基于非线性弹性卸载的L形弯曲成形回弹研究

为提高板料成形数值模拟回弹预测的精度,将弹性模量随塑性变形的改变引入到数值模拟回弹分析中。通过静力拉伸实验,研究了AA2024-T3铝合金板料的塑性变形对弹性模量的影响,给出了弹性模量与等效塑性应变之间的数学关系。建立了基于Holloman型等向强化和von.Mises屈服的非线性弹塑性本构模型,并利用ABAQUS/Standard的用户自定义接口UMAT实现了该弹塑性本构模型。设计了L形弯曲实验装置,利用基于非线性弹性的本构模型,对实验过程进行了数值模拟,实验与模拟结果的对比表明,在数值模拟中考虑了弹性模量的非线性能够提高回弹预测精度。     

层片结构共晶体的残余应力场

层片结构共晶体由同向平行的片状夹杂和基体构成,片状夹杂和基体之间为强约束化学结合界面。首先建立四相模型,根据制备过程的温度变化,基于Eshebly理论得到基体内的残余应力和残余应变;然后在三相胞元应变均匀条件下,通过有效自洽理论得到片状夹杂和界面相的残余应力场;最后在基体、界面相和片状夹杂为各向同性的条件下,得到层片结构共晶体的残余应力分布规律,并分析其尺度效应。     

基于同轴光子带隙晶体的应变传感器

基于微波网络理论,提出了一种基于变绝缘层的同轴光子带隙晶体应变传感器的设计方法。给出了同轴光子带隙晶体传感器的结构形式,推导了传感器带隙极值频率与晶体电长度之间的关系。根据给定监测频点设计了传感器的几何尺寸及材料参数,计算了传感器的S参数,计算结果与仿真结果相吻合。分析了提高该传感器灵敏度和品质因数的方法,并搭建了实验测试平台。实验结果表明:当应变量由0με提高至10 000με时,极值频率由2.450GHz移至2.432GHz,频移量为18 MHz,灵敏度为1.8kHz/με。得到的实验结果与仿真结果相吻合,验证了本文所提出的基于变绝缘层的同轴光子带隙晶体应变传感器设计方法的可行性和有效性。该传感器可满足不同灵敏度需求下对应变的实时监测。     

有限元分析在骨支架设计中的应用

生物可降解骨支架设计一直是组织工程的重点,为满足骨支架植入后的性能要求,生物力学特性是其设计过程中首要考虑的问题之一。通过对不同孔隙率骨支架的分析,提出骨支架有效弹性模量与孔隙率和材料弹性模量之间的关系式,作为骨支架设计中的参考。分析中所用骨支架的孔隙率通过组合可控微单元体进行调整,对大量的骨支架的有限元分析表明:0.5%总体压应变下有效弹性模量与孔隙率和弹性模量之间关系是线性的以及对于不同属性材料,其弹性模量越高,随着孔隙率的增大,其有效弹性模量减小速度越快。     

基于挤压模式下磁流变液力学行为的实验研究

对磁流变液在不同直流电流作用下的准静态挤压过程进行了实验研究.建立了用于测试磁流变液挤压模式下力学特性的实验装置,并通过ANSYS/Multiphysics对此实验装置磁路的磁感应强度分布进行了仿真分析.测试了压应力和压缩弹性模量各自随压应变的变化曲线.实验结果表明:压应力与压应变、外加电流大小和磁流变液本身的性能都有密切的关系.压应力与压应变、压缩弹性模量与压应变的曲线可以划分为3个不同的区域.在第1区域压应变小于0.025时,压应力和压缩弹性模量随压应变的增加而迅速增加;在第2区域压应力与压应变的曲线斜率近乎为零,而压缩弹性模量却随压应变的增大而下降,在压应变约为0.15时降到最低.随后在压应变大于0.15时压应力和压缩弹性模量与压应变显示为指数关系.     

