复合纸板力学性能和应变率相关性测试与表征

为了研究复合纸板材料在不同应变率下的力学响应,利用万能材料试验机和高速率拉伸试验机进行了准静态和动态拉伸试验,同时利用高速摄像机和数字图像相关法(Digital image correlation,DIC)记录拉伸破坏过程和应变场。试验结果显示,纸板材料的拉伸力学性能和破坏机制具有明显的应变率相关性。随着应变率的增大,材料的拉伸强度显著增大,断裂应变在中应变率范围内也表现出明显的应变率效应。对比试验结果和3种应变率效应比表征模型的拟合结果,基于Cowper-Symonds表达式的表征模型,能够很好地描述纸板材料在中低应变率下的应变率效应。该模型对薄壁纸管能量吸收性能的模拟和理论研究,以及冲击防护结构设计提供了理论支撑。     

Kevlar缝线捻度对缝合复合材料力学性能的影响

缝合技术作为整体成型低成本制造技术已在航空领域得到广泛应用。缝合过程中使用的缝线需要加捻提高使用性能。缝线捻度对缝线自身的性能和缝合织物增强复合材料的力学性能均产生影响。本文以缝合中应用最多的Kevlar缝线为研究对象，通过实验研究不同捻度Kevlar缝线的渗透率和断裂强度， 同时研究不同捻度缝线在链式和锁式两种不同缝合方式中对缝合复合材料拉伸性能、弯曲性能和层间剪切性能的影响。通过实验结果来确定缝合中使用的Kevlar缝线的最佳捻度。     

带孔复合材料层板动态拉伸破坏的应变率效应

采用三维Hashin准则作为纤维束损伤判据,根据材料不同损伤模式制定相应的材料性能退化方案,并考虑应变率效应对材料的强度性能进行修正,建立含孔复合材料层合板的渐进损伤分析模型,模拟材料在不同应变率下的损伤破坏过程。通过动态拉伸试验,获得材料在不同应变率下的载荷-位移关系及孔边不同位置的时间-应变关系,讨论了应变率对材料拉伸性能的影响及试件孔边的应力集中情况。有限元分析结果与试验数据相一致,证明了本文所提出分析模型的正确性和有效性。     

轴向冲击下方形纸管的能量吸收性能和理论模型

为了研究薄壁方形纸管在轴向冲击下的力学响应和能量吸收性能,利用落锤冲击试验机和万能材料试验机进行了动态冲击和准静态压缩试验。方形纸管在动态冲击试验和准静态压缩试验中具有相似的渐进压溃变形模式。试验结果显示,方形纸管的比能量吸收和单位体积能量吸收能力与管件的边长和壁厚比(c/h)相关。随着管件c/h的增大,管件比能量吸收和单位体积能量吸收能力迅速减小。同时,本文分析了管件在冲击过程中的压溃力与冲击速度的关系。最后,本文建立了方形纸管轴向冲击下的能量吸收性能理论模型,理论模型与试验结果具有很好的相关性,该模型为薄壁纸管结构应用到冲击防护装置设计提供了理论支撑。     

二维编织C／SiC复合材料高温拉伸性能研究

对二维编织C／SiC复合材料在1300℃高温氩气、湿氧环境下拉伸性能进行了实验,结合断口观察分析了其在拉伸载荷下的损伤和破坏机理。试验结果表明,二维编织C／SiC复合材料在高温氩气、湿氧环境下表现为非线性特征,通过对比发现,由于氧化作用,高温氩气环境下拉伸强度、破坏应变和比例极限均高于高温湿氧环境。断口观察表明,基体开裂、层间分层以及纤维和纤维束的断裂拔出是材料拉伸破坏的主要形式。     

碳纤维织物增强树脂复合材料准静态压缩力学性能实验

针对一种碳纤维二维正交平纹机织布增强树脂基复合材料，对其三个主方向（垂直于碳布方向、碳布经向、碳布纬向）进行了准静态压缩实验，得到了三个主方向上准静态条件矿下的应力-应变曲线和压缩强度。通过对各主方向上的应力-应变曲线的分析，表明该复合材料各主方向上压缩力学性能是碳纤维和树脂基体的力学性能共同起作用的结果，同时碳纤维的初始微屈曲对纵向压缩力学性能、压缩强度都会产生很大影响；碳布经向和纬向的压缩强度都低于垂直于碳布方向的压缩强度，但弹性模量较高；各主方向的压缩破坏模式也有所不同。     

