利用HIRFL高能重离子束的核能材料辐照损伤研究

载能重离子与高能中子在材料中能够产生相似的级联碰撞损伤,加之重离子具有大的离位损伤截面和在材料样品中低的感生放射性,载能重离子束成为模拟先进核能装置内部结构材料辐照损伤的重要手段。HIRFL能区的重离子在结构材料中的射程一般远大于晶粒尺寸,因此能够产生材料体损伤,借助小样品技术可以获得材料力学性能变化（尤其辐照脆化）的有用信息,为探讨材料辐照损伤微结构和宏观力学性能变化的关联提供了重要条件。本文简要介绍了近年来我们基于HIRFL高能离子束开展的聚变堆候选材料辐照损伤的研究,包括低活化钢的辐照脆化行为、氧化物弥散强化（ODS）铁素体钢的结构优化对于抗辐照性能的影响、不同载能粒子辐照条件下铁素体/马氏体钢的辐照肿胀数据的关联,以及高能重离子辐照的钨材料中氢同位素的滞留行为。研究表明,结合特殊的测试技术及数据分析方法,高能重离子可作为核能结构材料辐照损伤研究及评估的有效手段。Because of the similarity in cascade damage structure in materials produced by energetic heavy ions and by fast neutrons, and the high displacement rate and low induced radioactivity of samples by heavy ions, heavy ion beam becomes an important tool to simulate radiation damage by energetic neutrons in materials in advanced nuclear energy systems. The ranges of heavy ions provided by HIRFL (Heavy Ion Research Facility in Lanzhou) are generally much larger than the mean dimensions of grains in alloys candidate to advanced nuclear reactors, and is capable of producing radiation damage in bulk scale. It therefore makes possible the evaluation of change of mechanical properties including the radiation induced embrittlement from the irradiated specimens by using miniaturized specimen techniques. In the present paper, we provide an introduction of our recent studies of radiation damage of materials candidate to future fusion reactors by utilizing heavy ion beams in HIRFL.The studies include issues as follows:ductility loss of RAFM steels causes by high-energy Ne ions, impact of oxide dispersoids on the radiation resistance of ODS ferritic steels, correlation of void swelling of ferritic/martensitic steels under different particle irradiation, and behavior of deuterium retention in tungsten under irradiation with high-energy heavy ions. The results show that high-energy heavy ions can be used as a tool to efficiently investigate or evaluate radiation damage in structure materials if combined with some special test techniques and data analysis.     

三维编织复合材料渐进损伤的非线性模型及强度分析

建立了考虑周期性位移边界条件的细观体胞模型,对三维编织复合材料的渐进损伤过程进行数值模拟。采用Eshelby-Mori—Tanaka方法计算含损伤裂纹的材料的剐度矩阵,并将有限元网格尺寸和单元裂纹尺寸引入损伤演化方程,有效地降低了模拟结果对有限元网格的依赖程度。通过计算得到了材料应力应变的非线性关系和失效时的极限强度,并分析了材料的破坏机理。结果表明,大编织角材料的破坏模式主要是基体失效与纤维横向拉剪破坏,模拟计算结果与文献中的实验值吻合较好。     

混凝土率型内时损伤本构模型

混凝土是一种典型的率敏感材料,为了更好地描述混凝土结构在动力、冲击荷载作用下的强度和变形特征,本文结合内时理论和损伤理论建立了一种考虑混凝土率效应的内时损伤本构模型。该模型的特点:将混凝土材料的受力软化效应分解为密实状态的塑性效应和由微裂缝扩展引起的刚度退化效应。前者由内时理论来描述,这使该模型摆脱了一般弹塑性模型中屈服面的概念,从而更符合混凝土的变形特性,并且简化了非线性计算过程;后者由损伤理论来描述,根据混凝土的动力试验结果建立了增量型的损伤演变方程,从而使该模型能够较好地反映混凝土的动力特性。最后,应用本文建议的模型对一钢筋混凝土简支梁进行了非线性分析,结果表明:当结构承受快速荷载作用时,应变率对结构的受力性能影响较大,在进行结构分析时必须予以考虑。     

基于高维突变模型的海上通道安全预警研究

为了在海上通道突发事件发生前给出可能的危险等级,减少海上通道突发事件造成的损失和提高海上通道预警与应急管理能力,本文针对海上通道安全突发事件的复杂性,提出一种历史案例分析与高维突变级数相结合的新方法。首先,通过对历史突发事件案例的统计分析,得出海上通道安全的主要风险源因素,并由此建立了海上通道安全预警指标体系。其次,将突变级数法在高维指标应用方面进行了推广,建立海上通道安全预警模型,并根据历史案例数据计算模型的预警阈值。最后,选取了实际案例对预警模型进行了检验,检验结果表明模型可以对海上通道突发事件进行有效预警。     

非洲绿猴肾上皮细胞的损伤模型及其对草酸钙生长的调控作用

采用H₂O₂对非洲绿猴肾上皮细胞(Vero)进行了损伤, 通过检测细胞存活率、培养基中超氧化物歧化酶(SOD)浓度、丙二醛(MDA)释放量和细胞表面晶体粘附分子骨桥蛋白(OPN)的表达量变化, 检测了细胞的损伤程度. H₂O₂对Vero细胞的损伤作用呈现时间依赖性和浓度依赖性|细胞损伤后, MDA释放量增加, SOD浓度降低, OPN表达量显著增加, 导致粘附的晶体量增加. 利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)研究了细胞损伤前后对草酸钙(CaOxa)晶体生长的调控作用. 对照组细胞诱导生成的CaOxa晶体棱角圆钝, 同时含有一水草酸钙(COM)和二水草酸钙(COD)晶体|而损伤细胞诱导生成的晶体形状不规则, 棱角尖锐, 主要为COM晶体, 因此, 细胞损伤后增加了草酸钙结石形成的危险性. 所建立的Vero细胞氧化损伤模型有助于从细胞水平上阐明草酸钙结石的形成机制.     