高强度钢板非弹性回复行为实验研究

通过在不同塑性应变水平下的加载-卸载实验,对TRIP600和H220BD两种高强度钢板卸载后的应变回复行为及其随塑性应变的变化规律进行了详细的分析,并建立了弹性模量计算模型。结果表明:高强度钢板卸载后产生的应变回复由弹性部分和非弹性部分组成,其中非弹性应变回复所占比例在塑性应变为0.2时可达20%;弹性模量随着应变的增大而下降,且下降幅度逐渐减小,当应变增大到一定水平时弹性模量趋于一个稳定值。     

MEMS应变传感器测量误差分析

由于MEMS传感器基片与基体并不接触,基体应变并不能准确地传递到MEMS传感器基片上,造成MEMS应变传感器的测量应变与基体的真实应变有一定的误差。为进一步提高MEMS测量应变的精度,利用考虑剪滞效应的弹性理论研究MEMS传感器应变传递机理,建立力学模型,得出测量应变与基体真实应变之间的关系;最后分析了传感器基片、粘结层和基体对灵敏度系数的影响。结果表明:灵敏度系数随着传感器基底厚度和弹性模量的增大而逐渐减小;随着粘结层厚度的减小、弹性模量的增大而逐渐增大;随着基体刚度的增大而逐渐增大。通过对MEMS应变传感器应变传递机理的分析,对MEMS传感器的设计和使用提供一定的参考。     

用于延性材料力学性能测定的圆柱平面-小冲杆试验新方法与应用

针对均匀、各向同性、幂律硬化的金属材料圆片试样,以圆柱平面小冲杆对试样圆面中心法向施加压载荷,提出基于能量密度等效的、用于描述试样几何尺寸、材料本构关系参数、载荷和位移之间关系的圆柱平面-小冲杆试验(Flat small punch test, F-SPT)弹塑性模型,并提出获取材料应力-应变曲线和力学性能指标的F-SPT新方法。通过有限元分析对不同弹性模量、屈服强度和硬化指数组合的48种预设材料进行新方法的数值验证,以及对10种金属材料完成F-SPT,结果表明,由新方法获得的应力-应变曲线与有限元分析预设曲线和传统单轴拉伸试验结果吻合良好,此外,由新试验方法获得的弹性模量、屈服强度和抗拉强度与单轴拉伸试验结果误差大部分低于7%。     

晶须排列方式对复合材料力学性能的影响

应用二维平面模型和有限元分析方法研究了晶须在不同取向角单向排列和随机排列时对晶须增强树脂基复合材料应力应变和弹性性能的影响.结果表明:在晶须体积分数和外加应力相同的条件下,取向角θ的变化对应力应变集中系数有较大影响;晶须随机排列时,应力集中系数远大于单向排列时的应力集中系数,而应变集中系数同θ=30°时的系数接近;复合材料弹性模量随晶须取向角的增加而减小,当晶须取向角θ>45°时,弹性模量受晶须取向角的影响较小,晶须随机排列时的弹性模量值介于θ=30°和θ=45°的弹性模量值之间.     

含损伤共晶体复合陶瓷的损伤强度模型与应用

复合共晶体的断裂是开始于危险点的微观损伤的累积结果。其损伤特征与复合共晶体内纤维的分布形式有关。基于损伤余自由能表达式,定义纵向、横向和剪切三个损伤变量;根据含同向平行纤维复合共晶体的微观结构特性,确定损伤变量表达式,并计算损伤柔度张量。基于损伤柔度张量和复合共晶体的局部应力场,分析损伤应变场的分布规律并确定最大损伤应变;依据最大线应变理论,定义加载函数,建立含同向平行纤维复合共晶体的损伤强度模型。依据无损共晶基复合材料的强度预报公式,确定共晶体损伤时复相陶瓷的宏观断裂强度,并分析宏观断裂强度的尺度效应。结果表明,复合陶瓷的断裂强度随共晶体损伤程度的增加而降低,并且损伤变量越大,断裂强度的尺度效应范围越小。     