界面韧性对C/SiC材料拉伸强度影响分析

C/SiC复合材料的损伤失效行为与内部微细观组分的原位力学性能的密切相关。本文通过多尺度建模结合渐进损伤分析，研究了微观界面层断裂韧性对C/SiC宏观拉伸强度的影响。微观渐进损伤分析表明不同界面层韧性可以产生两种损伤扩展模式，显著改变纤维束横向拉伸和轴向剪切强度值；基于三维Hashin准则的细观损伤分析进一步表明会对C/SiC的宏观拉伸强度产生8.2%的影响。本文的结果可以为C/SiC复合材料失效分析及优化设计提供支撑。     

涤纶增强橡胶基复合材料各向异性超弹性本构研究

基于一种适用于平纹涤纶增强橡胶复合材料的各向异性超弹性本构模型，将应变能分解为橡胶基体应变能、织物纤维拉伸应变能与织物增强橡胶剪切应变能3部分，并根据单轴拉伸试验数据确定了本构模型参数。编写了有限元材料子程序进行仿真分析，并与试验数据对比验证了本构模型的合理性。该模型从宏观出发，能更好地表征复合材料编织物在拉伸过程中由于大变形所引起的非线性各向异性力学行为，具有结果准确、简单实用等优点，为织物增强橡胶复合材料的设计应用提供了理论依据。     

熔融沉积法制备纤维素纳米纤维增强聚乳酸基复合材料的拉伸性能（英文）

生物可降解聚合物可以在保持结构力学性能的同时可以实现碳中性,是石油基聚合物的潜在替代品。在这些聚合物中,聚乳酸(Polylactic acid,PLA)因其良好的力学性能、生物相容性和热塑性而特别有发展前景。本文利用机械脱脂纤维素纳米纤维(Cellulose nanofiber,CNF)来提高聚乳酸的力学性能,该纤维具有显著的力学性能和生物降解性。熔融沉积建模(Fused deposition modeling,FDM)是热塑性聚合物的三维打印方法之一,可以降低制造成本。本研究采用FDM法制备了机械脱脂CNF增强PLA基复合材料,并在两个打印方向(0°/90°和+45°/-45°)上研究了它们的拉伸性能,梳理了机械制备CNF增强PLA基复合材料的印刷方向与拉伸行为之间的关系。此外,利用扫描电镜研究了机械脱脂CNF增强PLA基复合材料的显微组织和断口。     

低应变率下最大骨料粒径对混凝土动态尺寸效应影响:细观模拟（英文）

本文主要探讨了低应变率下最大骨料粒径对混凝土材料破坏行为及尺寸效应的影响。首先,考虑混凝土材料内部的非均匀性和应变率效应,采用细观数值方法模拟了混凝土材料的破坏过程。基于细观数值模拟方法,研究了不同尺寸混凝土试件的破坏行为。其次,从细观层面上研究了最大骨料粒径对混凝土破坏模式、名义强度及其尺寸效应的影响规律。结果表明,在单轴压缩和拉伸载荷作用下最大骨料粒径对混凝土破坏模式有显著影响。在准静态荷载作用下,混凝土抗拉强度随着最大骨料粒径的增大而增大,抗压强度随着最大骨料粒径的增大则是先增大后减小。此外,随着应变率的增大,混凝土材料强度尺寸效应被逐渐减弱。当应变率达到1 s~(-1)时,混凝土强度尺寸效应消失。最大骨料粒径对混凝土单轴压缩和拉伸强度动态尺寸效应的影响可忽略。     

钛合金缺口试样拉伸破坏载荷预测

针对航空发动机轮盘常用钛合金材料,开展了常温和高温下光滑和缺口试样的拉伸变形和断裂行为试验研究,建立了其大变形本构模型。基于该本构模型,利用大变形有限元分析,计算获得缺口试样的载荷-位移曲线。将该曲线最高点对应的载荷确定为试样的拉伸破坏载荷,并与试验进行对比。结果表明理论预测与试验吻合较好,从而验证了所提出的拉伸破坏载荷预测方法的有效性。     

TIG 焊接 Ti - 6Al - 4V 钛合金薄板工艺与组织分析

为探索更合理的焊接工艺方法,作者采用TTG焊接1．2mm的钛合金薄板,分别采用焊接电流为65A、60A、50A和55A焊接四组试样,并对焊件进午亍外观分析、无损检测、拉伸性能测试、金相扫描等检测,通过对比,采用焊接电流为65A,焊接速度为173mm／min,正反面Ar气的流量为10L／min,钨极直径为Ф1．6mm,焊丝直径书1．6mm的工艺参数来焊接1．2mm的TC4钛合金较为合理。     

