考虑孔隙及微裂纹影响的混凝土宏观力学特性研究

混凝土是一种典型的多孔介质材料,孔隙分布错综复杂,孔径尺寸跨越微观尺度和宏观尺度,对混凝土弹性模量及强度等力学参数产生巨大影响.认为混凝土是由骨料、孔隙及砂浆基质组成的三相复合材料,采用Monte Carlo 法将孔隙、微裂纹及微缺陷与骨料颗粒随机投放在砂浆基质中.根据三相球模型及中空圆柱形杆件模型得到含孔材料的有效力学性质,并推导得到含孔材料的等效本构模型.建立含孔隙混凝土试件的细观单元等效化力学模型,对二级配含孔隙混凝土试件在单轴拉伸及压缩条件下的反应进行了非线性分析.结果表明:孔隙、微裂纹的存在对混凝土宏观弹性模量、强度及残余强度等力学性质都有很大影响,在对混凝土宏观力学特性分析及研究混凝土损伤断裂时不应忽略其影响.     

多层次等效的Mori-Tanaka法预测含空腔点阵增强芯层的等效弹性模量

提出了兼具力学和声学性能的夹层吸声复合材料-含空腔点阵增强夹芯结构;为了预测含空腔点阵增强结构芯层的等效弹性模量,建立了包含空腔、点阵增强柱和泡沫基体的三相复合材料的细观力学多层次等效数理模型,结合点阵增强柱和空腔周期性分布的特点建立代表性体积单元,利用Mori-Tanaka方法进行两次单相夹杂等效处理,获取了含空腔点阵增强芯层等效弹性模量的解析解,与试验数据和细观力学有限元法结果对比均吻合较好。采用有限元软件ANSYS建立了含空腔点阵增强夹芯结构的实际模型和等效模型,并将芯层等效模量解析结果作为等效模型芯层的材料参数,计算弯曲变形和固有频率并进行对比分析,弯曲变形位移和中低频固有频率的相对误差不超过2%,满足工程精度要求。进一步利用该等效方法,分别探讨了点阵增强柱和空腔体积比对芯层等效弹性模量的影响规律。结果表明,上述方法能较准确地预测含空腔点阵增强结构芯层的等效弹性模量,且数理模型清晰,公式简单,计算快速。     

利用功率超声技术测量金属材料的杨氏弹性模量

金属的杨氏弹性模量能够有效地反映材料本身的弹性性质和力学特性。本文提出一种新的测量方法,利用功率超声换能器激发金属材料的简谐振动,在无需测定材料中声速的情况下,根据简谐振动频率与谐振长度的对应关系,来推定金属材料的杨氏弹性模量,并用有限元法对实验数据进行验证,结果表明该方法行之有效。     

超声仿人体组织材料声学参量测量研究

为了准确可靠地测量超声仿人体组织材料的声学参数,测量和评价仿组织体模中的填充材料,本文搭建了基本声学参数测量装置,编制了数据采集处理软件,实现了对材料声速、声衰减和超声背向散射系数的自动测量。针对不同成份的样品模块,利用本文所述系统对样品声学参数进行了测量。结果表明,声速和声衰减测量结果与理论值基本一致,背向散射系数随着超声频率的提高有所增大。     

考虑过渡区界面影响的混凝土宏观力学性质研究

混凝土材料的宏观力学特性及破坏机理由其细观组分来决定,界面过渡区是影响混凝土断裂破坏路径及宏观力学特性的重要因素。认为界面过渡区是区别于远处砂浆基质的一层含较高孔隙率的近场砂浆材料,采用“两步等效法”得到了混凝土细观单元的等效本构关系模型。最后基于细观单元等效化方法分析了在单轴拉伸、单轴压缩及弯拉载荷条件下混凝土试件的破坏过程及宏观力学性质,探讨了界面过渡区对混凝土力学特性的影响,并与随机骨料模型分析结果进行了对比。结果表明:界面相的存在对混凝土的弹性模量、强度及残余强度等力学性质有很大影响,在对混凝土宏观力学特性及细观断裂破坏过程进行研究时不可忽略其影响。     