TNTZ钛合金流变行为及物理基本构模型

借助Gleeble-3500热模拟机对Ti-29Nb-13Ta-4.5Zr(TNTZ)钛合金进行了变形温度为700~900 ℃、应变速率为0.001~1 s-1的等温恒应变速率压缩实验,分析了应变速率和变形温度对TNTZ钛合金流变应力的影响。根据实验数据,计算了不同变形条件下的温升值,分析了变形热产生的规律。综合考虑温度对材料自扩散系数和弹性模量的影响以及应变对合金流变应力的影响,通过多元线性回归拟合材料参数与应变之间的函数关系,构建了基于应变补偿的物理基本构模型。研究结果表明：TNTZ钛合金的流变应力随应变速率的增大而增大,随变形温度的升高而减小;变形热效应引起的温升与应变速率正相关,与变形温度负相关。通过应变补偿建立的物理基本构模型预测精度较高,模型相关系数R达0.964,平均相对误差为10.63%。     

埋入式光纤布拉格光栅传感器封装结构对测量应变的影响

考虑在实际应变测量中传感器封装形式会影响光纤Bragg光栅测得的应变响应,本文研究了测量应变与实际应变之间的关系。针对埋入式光纤Bragg光栅传感器,建立了应变传递函数,并对传递函数的正确性和各个参数对测量应变的影响进行了研究。首先,根据埋入式光纤Bragg光栅传感器的受力特点,提出了多项式形式的剪应力分布,进一步建立了应变传递函数。然后,利用数值方法和实验对该应变传递函数进行验证。最后,分析了传感器长度、胶结层弹性模量、胶结层厚度对测量应变的影响。计算结果表明:该应变传递函数正确;胶结层厚度越薄,弹性模量越大,越有利于应变传递。该应变传递函数计算误差控制在5%以内,完全满足埋入式光纤Bragg光栅测量精度要求,对其实际应用具有指导意义。     

基于挠度图像辨识的木材弹性模量校正研究

针对木材弯曲试验中因万能力学试验机测定应变与试件挠度变化不同步而导致测得的弹性模量不精确的问题,提出一种基于挠度图像辨识的木材弹性模量校正方法。通过对试件进行三点弯曲加载试验,试验结果表明,利用图像处理修正前后,3组试件的弹性模量分别为8.22、8.35、8.93 GPa和11.24、11.47、14.60 GPa。说明万能力学试验机所测木材弹性模量相对保守,使用图像处理得到的载荷与挠度关系较原载荷-挠度曲线合理,该研究为静态弯曲载荷下的木材弹性模量的校正提供了借鉴。     

基于模型的螺栓松动状态监测方法

基于现有的模型损伤识别技术,提出了一种两阶段的螺栓状态长期在线识别方法:第1阶段识别螺栓连接中是否存在扭矩降低,设定了基于模态应变能的新损伤指标,并讨论了螺栓松动中非线性的表现;第2阶段识别松动螺栓的残余扭矩,以试验测得的前3阶局部振型,通过灵敏度修正识别螺栓连接中BEAM单元的弹性模量,建立了螺栓残余扭矩与BEAM单元弹性模量之间的对应关系;最后,使用两块通过螺栓连接的矩形钢板验证了该方法的有效性。试验结果表明,该方法能够快速识别出扭矩的降低,并识别其残余扭矩值是否已低于安全范围。     

带式输送机输送带带内应力分布特性分析

为研究输送带在过渡段等处横截面上的应力分布情况,采用电子万能试验拉伸机分析了输送带应力应变之间的关系,运用万能摩擦磨损试验机得出摩擦因数,结合理论分析建立带式输送机刚柔耦合动力学模型并进行仿真。通过试验得到了钢丝绳芯橡胶输送带的应力-应变迟滞回线,发现了应力与应变之间的关系,并在此基础上计算出ST1600型输送带仿真所需要的弹性模量等材料参数。基于试验算得的参数,通过仿真得到槽型托辊支撑处输送带横截面上的应力近似呈梯形分布,应力从中间向两边逐渐减小;滚筒处输送带应力分布大致呈抛物线形分布,输送带中间部分应力分布最大;过渡段应力分布具有"W"形分布特点。     

