单压下有序多裂隙脆性材料破坏机制及其简化模型

采用试件养护前期拔出预埋插片形成预制裂隙的方法制作多裂隙脆性材料试件,并在伺服控制单轴加载系统上对其进行加载试验。基于单压下脆性材料局部破损的应变软化机理建立裂隙体数值模型,对比试验与数值计算结果分析有序多裂隙脆性材料破坏机制及其影响因素。结果表明:除裂隙倾角及其几何排布外,裂隙在试件中的相对分布位置也影响裂隙体的破坏特征,且影响程度与裂隙面上有效剪切力大小有关,有效剪切力越大,则影响越显著。试验与数值计算结果显示:多裂隙试件中存在一组优势破坏面,与和裂隙走向相一致的试件斜对角线重合,裂隙分布在优势破坏面上或附近时,其尖端发育微裂纹的机率大于远离优势破坏面位置裂隙。结合有序多裂隙试件破坏特征及数值模型单元屈服状态,提出2种近置裂隙尖端裂纹发育简化模型,并结合本试验结果验证了简化模型的可行性。     

单轴加载下含共面双节理双层复合类岩试样的力学行为与破坏特征（英文）

为研究节理与层理面对裂隙层状岩体裂纹演化的共同作用,对不同层理面倾角下,含多角度共面双节理的双层复合类岩试样进行单轴压缩试验和数字图像相关试验。由试验结果可知,层理面和节理对应力-应变曲线特征和强度参数有显著影响。试件的破坏模式分为4种不同类型。层理面的存在抑制了岩桥区域裂纹的贯通,层理面倾角的变化对裂纹扩展路径和破坏模式的转变有较大影响。对于层理面倾角为30°和45°的试件,节理倾角越大,层理面对试件破坏特征的影响越小。此外,观测到一种从层理面上萌生并且更容易在试件上层扩展的拉伸裂纹。     

不同卸载速度下含裂隙岩体的卸载响应（英文）

基于深部开挖过程中的应力重分布分析,利用离散元方法(DEM)对卸载过程进行模拟,揭示卸载条件下卸载速度和裂隙倾角对含裂隙岩体的强度和裂纹特性的影响。结果表明:随着卸载周期的增大,含裂隙岩体的卸载破坏强度呈幂函数增大。同时,结合缺陷上的应力分析发现,含裂隙岩体的卸载破坏强度随着裂隙倾角的增大逐渐增大;卸载条件下含裂隙岩体的裂纹分布主要取决于裂隙倾角,并总结了3种不同的裂隙搭接方式;此外,卸载速度越快,含裂隙岩体的卸载破坏过程越剧烈,岩体内部形成的劈裂裂纹越多。     

岩石裂纹扩展-破断规律及流变特征

讨论岩石断裂力学研究近年来的若干进展,主要内容包括扩展机理、断裂准则、实验加载方式与裂纹定位方法、数值计算方法在岩石断裂力学研究中的应用。基于室内实验研究单轴加载下预制裂纹间的贯通模式与多裂纹试样的破坏模式、压剪复合作用下混合裂纹间的贯通类型与破碎规律。与此同时,针对岩石亚临界裂纹扩展问题进行相关讨论并给与实例分析。结果表明:处于同一应力水平时,水岩化学作用能加速亚临界裂纹扩展;水化学腐蚀后岩石的断裂韧度均小于其在空气中的断裂韧度。此外,还对岩石流变断裂模式及考虑原生裂隙的非线性流变模型进行分析:结合岩石断裂力学与流变力学推导出压剪应力环境下裂纹流变断裂判据与理论模型;引入损伤因子和裂隙塑性体构建了能描述原生节理影响的岩体非线性蠕变模型。最后,展望岩石断裂力学未来的发展前景,并就岩石裂纹萌生与扩展的研究阐述几点认识。     