异咯嗪修饰富勒烯-聚丙烯酸的合成及其与DNA的相互作用

利用自由基聚合反应合成了聚丙烯酸修饰的富勒烯(C₆₀-PAA),进一步通过酯化反应将核黄素类似物6,7-二甲基-9-(2’-羟乙基)-异咯嗪(DHIX)与C₆₀-PAA共价连接,得到C₆₀-PAA-DHIX.利用傅立叶红外光谱(FT-IR)、核磁共振氢谱(¹HNMR)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、荧光光谱对产物的化学结构进行了表征.循环伏安法表明,C₆₀-PAA-DHIX中富勒烯基团的第一还原电位要高于DHIX基团的第一还原电位.ESR实验表明C₆₀-PAA-DHIX能与N,N-二甲基苯胺发生多步光诱导电子转移反应,即DHIX基团与N,N-二甲基苯胺发生光诱导电子转移生成DHIX负离子自由基(DHIX^-·),DHIX^-·能进一步将电子传递给富勒烯生成富勒烯负离子自由基.DNA熔解曲线、紫外-可见吸收光谱和荧光光谱结果表明,C₆₀-PAA-DHIX通过沟槽结合与CTDNA作用,而C₆₀-PAA与DNA的作用较弱.无氧条件下,C₆₀-PAA-DHIX具有比C₆₀-PAA更强的DNA光损伤能力.     

变刚度复杂梁结构损伤检测方法研究

提出了适用于复杂梁结构损伤检测的子段模态应变能法SSEM(subsectionstrainenergymethod),并分析了该方法的适用性条件．通过对变截面梁的有限元计算,以及对纤维增强复合材料风机叶片缩比模型的试验分析,验证了SSEM方法确定的结构损伤指标对损伤准确定位的可靠性．该基于振动的变刚度复杂梁结构的损伤检测方法,可应用于工程实际中梁和类梁整体结构的损伤检测．     

高温结构材料的蠕变和疲劳研究的一些新进展

高温部件长期在高温严酷环境和载荷作用下,蠕变和疲劳是制约其使用寿命的重要因素,成为高温结构强度领域的关键问题,近年来日益受到研究者们的高度关注。本文回顾了实际高温结构部件和材料的失效机制、损伤评估以及寿命预测等方面的研究进展,着重介绍了本课题组在高温蠕变和疲劳领域的最新研究成果,并对该领域今后的发展方向进行了展望。     

前交叉韧带损伤的继发性生物力学影响

前交叉韧带(anterior cruciate ligament, ACL)损伤往往会导致半月板及周边韧带的继发性损伤. 由于离体实验和临床研究的局限性,损伤的机理仍未得到清晰的认识. 基于核磁共振断层扫面图像重建了一个比较完整和精确的膝关节三维有限元模型. 采用文献报道的解剖测量数据对关节的解剖尺寸进行了检验,证明模型在几何上比较准确. 并且对文献报道的膝关节实验作了模拟,得出的计算结果与实验比较吻合,证明模型能够在一定程度上再现膝关节真实的运动情况. 然后利用该模型对ACL损伤前后的膝关节进行模拟,分别在屈膝0$^\circ$和30$^\circ$的姿态下对胫骨施加前后方向和竖直方向的载荷. 结果表明, ACL的损伤改变了关节组织上的应力分布:内侧半月板后段的应力显著增加;外侧半月板、后交叉韧带以及侧副韧带上的应力改变程度则取决于载荷的类型和屈膝的角度. 该研究有助于认识ACL损伤之后周边组织的继发性损伤现象,并对容易诱发损伤的高危动作进行分析和预防,对研究ACL的损伤和治疗具有重要的意义.      

缝合复合材料层合板拉伸疲劳损伤及其机理

对有、无缝合复合材料层合板的拉伸疲劳性能进行了试验研究,考察了0^\circ缝合对复合材料光滑板拉伸疲劳损伤扩展规律的影响. 通过有限元素法分析了有、无缝合复合材料层合板的应力状态分布情况,对缝合复合材料层合板的拉伸疲劳损伤及其扩展机理进行了分析. 研究表明,缝合改变了复合材料层合板拉伸疲劳损伤起始与扩展的机理,针脚附近的面内正应力\sigma_{x}与层间剪应力的集中对层合板拉伸疲劳损伤的发生与扩展有着重要的作用,自由边界处的层间集中应力对缝合板的疲劳性能也有影响. 自由边界处的层间集中应力是导致无缝合层合板疲劳损伤及其扩展的主要原因.