运用应变梯度塑性理论模拟颗粒增强铝合金强度及延伸率的尺寸效应

运用基于细观机制的应变梯度塑性理论模拟了不同晶粒尺度、不同第二相颗粒直径及体积分数的铝合金应力应变曲线.结果表明,在相同条件下,随着第二相颗粒直径的减小,或随着第二相体积分数的增加,合金的强度明显增强.相反,随着第二相颗粒体积分数的增加,或随着第二相颗粒直径的减小,合金的均匀延伸率均有所下低.同时对不同晶粒尺寸的铝合金应力应变相应的分析表明,第二相颗粒分布的不均匀性对其力学性能也有一定的影响.     

应变梯度塑性理论下超薄梁弯曲中尺度效应的数值研究

构造了一个在物理空间二次完备的应变梯度非协调单元,在验证了单元数值可靠性后,采用该单元详细研究了均布载荷作用下超薄梁弯曲中的尺度效应现象。计算结果与实验观测一致,即随着梁厚度的减小,其尺度效应增强。并发现在平面应力状态下,梁的梯度效应略强于平面应变状态。最后指出,尽管梁越薄,其梯度效应越强,但梁抗弯刚度仍随厚度的增加而增大。     

泡沫金属弹性变形尺度效应的理论与数值研究

泡沫金属的力学性能强烈依赖于内部结构。当构件特征尺寸与胞孔特征尺寸d处于相同数量级时,表现出明显的尺度效应。为了揭示这种尺度效应的力学机理,研究了泡沫金属试件的剪切和纯弯曲试验。一方面,利用应变梯度弹性理论给出解析解,其中包含了材料内禀尺寸l_c这一关键模型参数。另一方面,把每段胞壁视为铁木辛柯梁,从而建立梁链网作为泡沫金属的微观力学模型。通过应变能等效原理建立应变梯度连续体和基体金属材料弹性参数之间的关系。发现,边界层的约束条件对泡沫金属的力学响应有重要影响。弯曲问题中,只有对离散模型上下表面施加恰当的附加转角约束后,应变梯度理论解与链网模型数值解才能够吻合。这为理解应变梯度理论中的非传统边界条件提供了一个直观的实例。通过数据拟合,得到了内禀尺寸l_c与胞孔特征尺寸d之间的关系,与文献结论相符。     

基于偶应力理论薄膜-基体界面剪应力尺寸效应的研究

将C1自然单元法应用于偶应力理论,建立了偶应力理论无网格法。考虑到薄膜厚度在微米量级,与其材料的特征长度相当,因此基于构建的偶应力理论无网格法,研究了薄膜-基体复合结构界面剪应力的尺寸效应现象。计算结果表明:随着薄膜厚度的减小,无量纲界面剪应力(定义为偶应力理论下的剪应力与经典理论下的剪应力之比值)逐渐变小,尺寸效应逐渐增强。对于给定的粘合强度,偶应力理论下的剪应力要小于经典理论下的剪应力,这意味着偶应力理论下薄膜更不容易发生脱胶失效现象。     

基于Cosserat理论的应变梯度非协调数值研究

依据Cosserat连续介质理论下非协调离散体系的能量相容性,导出了非协调位移的一个合理约束条件。根据这个条件构造了一个应变梯度平面4节点非协调单元。计算结果表明,该单元对可压缩和不可压缩状态的Cosserat类型的应变梯度材料均给出合理的数值结果,再现了材料的应变梯度效应。     

CuZn37黄铜板料微塑性成形中的尺寸效应研究

为研究金属微塑性成形特点,对厚度不同及粗细两种晶粒尺寸的黄铜箔试样进行了单向拉伸和微弯曲实验,并采用经典塑性理论和应变梯度理论对弯曲回弹角进行了预测.粗晶粒板料试样单向拉伸实验表明,CuZn37黄铜的硬化曲线存在一种明显的尺寸效应,即板料厚度越小,屈服强度越高.弯曲回弹实验结果也存在另一种明显的尺寸效应现象,即板料厚度...     