电弧增材制造钛合金界面处残余应力及其影响研究

采用电弧增材制造方法制备了含增材/基材界面钛合金板,采用轮廓法测量了其残余应力分布。建立了模拟紧凑拉伸(C(T))试样加工和裂纹扩展过程中残余应力发展的有限元模型,缺口状态C(T)试样内残余应力分布与轮廓法测试结果吻合良好。采用该模型讨论了试样内残余应力随裂纹扩展的变化规律及对裂纹扩展的影响。试验和数值分析结果表明:2种类型试样缺口状态的残余应力分布有很大差别,A类试样(缺口位于基材)残余压应力区域靠近缺口根部,C类试样(缺口位于增材)残余压应力区域远离缺口根部;A类试样内残余应力随裂纹扩展迅速释放,残余应力引起的应力强度因子较小;C类试样内残余应力随裂纹扩展变化较小,残余应力引起的应力强度因子较高,降低了疲劳裂纹扩展寿命。     

硅酸钙熔体局域结构的经典分子动力学模拟与结构热力学模型的比较(英文)

通过经典分子动力学模拟及一个新建的结构热力学模型计算获得了硅酸钙熔体的局域结构单元的全程分布。将这两种方法获得的5种SiO四面体的Qi分布进行比较,并与Raman光谱实验结果进行比较,结果吻合得非常好。这不仅给出了微结构单元在全成分范围内的全景分布,而且证明了我们的模型适合于针对光谱实验数据的后续热力学计算。与此同时,由不同歧化反应控制的5个成分区间也被精确划分。还从该结构热力学模型中首次获得了Qi之间的两种连接方式Qi-Ca-Qj和Qi-[Ob]-Qj的分布情况,并由此证明所有成分中都是以等价连接为主要的连接方式。     

某路堑边坡崩塌地质灾害稳定性评价及防治对策

某市主要灾害性天气为暴雨及热带气旋,结合当地生产建设经验,灾害性天气是诱发地质灾害的重要因素,区内岩土层种类较简单,岩体节理裂隙发育,且同坡向结构裂隙发育,易软化崩解,工程地质条件复杂程度为复杂。对灾害特征及稳定性分析,该边坡的破坏模式以岩土体顺层滑动及岩土体沿节理裂隙组合破裂面滑移崩塌2种方式,崩塌边坡稳定性定性分析为欠稳定状态,再次发生的可能性较大。防治方案应采取支挡、排水工程,坡顶设置截水沟等措施。     

金属构件内埋藏椭圆形斜裂纹脉冲放电瞬间温度场的分析

采用数值分析的方法,研究了含埋藏椭圆形斜裂纹的金属构件放电瞬间的温度场,建立了带有空间裂纹的三维有限元分析模型。模拟了利用电磁热效应进行裂纹止裂的过程,得到埋藏椭圆形斜裂纹在不同倾斜角度情况下脉冲放电瞬间温度场的分布状态,给出了电流密度矢量图,分析了裂纹面倾斜角度对温度场的影响规律。计算结果表明,当通入的脉冲电流密度一定时,电流方向与裂纹面方向的夹角是影响止裂效果的关键因素。研究中同时采用ZL-2脉冲放电装置,完成了冷作模具钢模具中裂纹的电磁热止裂。     

多裂纹类岩体的双压实验与正交各向异性本构关系

用类岩石材料白水泥多裂纹模型进行了双向加压实验。实验结果表明 ,在各种侧压σ2 下 ,宏观强度σc1基本上随α增加而变大 ,但在α=4 5 左右呈现最低值 ;随着侧压σ2 增加 ,宏观强度σc1明显提高。用εθmax及σθmax断裂判据对单个裂纹进行了分析 ,所给出的初始开裂角理论值与该多裂纹模型实验值非常相符 ,对初始开裂载荷 ,能给出多裂纹模型实验值的上限。以单向加压实验结果为基础 ,建立了便于工程应用且适用于多裂纹体的等效正交各向异性本构关系。由此本构关系所得的计算结果与双向加压实验结果符合良好。     

涡流脉冲热像技术中传热学分析与数值模拟

涡流脉冲热像技术中,对含裂纹被测试件施加短时高频电流激励,裂纹面因涡流积聚会产生瞬时热量,进而由热传导引起试件表面温度分布的变化。为了分析裂纹传热特性,建立了涡流分布模型和简化传热模型,探索了试件表面温度分布的特点。制作了一系列含不同长度的贯穿疲劳裂纹金属试件,深入研究了裂纹区域热响应和裂纹长度之间的关系。数值模拟和实验结果表明:在特定的检测条件下,裂纹区域热响应与裂纹长度接近线性关系,满足正相关性,从而证明了简化传热模型的正确性。研究成果丰富了涡流脉冲热像技术的传热理论,为该技术的工程实践奠定了理论基础。     

