含非椭球颗粒复合材料的有效性能预报分析

非椭球颗粒Eshelby张量不为常数,没有解析解,理论计算中通常将非椭球颗粒简化为椭球形进行分析。实际材料中颗粒并非都为规则的椭球形,因此这种简化的合理性是有待讨论的。通过数值方法计算了几种特殊的非椭球颗粒的Eshelby张量和平均Eshelby张量,与有限元结果对比验证了数值结果的准确性。在此基础上,根据相互作用直推估计法分析了非椭球颗粒形状对有效性能的影响,并分析了用椭球颗粒代替异形颗粒的可行性。结果显示,数值方法计算的Eshelby精度较高,将对称性较高的非椭球颗粒等效为椭球颗粒是可行的,而片状颗粒对材料刚度影响更大,将其简化为近似的扁平椭球进行计算时将带来更大的误差。     

急流孤岛救援系统的创新设计

提出并设计了一种新型的急流救援系统。采用"水驱动、杆定位、绳控制、船救人"的创新思路,实现快速救出急流孤岛被困人员的目的。系统分为固定模块、定位模块、控制模块和救援船模块4个部分。分别介绍充气折叠船、定位杆件和绞盘导向轮的设计和理论计算过程。制作实体模型进行救援模拟,验证系统可行性。该系统结构简单可靠,采用模块化设计,便于搬运和现场组装,并且不需要额外动力,适应性强,具有良好的实用性和推广价值。     

孔隙分布不均匀性对陶瓷材料强度的影响

由于工艺特殊性,一些陶瓷材料中不可避免地存在孔隙、夹杂等缺陷,且孔隙、夹杂大多分布不均匀,而这种不均匀性对陶瓷材料力学性能有较大影响.根据分布不均匀性特点,以陶瓷材料中孔隙分布为例,定义了均匀度对孔隙分布的不均匀性进行量化,提出了利用图像处理确定均匀度的方法.根据图像处理结果,将材料分为富含孔隙的等效基体相和不含孔隙的等效颗粒相,利用相互作用直推估计(IDD)法研究了材料强度随均匀度的变化关系.结果表明:孔隙分布均匀度对材料强度有较大影响,孔隙分布的均匀度越小,材料强度越低,并且在均匀度低于0.2时造成强度的剧烈降低,当均匀度大于0.5时,对材料强度的影响很小.     

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。     

含强约束界面相共晶复合陶瓷的有效热膨胀系数

基于共晶复合陶瓷的细观结构特点,建立了含夹杂、强约束界面相、基体氛围和有效介质的四相模型;借助复合材料有效热膨胀系数的稀疏解,确定了棒状共晶体内的有效热应力场和两个热膨胀系数的解析表达式;将棒状共晶体看作具有随机方位的横观各向同性夹杂,将棒状共晶体边界处的基体颗粒看作球形的各向同性夹杂,对含强约束界面相共晶复合陶瓷的有效热膨胀系数进行了预报。结果表明共晶复合陶瓷的有效热膨胀系数具有明显的尺度效应。     

应力作用下点蚀损伤发展特点的理论分析

根据现场挂片试验下点蚀发展速度规律和应力对腐蚀电流的加速效应,提出了应力作用下点蚀速度和点蚀坑形状变化规律的微分方程,并通过数值方法进行求解.分析发现,应力作用下腐蚀速度更快;点蚀坑的形状受应力影响,通常在垂直于主应力方向上腐蚀更快,可能逐渐形成垂直于主应力的扁平型点蚀坑甚至发展成为裂纹;应力必须要达到一定数值才会对腐蚀速度有明显的影响,对于304不锈钢半球形点蚀损伤,残余应力达到180 MPa就可能引起点蚀坑迅速发展成裂纹.     