低应变率下混凝土动态拉伸破坏尺寸效应细观模拟

在混凝土静态破坏尺寸效应方面已取得了较完善的成果,而在动态破坏尺寸效应方面,包括其产生机制及对应的尺寸效应律的研究则非常匮乏。为探讨动态荷载作用下混凝土尺寸效应行为,从细观角度出发,结合混凝土细观结构特征,考虑动态加载下细观组分应变率效应的影响,建立了混凝土破坏行为研究的细观力学分析模型与方法。以双边缺口混凝土试件为例,对其在低应变率（10^-5 s^-1~1 s^-1）下混凝土动态拉伸破坏行为及尺寸效应进行细观数值模拟,并分析了应变率效应对动态破坏尺寸效应的影响。最后,结合应变率效应对强度及尺寸效应的影响规律—“强度增强效应”与“尺寸效应削弱效应”,在静态破坏尺寸效应律的基础上,建立了混凝土拉伸强度的“静动态统一”尺寸效应理论公式,并验证了理论公式的准确性和合理性。     

压痕尺寸效应的理论分析

针对微纳米尺度下材料硬度测试中出现的压痕尺寸效应(ISE),指出目前用于解释压痕尺寸效应较为常用理论方法;介绍了应变梯度塑性理论的发展过程,引入了几何必需位错密度的概念,详细地描述了Nix-Gao模型及其修正模型的产生,对于预测硬度随压痕深度的变化趋势提供了很好的预测;介绍了能量平衡方法的形成过程,通过描述Meyer方程、Hays-Kendall方法和比例试样阻力模型,推导出能量平衡方程,为分析试验结果提供了理论模型;通过理论公式推导,分析两种理论分析方法对于压痕尺寸效应分析的一致性.     

晶粒尺寸对FeS2薄膜微应变及光吸收特性的影响

采用不同厚度的Fe膜在673K热硫化20h制备出具有不同晶粒尺寸的FeS2薄膜，分析并测定了薄膜组织结构、微应变及光吸收性能．结果表明，Fe膜硫化形成的FeS2薄膜厚度在120—550nm范围内变化时，可导致平均晶粒尺寸在40-80nm之间变化．FeS2晶粒尺寸的变化造成了晶体面缺陷密度的变化，可引起微观内应力水平、缺陷能级分布和晶界势垒高度的变化，进而使得薄膜的微应变、点阵畸变度、光吸收系数及禁带宽度等物理特性随晶粒尺寸的增加而降低．     

含约束薄膜的单轴拉伸的理论与数值研究

基于微态理论与应变梯度弹性理论框架,对含约束薄膜的单轴拉伸问题进行了研究。推导出在不同微观约束边界条件下薄膜单轴拉伸的解析解,较好的预测了薄膜内的边界层效应。通过分析两种理论之间的内在联系,发现可选取微态理论中的耦合因子作为罚参数,使得微态理论可以退化至应变梯度弹性理论。计算结果表明施加罚参数后的有限元解在边界层区域外...     

基于应变梯度位错理论的纳晶-无定形态层状复合材料的力学性能研究

纳晶-无定形态层状复合材料具有高强度高硬度还有良好的韧性等力学性能。为了定量评估这种新型材料的力学性能,建立了基于位错密度和应变梯度的力学模型。即在塑性变形的初始阶段,位错在晶态-非晶态层的交界面处产生,之后通过滑移穿过纳晶层到达对面的晶态-非晶态的交界面处被吸收。鉴于纳晶层和无定形态层的不同特性和界面的相互作用,理论分析了纳晶层中的位错演化过程以及交界面的损伤情况。结果表明,理论计算与实验结果基本吻合,且纳晶层无定形态之间的交界面具有很好的变形协调能力而不会在界面层产生失效。     

颗粒尺寸对颗粒增强型金属基复合材料动态特性的影响

利用有限元模型分析了颗粒增强型金属基复合材料 ( PMMCs ) Al/SiC的颗粒尺寸对复合材料在不同应变率下的动态特性的影响。采用有限元三维立方体单胞模型嵌入单个和多个球形增强颗粒,颗粒直径分别为16 μ m和7.5 μ m,多颗粒模型内部颗粒随机分布。基体材料假设为弹塑性,应变强化及应变率强化均符合指数规律。模拟结果表明:颗粒尺寸、颗粒体积含量及应变率对金属基复合材料的动态特性的影响是相互耦合的。颗粒体积含量一定时,颗粒尺寸越小,复合材料流动应力越高;颗粒含量越高,材料流动应力越高;应变率越高,材料流动应力越高。      