双粗糙表面磨削过程微凸体曲率半径的影响分析

目的通过建立双粗糙表面磨削模型,获得微凸体曲率半径对材料磨损的影响大小。方法选取磨具上微凸体与工件上不同变化曲率的微凸体分别建立滑动磨削模型I和模型II,考虑了磨削过程中材料的弹性/塑性变形及其断裂失效,运用有限元方法分析探讨滑动过程相嵌微凸体的应变变化以及磨屑脱离情况。结果磨削滑动过程中,在同等接触干涉量δ=1.30μm条件下,接触角较小的微凸体接触对(θ_1≈19.4°)其上微凸体发生磨损断裂,而接触角较大的微凸体接触对(θ_2≈25.5°)其下微凸体发生磨损断裂。磨损微凸体最大的等效塑性应变量发生在次表层的1.5~2.0μm处。结论双粗糙表面磨削过程中,在其他影响因素相同的情况下,曲率半径较小的微凸体更易形成磨屑。磨损微凸体最大的等效塑性应变量发生在次表层的某一深度处,随着塑性变形的增大,应力三轴度减小,导致材料表层下微观裂纹的萌生形成磨屑。     

基于Archard修正模型的角接触球轴承磨损有限元分析

在分析轴承受力和运动的基础上,研究了轴承运行时球与滚道接触区的滑动,计算了一定条件下接触区滑动速度的分布,指出了球在滚道上运动时纯滚动点的存在。开展了球盘摩擦磨损试验,得到了轴承钢在边界润滑条件下的摩擦因数和磨损系数。利用有限元方法和Archard磨损计算模型,建立了球与内圈磨损的仿真计算模型,并分析了运行时间、径向载荷、接触角等因素对轴承磨损的影响。     

电厂钢结构除锈爬壁机器人的设计与分析

设计了一种电磁吸附履带式除锈爬壁机器人,可实现对狭窄立柱、横梁等电厂典型钢结构的高空喷砂除锈并回收砂粒。通过建立爬壁机器人沿钢结构壁面喷砂除锈的静力学模型和动力学模型,推导出爬壁机器人向上爬行的电机启动转矩和工作转矩,为电磁铁和电机的选择提供理论依据。利用MATLAB进行计算仿真,获得机器人不沿壁面下滑时吸附力与静摩擦因数、钢结构壁面倾角的关系,讨论了机器人不发生倾覆时摆臂摆角、壁面倾角对吸附力性能的影响。分析结果表明,当钢结构壁面倾角为21.8°,且静摩擦因数为0.4时,机器人所需的磁吸附力达到最大值。当机器人单侧履带的电磁铁数量为20块时,选择吸附力大于54.37 N的电磁铁安装于履带上,机器人不会出现下滑和倾覆,可以保证机器人爬壁的安全性。     

基于Kriging代理模型的TP304不锈钢裂尖驱动力概率预测（英文）

为了探究材料和载荷的随机性对TP304不锈钢裂尖驱动力的影响规律,通过将弹塑性有限元和Kriging代理模型相结合,实现裂尖驱动力的概率预测。为了提高有限元分析的效率,使用MATLAB对ABAQUS软件的前置处理和后置处理程序进行二次开发,实现随机样本的自动更改、批量计算和概率预测结果的自动分析。研究得到了随机因素作用下TP304不锈钢材料裂尖驱动力的统计分布规律,以及失效概率、失效概率密度函数、累计概率密度函数等概率特征,并对各随机因素的灵敏度进行了分析。最后,通过与Monte Carlo法对比分析了该方法的有效性和效率。结果表明,载荷和材料参数的随机性会显著影响TP304不锈钢裂纹尖端的驱动力,从而影响TP304不锈钢的失效概率,载荷和应变硬化指数对奥氏体TP304不锈钢材料裂尖驱动力的分散性影响最大。     

