两种方法评价管材力学性能的研究

通过挤压一个缺口环或闭口环样品来评价不同管材的弹性模量和弯曲强度。在弹性范围内, 弹性模量可由载荷—位移关系和样品尺寸获到; 而弯曲强度则由断裂临界载荷决定。在本研究中, 四种管材被分为两组来研究这两种方法的适用范围。结果表明: 缺口环适合评价刚度较大、极限应变较小的材料, 而闭口环则更倾向于评价低刚度的材料。此外, 三点弯曲的数据也验证了这两种方法的有效性、便捷性及其各自的适用范围。     

两种方法评价管材力学性能的研究（英文）

通过挤压一个缺口环或闭口环样品来评价不同管材的弹性模量和弯曲强度。在弹性范围内,弹性模量可由载荷—位移关系和样品尺寸获到;而弯曲强度则由断裂临界载荷决定。在本研究中,四种管材被分为两组来研究这两种方法的适用范围。结果表明:缺口环适合评价刚度较大、极限应变较小的材料,而闭口环则更倾向于评价低刚度的材料。此外,三点弯曲的数据也验证了这两种方法的有效性、便捷性及其各自的适用范围。     

水泥砂浆弹性模量随温度的演化规律

弹性模量作为水泥砂浆重要的性能参数和结构设计参数,对于保障构件的服役安全性和可靠性至关重要。为解决水泥砂浆在低温与高温服役条件下的弹性模量准确测量的技术难题,将修正缺口环法与相对法结合(称为修正缺口环相对法),成功测得了硅酸盐水泥砂浆在-70～800℃下的弹性模量,并研究了饱水与干燥砂浆试样的弹性模量随温度变化的演变规律。测试结果表明:由室温降至-70℃,冰的填充与胶粘作用会使得饱水砂浆的弹性模量增加32. 67%,且模量增长速率随着温度的降低逐渐增大;而干燥砂浆的水分含量较低,其弹性模量在降温过程中基本保持不变。由室温升至800℃过程中,由于水化产物的高温脱水分解与微结构劣化,饱水砂浆的弹性模量降低了93. 78%,而干燥砂浆的弹性模降低了83. 51%,且模量衰减速率随着温度的升高而逐渐降低。     

校正缺口环法评价石英玻璃管的高温弹性模量

石英玻璃管大量应用于化工、机械和光学等领域, 但由于缺少精准有效的高温弹性模量评价手段, 限制了其高温热应力分析和结构设计。最近发展起来的缺口环方法可测试玻璃管材的室温弹性模量, 但其在高温下的应用因变形测量困难而鲜有报道。本研究利用相对法解决高温缺口环变形测量的难题, 从而可以方便准确地计算出高温弹性模量。采用本方法测试石英玻璃管的弹性模量并探索其在室温至1200℃间的变化规律, 发现在800℃时达到最大值87.20 GPa, 而后缓慢下降, 1100℃以后开始急剧下降。本研究显示用校正后的缺口环法测试石英玻璃管的高温弹性模量值准确、可靠, 有望推广应用于评价其他脆性圆管材料的高温弹性模量。     

模压成型的杨木纤维/高密度聚乙烯复合材料蠕变性能和蠕变模型

采用长为850~2 000 μm的杨木纤维(PWF)增强高密度聚乙烯(HDPE), 利用模压成型法制备了PWF/HDPE复合材料, 对其进行了弯曲力学性能测试、无缺口简支梁冲击强度测试、24 h弯曲蠕变-24 h回复性能测试、1 000 h蠕变性能测试及蠕变后残余弯曲力学性能测试, 并利用两参数指数模型、Findley指数模型及四元件Burgers模型拟合蠕变曲线。结果表明: PWF/HDPE复合材料的弯曲强度为21.14 MPa, 弹性模量为2.31 GPa, 无缺口冲击强度为6.77 kJ/m2;24 h形变为0.803 mm, 24 h回复率为78.46%, 蠕变后弯曲强度下降了6.45%, 而弹性模量增加了8.95%;1 000 h形变为0.809 mm, 蠕变后弯曲强度保留了72.35%, 弹性模量增加了10.67%;3种模型中, 四元件Burgers模型拟合PWF/HDPE复合材料蠕变性能的效果较好。      