正交各向异性平面问题边界元——边境元素法研究

在文献[1]中,本文作者研究了正交各向异性平面问题边界元素法的有关基本理论和计算公式,在上述工作的基础上,本文进一步研究各向异性平面问题边界邻域的应力分析。当采用边界元素法分析应力时,由于边界积分的奇异性,边界邻域应力的计算结果往往存在一定误差。为解决此问题,本文提出一个基于修正余能原理的所谓边境元素,包括四节点边境元素、八节点边境元素和三节点边境元素等。在边界元素法求解的基础上,进一步利用本文所述边境元素法,得到了非常满意的计算结果。      

一种新型固有应变法的焊接变形仿真

以T形焊接接头为算例,结合热弹塑性有限元法和映射应变分量法研究角焊缝角变形的产生机制,认为固有剪切应变才是产生角变形的主要根源,而不是传统思维认为的横向固有正应变.随后,以此观点为基础,对比分析了两种不同的加载方位对横向约束度、横向固有应变及残余角变形的影响.沿焊缝表面斜向加载更接近于实际测量值和热弹塑性模拟值,表明了此种加载方位的合理性,为更合理的利用固有应变法预测焊接残余变形提供了有益的参考.     

熔体的粘性和弹性对LDPE／PS共混物形态的影响

研究了粘性和弹性对低密度聚乙烯／聚苯乙烯共混物形态的影响。结果表明，不相容聚合物在均匀剪切流动中的分散程度以及分散相的形状与组分的粘度比、相对弹性和体积分数有关。当分散相的粘性和弹性较基相大得多时，随分散相的体积分数增加，球状的液滴形成葡萄串状。若两组分的粘性和弹性相当，在适中的混合比下，分散相产生高度变形。不管组分的粘反比和弹性比大小，若分散相的体积分数非常低，共混物的主要形态皆为分散相的球状液滴分散在基体中。     

基于三维头部数值模型的颅脑碰撞损伤机理研究

头部碰撞载荷会致使颅脑发生创伤性脑损伤（Traumatic Brain Injury,TBI）。其中,脑组织挫裂伤是最为常见的一种,具有高死亡率与高致残率的特性。该文基于数值模拟方法对其开展相关研究,揭示其损伤机理,对该类损伤的预防救治与相关防护设备的开发都具有重要意义。首先,该文基于颅脑的核磁共振切片建立了人体头部三维数值模型,该模型真实地反映了颅脑的生理特征与细节构造。在该模型中,颅骨采用典型类三明治结构进行表征,其内外层为刚度与密度较大的骨密质,中间层为骨松质。为了真实反映脑组织与颅骨间的相互作用,将脑脊液与蛛网膜小梁简化为均质整体,采用状态方程表征脑脊液的液态特性,并通过较小的剪切模量表征蛛网膜小梁的剪切传递作用。然后,基于死尸前额碰撞实验对三维头部数值模型的有效性进行验证。该头部模型采用三种不同的颈部约束边界条件对前额碰撞实验进行数值模拟,模拟结果表明：自由边界条件下的模拟结果与实验数据吻合良好,验证了该头部碰撞模型的有效性;而在竖向约束边界条件或固定边界条件下颈部的约束过于刚硬,导致撞击处与对撞处的颅内正、负压力交替变换,与实验结果相比出现较大偏差。最后,利用验证的头部碰撞模型对枕部碰撞过程进行数值模拟,并结合前额碰撞的模拟结果,分别从脑组织压力（体积变形）与Mises应力（剪切变形）等方面对颅脑的动态响应规律进行分析;进一步结合医学上颅脑碰撞损伤的统计数据,揭示了脑组织挫裂伤的损伤机理,建立了相应的损伤准则。     

基于隐式梯度公式的各向异性混凝土损伤研究

在空间复杂应力状态下,混凝土损伤表现出强烈的应力方向相关性,隐式梯度公式中标量形式的损伤变量,不能精确描述混凝土在复杂应力状态下失效问题.该文引入窄间有效损伤矩阵,构造一种基于隐式梯度公式的各向异性的非局部损伤模型,证明了其率平衡方程在损伤过程中类型保持不变,给出空间应力状态下基于该模型的有限元程序,并将该模型应用于空...