搅拌铸造AA6061-T6/AlNp复合材料的干滑动磨损行为

以AA6061为基体、AlN颗粒为增强体,采用搅拌铸造工艺得到AA6061-T6/AlNp复合材料,研究了AA6061-T6/AlNp复合材料的干滑动磨损行为。开发回归模型来预测复合材料的磨损率。采用四因素、五水平的正交实验进行优化。实验因素包括滑动速度、滑动距离、荷载、增强体AlN颗粒的质量分数。采用SYSTAT 12软件和统计工具,如方差分析（方差分析）和t实验,验证回归模型。结果表明,开发的回归模型可以有效预测复合材料的磨损率,置信度达95%。采用回归模型,并依据磨损表面形貌分析,预测实验因素对AA6061-T6/AlNp复合材料磨损率的影响。回归模型预测结果表明,复合材料的磨损率随着增强体AlN质量分数的增加而降低,随着滑动速度、滑动距离、荷载的增加而增加。     

超疏水材料表面冷凝液滴自移除及液滴尺寸分布规律

目的优化电化学沉积法制备氢氧化铜纳米结构的实验参数,探究不同润湿性表面冷凝液滴尺寸分布规律。方法采用正交试验法,综合考虑电解液浓度、反应温度、极化时间、电流密度对接触角的影响,并通过SEM分析其表面形貌。同时,基于MATLAB软件,提出一种能快速精确识别、提取并统计冷凝液滴特征值的图像处理方法。结果正交试验最优参数为浓度0.5mol/L、温度5℃、时间2000s、电流密度4 mA/cm^2,此时样品表面接触角高达168.8°,滚动角小于3°。冷凝实验结果显示,在超疏水表面,冷凝液滴会频繁的合并自移除,液滴平均粒径最小,粒径在1~10μm范围内的液滴占比维持在50%左右;而在疏水与亲水样表面,冷凝液滴仅能发生合并现象,液滴平均粒径显著增大;冷凝后期,超疏水、疏水与亲水样表面冷凝液滴密度分别稳定在2000、1000、360 mm-2左右。结论纳米针结构能最大限度地降低固液接触面积,降低冷凝液滴粘附力,提高冷凝液滴合并自移除频率,减少冷凝液滴直径,提高冷凝液滴更新率,有望实现高效冷凝传热。同时通过与Image-J图像处理结果比对,验证了该冷凝液滴尺寸分布图像处理方法的可行性。     

A novel spindle inclination error identification and compensation method in ultra-precision raster milling

In the ultra-precision raster milling (UPRM) process, the existence of spindle inclination error can directly affect the dimensional accuracy of machined components. This study developed a novel spindle inclination error identification and compensation method based on the groove cutting in UPRM. In this method, the tilt angle of the intersection curve of two toruses (ICTT) generated from two neighboring rotary cuts in UPRM was measured to identify the spindle inclination error. A mathematical model was developed to simulate the ICTT profile and present the relationship between the tilt angle of ICTTs and the spindle inclination error by solving the differential of the ICTT function, by which the spindle inclination error can be solved under the given cutting parameters and the tilt angle of ICTTs. The effects of cutting parameters on the tilt angle of ICTTs were explored. An error compensation procedure was designed and a group of groove cutting experiments was conducted to identify and compensate the spindle inclination error. The theoretical and experimental results show that the proposed method can compensate for the spindle inclination error effectively and accurately.     

冷却速度对Fe-4Cr合金奥氏体—铁素体相变的影响

通过高精度差分膨胀仪记录了Fe-4Cr合金在连续冷却过程中的线膨胀行为,获得其在不同冷速（75、150和330 K/min）下奥氏体→铁素体相变的相关动力学信息,并利用相变动力学模型解析式拟合了Fe-4Cr合金转变体积分数随温度变化的实验曲线。研究表明：冷却速度主要是通过改变晶界之间的位相角来影响动力学参数,即生长激活能QG和指前因子v0,从而影响奥氏体→铁素体相变动力学。     

Development of a thermomechanical cutting process model for machining process simulations

A thermomechanical model for cutting processes is presented. The deformation in the shear zone is represented using Johnson-Cook material model. The rake contact is modeled using sticking and sliding zones, and their lengths are also predicted. The parameters of the material model and the friction coefficient on the rake are directly identified from a few number of orthogonal cutting tests. The model can predict cutting forces, shear angle and stress, pressure distribution and contact lengths on the rake face and temperature distribution. The application of the model to common operations such as turning and multi-axis milling is also presented with experimental verification, and satisfactory results are obtained.