泡沫铝-空心玻璃微珠/环氧泡沫复合材料压缩及弯曲力学性能

制备了泡沫铝、泡沫铝-环氧树脂及含有不同体积分数空心玻璃微珠(HGM)的三种泡沫铝-HGM/环氧泡沫互穿相复合材料(IPC)。通过一系列准静态压缩实验, 观察了其变形形貌, 研究了其弹性模量、屈服极限、比强度及比刚度等力学性能与HGM体积分数的关系。通过三点弯曲实验, 研究了IPC的弯曲极限载荷、弯曲弹性模量等性能, 分析了其断口形貌与材料结构的关系。实验结果表明: 四种IPC的力学性能均较纯泡沫铝有大幅度的提高, 其中, 泡沫铝-环氧树脂的压缩和弯曲力学性能最好。随着复合材料中HGM体积分数增加, IPC力学性能逐渐缓慢降低。     

泡沫铝-空心玻璃微珠/环氧泡沫复合材料压缩及弯曲力学性能

制备了泡沫铝、泡沫铝-环氧树脂及含有不同体积分数空心玻璃微珠(HGM)的三种泡沫铝-HGM/环氧泡沫互穿相复合材料(IPC).通过一系列准静态压缩实验,观察了其变形形貌,研究了其弹性模量、屈服极限、比强度及比刚度等力学性能与HGM体积分数的关系.通过三点弯曲实验,研究了IPC的弯曲极限载荷、弯曲弹性模量等性能,分析了其断口形貌与材料结构的关系.实验结果表明:四种IPC的力学性能均较纯泡沫铝有大幅度的提高,其中,泡沫铝-环氧树脂的压缩和弯曲力学性能最好.随着复合材料中HGM体积分数增加,IPC力学性能逐渐缓慢降低.     

聚乙烯醇纤维增强钢渣粉-水泥复合材料基本力学性能及微观结构

通过掺加钢渣粉来制备聚乙烯醇（PVA）纤维增强钢渣粉-水泥基复合材料,从宏微观两个方面研究了这种复合材料的性能。考虑了基体材料的水胶比（0.25和0.35）、不同钢渣粉质量分数（0、30wt%、60wt%、80wt%）,采用抗压强度试验、薄板四点弯曲试验研究了PVA纤维增强钢渣粉-水泥基复合材料的基本力学性能变化规律及其在弯曲荷载作用下的裂缝控制能力,采用扫描电镜观测了破坏后试样的微观结构。结果表明,水胶比和钢渣粉掺量均可明显影响PVA纤维增强钢渣粉-水泥基复合材料的基本力学性能,在低水胶比条件下（水胶比为0.25）,钢渣粉掺量达到80wt%时,试样表现出较高的韧性指数和良好的裂缝控制能力,基本满足工程所需强度要求,水胶比为0.35时钢渣掺量不宜超过60wt%;同时,从节能减排的角度考虑,利用钢渣粉制备PVA纤维增强钢渣粉-水泥基复合材料是可行的。      

Q235钢表面电弧喷涂铝涂层的断裂机理研究

对涂层结构断裂机理的研究是保证高厚度热喷涂涂层安全和稳定的关键。在Q235钢表面高速电弧喷涂不同厚度的铝涂层。对涂层试样进行三点弯曲试验,考察了涂层在受拉、受压及同时受拉力和压力情况下的力学性能,通过扫描电镜观察试样的断裂行为,并通过梁弯曲理论单面、双面涂层2种方法计算了涂层的弹性模量。结果表明:当涂层厚度小于800μm时,涂层/基体结构弯曲强度好于基材;随着弯曲应变的增加,裂纹开始出现在涂层表面并逐渐沿着涂层厚度方向进行扩展,到达涂层内部靠近界面的位置,裂纹沿着试样长度方向向两侧不断扩展,最终涂层脱落;梁弯曲法单、双面法计算得到的涂层弹性模量相近,但与基材相差较大,这主要受涂层自身结构影响。     