含棒状共晶团复合陶瓷细观强度模型研究

以剪滞法为基础推导了棒状共晶团外加远场拉伸应力与共晶团界面极限剪应力、共晶团体积含量、共晶团长径比之间关系的解析表达式,进而得到含棒状共晶团复合材料的拉伸强度与基体极限剪应力之间的理论表达式。计算过程中将共晶团长径比的概率统计分布规律引入到计算模型中,并考虑了棒状共晶团方位的随机分布。定义了共晶团达到最大剪应力的共晶团长度占共晶团整个长度的比值β,当加权平均的β值超过材料的许用值[β]时,材料发生剪切破坏。[β]的取值由材料自身的性质决定,可以通过试验确定。分析了复合材料的[β]的取值与其强度的关系,并在MATLAB中实现了编程计算。     

非椭球TiB2颗粒对复合材料有效性能的影响分析

非椭球颗粒Eshelby张量不为常数,没有解析解,理论计算中通常将非椭球颗粒简化为椭球形进行分析。实际材料中颗粒并非都为规则的椭球形,因此这种简化的合理性是有待讨论的。本文通过数值方法计算了几种特殊的非椭球颗粒的Eshelby张量和平均Eshelby张量,与有限元结果对比验证了数值结果的准确性。在此基础上,根据相互作用直推估计法分析了非椭球颗粒形状对有效性能的影响,并分析了用椭球颗粒代替异形颗粒的可行性。结果显示,数值方法计算的Eshelby精度较高,将对称性较高的非椭球颗粒等效为椭球颗粒是可行的,片状TiB2颗粒对材料刚度影响更大,将其简化为近似的片状椭球进行计算也将带来更大的误差。     

含固有缺陷复合材料有效弹性性能预报

根据缺陷在复合陶瓷中分布特点,将缺陷简化为刚度为0的椭球夹杂,嵌入到横观各向同性基体中,建立含缺陷复合材料的细观结构模型。应用相互作用直推估计法推导含缺陷胞元的有效刚度,结合刚度体平均化方法,假设胞元空间随机分布,得到复合材料的等效刚度表达式,分析横观各向同性基体中缺陷体积分数、取向和形状对材料等效刚度的影响,并进一步讨论缺陷周围基体各向异性的影响。结果表明,缺陷存在导致材料弹性性能明显降低,在缺陷体积分数较小时,弹性常数对缺陷体积分数更加敏感;缺陷形状对弹性常数有较大影响,当缺陷接近于薄片状时,缺陷厚度对弹性常数影响明显,而缺陷平面形状对弹性常数基本没有影响;当片状缺陷垂直于基体中弹性模量较大的轴时,缺陷对材料有效性能的降低作用更显著,考虑缺陷周围基体各向异性是很有必要的。     

含夹杂TiC-TiB_2陶瓷强度的细观力学分析

根据超重力合成TiC-TiB_2装甲陶瓷的细观结构和断裂机理,建立TiC-TiB_2装甲陶瓷细观强度模型,分2种失效形式讨论了氧化铝杂质颗粒对材料强度的影响。首先根据相互作用直推估计法计算了TiC-TiB_2基体的等效刚度,认为氧化铝杂质颗粒稀疏分布在TiC-TiB_2形成的等效基体中,根据等效夹杂理论计算了杂质颗粒内部和附近残余应力和应力场分布,得出氧化铝杂质颗粒可能的失效形式;然后根据杂质颗粒可能出现的界面脱粘和颗粒破坏2种失效形式分别建立模型进行讨论,并以两者的最小值定义为复合材料的强度,分析了材料强度随细观结构和性能参数的变化规律,并与实验结果进行了对比。结果表明,模型能够反映材料失效机理,对于具有与本文相似细观结构的材料,杂质颗粒与等效基体的相对弹性性能和相对热膨胀性能、杂质颗粒尺寸、等效基体韧性等都可能影响杂质颗粒失效形式,但是杂质颗粒直径增加、基体韧性降低必然降低材料强度。对于含氧化铝杂质颗粒的TiC-TiB_2装甲陶瓷,界面脱粘是杂质颗粒主要的失效形式。