基于超声波水浸点聚焦探头测量材料弹性模量的方法

弹性模量是表征与评定材料力学性能的基础,本文基于超声波斜入射至异质界面时的波型转换原理,提出了测量材料弹性模量的方法.当超声纵波以小于第一临界角的角度入射至材料时,可在材料的底面和水的界面产生反射纵波与反射横波.通过计算材料表面回波与反射纵波、反射横波之间的声时差,并结合材料的厚度值可计算得到材料的纵波声速与横波声速,进而获得弹性模量与泊松比的数值.本文对厚度约2 mm的轧制铝和镍试样进行了超声测量,结果表明:弹性模量、泊松比的测量值与理论值之间的相对误差分别小于2%,6%.     

模拟人体皮肤湿度响应特征和力学性质的皮肤模型

优质的仿生皮肤模型(ASM)对皮肤接触材料的研究与开发至关重要,因此ASM的研究也备受重视。为了模拟人体皮肤的湿度响应特性和力学特性,将壳聚糖(CTS)水凝胶与聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合构建了皮肤模型,并探索了二者的质量比以及固化剂的用量对ASM性能的影响。研究发现,随着固化剂用量的减少,ASM的水合度及吸水溶胀率均提高;当固化剂与PDMS的质量比小于1∶20时,ASM能够模拟人体皮肤水合度状态。材料表面力学性能测试试验机(UST)的测试表明,随着固化剂用量的减少,ASM的弹性模量降低,且当固化剂与PDMS的质量比为1∶50时,ASM的弹性模量随深度的变化与人体手臂皮肤随深度的变化一致,且干燥ASM的弹性模量比湿润ASM的弹性模量大,这也与人体皮肤的特性一致。     

蜂窝夹芯板表面加工的平整度分析

蜂窝夹芯结构具有高的比强度、比刚度以及质量轻等优点,被广泛应用于航空航天领域。因此,对其进行力学特性分析具有理论研究和工程应用价值。针对卫星常用的蜂窝夹芯结构板,实验测得夹芯板的表面平整度。根据理论推导得出蜂窝夹芯结构的等效材料参数,利用有限元分析软件MSC.Patran/Nastran进行蜂窝夹芯板的表面平整度分析。对比发现,实验结果和计算分析结果相差为5.9%,表明理论推导的可行性。根据三明治等效理论,提出建立常用规格的蜂窝的等效参数的等效系数库,便于蜂窝夹芯结构的工程应用。     

零泊松比蜂窝芯等效弹性模量研究EI北大核心CSCD

采用柔性悬臂梁模型和欧拉梁模型分别对零泊松比蜂窝芯斜壁板大变形条件下的弯曲变形和蜂窝芯横壁板小变形条件下的变形进行分析,推导出了零泊松比蜂窝芯面内等效弹性模量理论计算公式,并将理论计算结果和有限元仿真及力学模型实验进行对比分析。结果表明:理论计算公式正确、有效;零泊松比蜂窝芯大变形方向等效弹性模量具有明显的非线性特征;等效弹性模量的计算应根据受力方向及应变大小选择相应的计算公式进行计算;壁板之间的夹角θ对等效弹性模量的影响很大,零泊松比蜂窝结构参数可设计性较强。     

变频变温条件粘弹材料参数化数学模型

采用分数导数模型并结合温频等效原理,提出了粘弹性材料的复模量、损耗因子与温度、频率关系的参数化数学模型——五参数Zener模型;结合DMA测试实验数据对模型参数进行了拟合,结果表明：该模型能够很好地反映粘弹性材料在变频、变温条件下的动态力学特性。     

Nondestructive Characterization and Evaluation of Embrittlement Kinetics and Elastic Constants of Duplex Stainless Steel SAF 2205 for Different Aging Times at 425°C and 475°C