高强TA18钛管微观织构对拉伸力学性能与弯曲成形性能影响研究

目的 揭示高强钛管微观织构强度与宏观各向异性指标CSR值的定量关系,阐明微观织构对钛管拉伸力学性能与弯曲成形性能的影响,为高强钛管冷轧微观织构及性能精确调控奠定重要基础。方法 选取不同轧制工艺条件下获得的高强钛管进行单向拉伸测试及EBSD表征,分析微观织构对管材拉伸力学性能的影响;选取具有典型微观织构分布状态和CSR值的高强钛管进行数控绕弯试验及成形质量测试。结果 单向拉伸力学性能测试结果表明,当CSR值为0.65~2.43时,随着CSR值的增大,颈缩阶段管材的应变与整体伸长率不断增大;数控绕弯试验结果表明,当高强钛管CSR值从1.27提高到1.48时,其断裂前最大弯曲角度从20°提高到110°,当CSR值增大到1.71时,可以成功实现120°的弯曲,并且随着CSR值进一步增大到2.14,弯管件的截面畸变率和壁厚减薄率不断减小。结论 建立了可以准确描述宏观CSR与微观织构强度指标之间定量关系的双曲函数表达式,高强钛管径向织构强度的增强会提升高强钛管变形过程中抗壁厚减薄的能力,并有利于管材弯曲成形质量的提升。     

Bending strength dependence of load‐to‐annual ring direction

The bending strength was studied for load‐to‐grain direction at angle of 90° and load‐to‐annual tree ring direction at angle of 45° of almost 700 years old subfossil elm wood from Sava riverbed. Elm wood is widely used because it is solid and hard regarding its weight. However, due to the Elm Dutch disease and mass drying of elm trees in 1950s, nowadays it is almost impossible to find in natural forest stands of south‐eastern Europe a tree of reproductive age. The value and uniqueness of the studied material lies also in the fact that the subfossil elm wood is even rarer than the recent one, and is highly appreciated for its aesthetic and mechanical qualities. Bending strength has been determined by a three‐point bending test. The mean bending strength value is within the limits for recent elm wood. This investigation has shown that such load‐to‐annual ring direction has almost 20 % higher value for bending strength than for loads applied to the longitudinal‐tangential surface (angle of 0°) and to the longitudinal‐radial surface (angle of 90°). This proves that the ring orientation plays an important role in the measurement of mechanical properties of elm wood and that the measurement of the angle of 45° should always be considered for investigation of bending strength.The coefficient of determination of Weibull functions has been close to value of 1, so it has been concluded that the measured bending strength follows Weibull distribution.     

盾构隧道衬砌整环力学机理模型

目前未见有普遍适用的理论公式来表征盾构隧道衬砌结构参数的内在联系。该文首先提出了用“代表性区段”体现整环结构弯曲刚度特征的思想,然后建立了通缝和错缝条件下管片环拼装力学机理模型,接着运用力学模型推导出弯曲刚度有效率和弯矩提高率等参数的取值公式和相互关系式,最后验证了公式的正确性。研究表明：力学模型能够推导出弯曲刚度有效率、管片体弯矩提高率、管片接头弯矩减少率、衬砌结构参数之间的关系公式;管片接头弯矩减小率未必等于管片体弯矩提高率,表明传统采用单一弯矩提高率值的做法不够科学;匀质圆环法还能给出环间接头径向最大剪力取值,并且其结果较为可靠;参数取值公式中有两个重要的中间参数,与环向相对刚度和径向相对刚度具有相似性,应予重视。参数取值理论公式的提出,对揭示盾构隧道整环拼装内在力学本质有着重要价值。     

双轴向衬纱纬编玄武岩纤维复合材料弯曲性能

经纬纱和针织纱分别选用不同线密度的高模高强玄武岩纤维, 以不同衬纱方式编织出机织针织复合(CWK)织物和多层双轴向纬编(MBWK)织物, 并以其作为增强体, 采用真空辅助树脂传递模塑工艺制备了玄武岩纤维/乙烯复合材料。对两种复合材料0°、 90°和45°方向的弯曲性能进行测试, 分析比较了弯曲应力-应变特征曲线及纱线强度。结果表明: 两种复合材料具有较好的弯曲性能, 0°和90°方向的弯曲性能均优于各自45°方向的, 弯曲应力-应变曲线均表现出一定的塑性破坏特征; MBWK织物增强复合材料0°和90°方向的弯曲性能又分别高于CWK织物增强复合材料0°和90°方向的弯曲性能; 复合材料中经纱和纬纱的屈曲程度不同, 致使MBWK织物增强复合材料的比模量和纱线强度均高于CWK织物增强复合材料, 两种复合材料的弯曲性能受不同衬纱方式的影响, 而两种复合材料试样的弯曲破坏形态相近。研究结果为双轴向衬纱纬编玄武岩纤维复合材料的应用提供了参考。     

