determine the response and stability of the system for small vibration amplitude. A new perturbation method to deal with viscoelastic term is presented. Theoretical expressions about the parameter spaces of linear-like vibration, hardening-type vibration and softening-type vibration are then deduced. The influence of viscoelasticity and scale effect on nonlinear dynamic behavior is studied. Results show that the viscoelasticity can reduce the effective elastic modulus and make the system tend to softening-type vibration; the scale effect can increase effective elastic modulus and make the system tend to hardening-type vibration. And most of all, simulation results of case studies are used to realize parameter optimization. Then parameter conditions of linear-like vibration, which is desired for many applications, are obtained. In this paper, the results of multi-physical field coupling simulation are used to verify the theoretical analysis.     

Rate type constitutive equations for fiber reinforced nonlinearly vicoelastic solids using spectral invariants

In this paper we are interested in developing constitutive equations for fiber-reinforced nonlinearly viscoelastic solids. It has been shown that constitutive equations for such bodies can be expressed in terms of a complete minimal set of 18 classical invariants associated with deformation and fiber orientation. In this paper, we give an alternative formulation using a set of spectral invariants. It is shown via the use of spectral invariants that only 11 of the 18 classical invariants are independent. We analyze the spectral invariants for two illustrative deformation gradients: (i) simple tension, and (ii) simple shear.