材料变形过程的虚拟仿真技术

运用虚拟现实(Virtualreality,VR)技术进行材料仿真,是目前材料模拟设计学科中一个备受关注的新领域。本文应用计算机模拟技术,结合VRML,3DSMAX和VB,建立了拉伸夹头和游标卡尺的三维几何模型以及材料的拉伸仿真;实现了材料拉伸过程中实时动态调试与控制的各种功能。在几何建模、物理建模、三维虚拟场景的组装与仿真的实时操作控制,以及系统总体设计等方面,为VR技术在材料科学与工程领域的应用作了有益的探索。     

铝氢脆破坏微观机制的分子动力学研究

采用分子动力学方法模拟了铝单晶、双晶及其含氢模型在拉伸条件下的力学特性。根据模拟结果,讨论了氢导致铝材料脆化破坏的微观机理。研究表明:铝单晶、双晶中的氢降低了铝的抗拉强度,且力学性能随氢含量的升高而降低;应力条件下晶体内部的氢原子会产生偏聚和富集,在富集处铝原子更易发生位错,产生空穴,诱发脆断;和同等条件下的铝单晶相比,铝双晶对氢脆破坏更为敏感。     

混凝土结构中混杂纤维增强筋拉伸性能实验研究

采用实验的方法研究了夹芯混杂和分散混杂两种混杂方式的碳/玻(C/G)混杂纤维增强筋的拉伸性能,给出了实验件制作和实验过程,测定了不同混杂比例筋材的拉伸模量、强度和断裂伸长率。实验结果表明:模量符合混合率,强度存在两种破坏模式,断裂伸长率呈现混杂效应,夹芯混杂筋材性能总体高于分散混杂。同时探讨了拉伸性能的预测方法,结合实验数据对强度预测值进行了修正。本文的研究结果可用于混杂筋材的初步设计。     

恒温剥蚀对LC4CS铝合金结构和力学性能的影响

研究了恒温剥蚀对ＬＣ４ＣＳ铝合金试样表面宏观形貌及截面微观结构的影响；测定了试样欧姆电阻、力学性能随剥蚀时间的变化。由欧姆电阻值计算所得试样的腐蚀速率，在剥蚀前期快速增大，４ ｈ 后逐渐下降至一定值。金相显微观察结果表明，试样显微结构的变化是力学性能下降的主要原因     

NiTi形状记忆合金的拉伸实验与物理模型

根据NiTi丝的拉伸实验结果,基于滞后元方法,建立了拉伸状态下应力-应变曲线的唯象物理模型,并进行了数值模拟。研究结果表明(1)SMA丝在马氏体相变,特别是R相变时出现一系列物理、力学性质的异常变化,其应力-应变关系呈现高度非线性;(2)在NiTi丝断裂之前没有明显的屈服现象;(3)物理模型的数值模拟结果与实验结果吻合较好。     

三维编织复合材料拉抻性能研究

三维编织复合材料作为一种高级的复合材料，抗分层、耐冲击能力强。本文用真空辅助ＲＴＭ（树脂传递模塑）工艺合成了四步法３×２编织的复合材料试件，通过实验测定了三维编织复合材料未切割、受切割和钻孔试件的拉伸性能，对比了受切割和未切割纤维对于试件侧边拉伸应变的影响，测定了孔边应力集中系数，并且讨论了影响四步法复合材料拉伸性能的因素和断裂失效的原因。结果表明，随着编织角的增大，拉抻模量和拉伸强度减小；受切割和钻孔的试件拉伸性能低于未加工试件的性能；四步法复合材料的孔边应力集中系数比层板材料和金属材料的低；三维编织复合材料的拉伸失效主要是由纤维断裂以及纤维拉拔造成的。     

硬质合金与结构钢钎焊结构低温力学性能试验

针对航天器产品恶劣工况对材料及连接方式高抗拉、抗剪强度力学性能的需求,设计试验验证了深低温至高温环境下真空钎焊与火焰钎焊试样拉伸与剪切性能：真空钎焊在-233 ℃条件下抗拉强度可达536 MPa、剪切强度可达260 MPa、-150 ℃时剪切强度300 MPa、常温剪切强度212 MPa,低温下剪切强度值更高且皆优于火焰钎焊对应温度下试样的结果。同时研究了真空钎焊工艺对合金钢40CrNiMoA材料性能的影响,真空钎焊工艺加工过程使材料本身抗拉强度下降约38%,表面硬度值下降约25%。并测量了真空钎焊试样200 ℃高温条件下抗拉强度为804 MPa,剪切强度为239 MPa。通过试验研究了不同焊接工艺对结构焊接后力学性能的影响,该试验结果对后续航天器结构设计工作具有一定的指导作用。