About the measurement of dynamic mechanical properties of bi-layer systems

The bi-layer system has been well developed for many engineering structural components in the aircraft, automotive, microelectronics and modern space industries in the last few decades. Consequently, a good determination of its dynamic mechanical properties is important for an appropriate design of its industrial application. These studies are usually performed by a three-point bending test using a dynamic mechanical analyzer (DMA). In this work, we show that the three points bending test on a bi-layer system carried out with the test tool provided in a commercial DMA, for example the dynamic mechanical thermal analyzer (DMTA) Rheometric IV, can lead to erroneous results. Measurements on polymer-hard substrate bi-layer systems around the glass transition temperature of the polymer, T_g, give larger changes in elastic modulus and loss tangent than they are. This problem is not observed at temperatures lower than T_g. The design of new test tool and specimen geometry for the three points bending test is shown together with its application to the measurement of the dynamic elastic properties of a polyvinyl chloride (PVC)–aluminum bi-layer system.     

纳米羟基磷灰石/聚酰胺6医用复合材料的制备及性能表征

为防止纳米羟基磷灰石(nano HAP)粉末的团聚,采用溶剂沉淀法制备了nano HAP/聚酰胺6(PA6)复合粉末,并对粉末进行热压成型制得nano HAP/PA6复合材料。然后,通过FTIR、XRD和SEM对nano HAP/PA6复合材料的成分、结构和形貌进行了表征,并对复合材料的热稳定性、力学性能和细胞相容性进行了检测。结果表明:所制备的nano HAP/PA6复合材料结晶体大小均匀,且PA6只存在α型结晶;由于nano HAP与PA6界面上形成新的氢键和COO—Ca,复合材料具有良好的综合性能;在低于350℃时,nano HAP/PA6复合材料不会发生裂解,力学性能与人骨匹配,50wt%nano HAP/PA6复合材料的弯曲强度、压缩强度和弹性模量分别为146.87MPa、98.44MPa和5.44GPa。MG-63骨瘤细胞在nano HAP/PA6复合材料表面粘附和生长状况良好,说明nano HAP/PA6复合材料具有良好的细胞相容性。所得结论表明nano HAP/PA6复合材料在骨修复方面具有应用价值。     

材料参数对高强不锈钢管数控绕弯成形失稳起皱的影响

目的研究材料参数波动对管材数控绕弯成形失稳起皱的影响规律。方法基于ABAQUS有限元平台,建立了21-6-9高强不锈钢管数控绕弯成形过程三维弹塑性有限元模型,并验证了模型的可靠性;采用该模型模拟分析了材料参数波动对其数控绕弯成形过程失稳起皱的影响规律。结果随着厚向异性指数、屈服强度的增大或弹性模量、硬化指数的减小,弯管的起皱趋势增大,泊松比和强度系数对弯管起皱趋势的影响较小。结论材料参数对弯管起皱趋势影响的大小依次为:屈服强度、弹性模量、厚向异性指数、硬化指数、强度系数和泊松比。     

基于细观力学的大开孔层合板缝合补强力学性能计算的新方法基于细观力学的大开孔层合板缝合补强力学性能计算的新方法

从细观力学的角度出发,考虑了面内纤维弯曲及富树脂缺陷,建立了大开孔层合板缝合补强孔边针脚损伤的单胞模型。建立了纤维弯曲函数,推导了纤维弯曲区域的纤维体积分数及纤维弯曲角度。基于复合材料力学分析方法,计算得出了单胞的材料弹性常数。研究表明:缝合导致单胞面内纤维最大弯曲角不超过20°,单层板纵向杨氏模量减小,横向杨氏模量、剪切模量及泊松比均增大,变化幅度均在-8%~20%之间;且对于大开孔层合板缝合补强而言,针距变化引起的材料性能变化相对边距大许多。由上述计算结果,建立了一种缝合补强大开孔层合板力学性能计算的新方法,同时引入针孔模拟针脚处的应力集中现象,结果表明:缝合会造成层合板面内力学性能降低,并且对面内的压缩性能影响大于对面内拉伸性能的影响。      

泡沫夹芯复合材料力学性能与水声性能综合设计初探

采用Matlab编程,利用经典梁理论和夹层板理论构建了弹性模量、压缩强度等材料参数与泡沫夹芯复合材料弯曲刚度和压缩强度的关系,利用传递矩阵法构建了纵波声速、衰减系数、损耗因子等材料参数与泡沫夹芯复合材料水中插入损失的关系。在此基础上,利用NSGA-II多目标优化算法开展了力学与水声综合设计,初步获得了实用的泡沫夹芯复合材料力学与水声性能综合设计方法。