胞元模型在骨组织建模中的应用及评价

针对去软组织骨生物力学建模问题,采用有限元仿真手段通过股骨CT体数据集三维几何重建、网格划分、股骨表观密度计算、有限元单元横观各项同性力学模型建立、力学参数确定等几个步骤实现对股骨的力学建模和解算。其中,最关键的工作是力学参数确定,尤其是弹性模量和表观密度关系式的建立。依据胞元理论建立了弹性模量和表观密度的分段函数关系,最终获得股骨力学模型并通过仿真计算得到载荷-轴向应变和载荷-横向应变数据。同时,也基于弹性模量和表观密度经验关系式建立力学模型并进行分析计算提取仿真结果,通过实施生物力学试验提取试验结果,将两种仿真结果与试验结果对比得出:同一块猪股骨,在相同力学环境下,胞元理论力学模型与试验结果轴向应变误差为25.92,横向应变误差为10.04,两种误差均小于经验公式力学模型仿真结果误差,因此,胞元理论力学模型在股骨建模中表现出模型更精确、适用范围更广泛的优势。     

SiCp/2024Al复合材料高应变率热变形行为的新本构模型#br#

通过分离式霍普金森压杆(SHPB)动态压缩试验研究了体积分数为45%的铝基碳化硅颗粒增强复合材料（SiCp/2024Al）在大应变率和变形温度范围内的热变形行为,分析了热变形参数（变形温度和应变率）对流动应力的影响。研究发现：变形温度和应变率对复合材料的流变应力、抗压强度、弹性模量、应变率敏感性有显著影响;抗压强度、弹性模量随变形温度的增大而减小,而抗压强度、弹性模量、应变率敏感性随应变率的增大出现了拐点。根据试验结果,结合热力学和统计损伤力学理论,建立了描述SiCp/2024Al复合材料动态热变形行为的连续损伤本构模型,预测的流动应力与试验结果吻合较好,表明所建立的模型能够准确地描述SiCp/2024Al复合材料动态热变形行为。     

基于双晶体补偿的光纤电压传感器研究

本文根据横向电光穴Pockels雪效应原理,提出了一种基于双晶体补偿的新型光纤电压传感器结构。论述和分析了双晶体补偿的工作原理,研究了传感器的光路系统和信号处理方法,光路系统采用双探测器结构,信号处理采用DSP技术。并对传感器的性能进行了测试,测试结果表明双晶体补偿的电压传感器具有良好的线性度。     

FBG式隔水管应变传感器的力学响应特性分析

针对深海隔水管应力监测所设计的光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器系统,采用基于有限元方法的软件对传感器在不同载荷模式下的力学响应特性进行了分析,得到了该传感器的应变传递系数。并以仿真结果为依据,对隔水管所受最大应力和弯矩的公式进行了修正。为了获得合适的传感器应变传递系数,通过改变相应参数建立计算了不同的仿真模型,由此分析了弹性元件和固定钢管的弹性模量、长度和外径对它的影响。结果表明:弹性元件长度为调节传感器应变传递系数的最佳参数。     

表面粘贴式光纤布拉格光栅传感器层状结构对测量应变的影响

由于用表面粘贴式光纤布拉格光栅(FBG)传感器测量应变时会影响基体的应变分布,本文研究了光纤应变与基体应变之间的关系。针对该类传感器建立了基体与光纤之间的应变传递函数用以修正测量应变,然后研究了FBG传感器与基体之间的相互作用。最后,利用有限元分析(FEA)和实际实验对提出的理论进行了验证。结果显示:光纤应变的FEA解与理论解的误差在5%以内,实验解与理论解的误差在8%以内,结果表明该理论完全满足表面粘贴式FBG传感器的精度要求。另外,分析了黏结层和基体对应变传递的影响,结果显示:平均应变传递率和应变传递率随着基体弹性模量的增加而增加,但它们随着黏结层顶端厚度和底端厚度的增加而逐渐减小。