In this work, an experimental study was carried out to evaluate the potential of the ultrasonic technique, with ultrasonic velocity and attenuation measurements, to assess the heat aging effects on duplex stainless steel SAF 2205, at temperatures of 425°C and 475°C for time periods of 12 h, 24 h, 50 h, 100 h and 200 h, as well as in the as received state of the material. Velocity measurements were calculated for both longitudinal and transversal waves. The elastic constants, Young’s modulus and shear modulus, of the material were computed from the relationship between longitudinal and transversal velocities. For the ultrasonic attenuation, only longitudinal waves were considered. Despite the large scatter measurements, both ultrasonic velocity and attenuation increased with the heat aging time, particularly at 475°C. Thus, it may be concluded that the technique used is promising and provides relevant contributions to an accurate characterization of materials and evaluation of their mechanical properties in a non-destructive manner.     

Ultrasonic wave propagation in two-phase media: Spherical inclusions

The scattering theory, recently developed via the extended method of equivalent inclusion, is used to study the propagation of time-harmonic waves in two-phase media of elastic matrix with randomly distributed elastic spherical inclusion materials. The elastic moduli and mass density of the composite medium are determined as functions of frequencies when given properties and concentration of the spheres and the matrix. Velocities and attenuation of ultrasonic waves in two-component media are determined. An averaging theorem that requires the equivalence of the strain energy and the kinetic energy between the effective medium and the original matrix with inhomogeneities is employed to derive the effective moduli and mass density. The functional dependency of these quantities upon frequencies and concentration provides a method of data analysis in ultrasonic evaluation of material properties. Numerical results for effective moduli, velocity and/or attenuation as functions of concentration of spherical inclusion material, or porosity, are graphically displayed.     

水下高分子吸声材料的声学设计

通过固体力学的波动理论，利用材料的弹性模量、损耗因子和密度等基本弹性常数，推导了材料的声波速度和声阻抗的实部、虚部，以及衰减系数的表达式。通过数值计算，模拟了材料声反射系数和衰减系数随材料声学参数的变化规律，分析了材料声学性能的影响因素，提出了通过优化物理参数的方法对材料进行声学设计的方法。     

用于变形机翼夹心式柔性伸缩蒙皮的梯形蜂窝支撑结构

变形机翼技术的实现离不开柔性蒙皮技术的支持,提出了一种应用于变形机翼夹心式柔性伸缩蒙皮的面内褶皱型梯形蜂窝蒙皮支撑结构。通过理论分析研究了该支撑结构的面内伸缩特性,得到其面内横向无量纲化等效弹性模量大小与3个参数(形状系数k、宽度系数t和高度系数h)之间的关系:其等效弹性模量随k增大而减小,随t增大而增大,随h增大而减小。利用ANSYS软件对其进行了有限元分析并通过实验对其面内力学特性进行了验证。结果表明:理论分析、有限元结果与实验结果基本吻合。通过选择合适的结构参数,其面内横向等效弹性模量可达到原材料弹性模量的10-4,比同等参数下手风琴式支撑结构的面内横向等效弹性模量更小,变形能力更强。相比传统蒙皮支撑结构,该结构可以减小变形过程中的驱动力与能量消耗,提高柔性蒙皮的变形效率。     

硬涂层材料特性参数辨识

采用振动梁法对硬涂层材料TiZrN的机械特性参数进行辨识测试。首先详细叙述振动梁法辨识涂层材料参数的原理性公式,并在此基础上搭建基于振动梁法的硬涂层材料机械特性参数实验系统。根据此测试系统,对硬涂层材料TiZrN的力学特性参数进行测试研究,获得对应结构涂层前后前3阶弯曲模态的固有频率和损耗因子,进而辨识出TiZrN的弹性模量和损耗因子。最后,对可能产生的参数识别误差进行分析,并结合振动梁法辨识公式,分析各输入参数对硬涂层材料力学参数识别结果的敏感性。     

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。     

Evaluation of grain refiners influence on the mechanical properties in a CuAlBe shape memory alloy by ultrasonic and mechanical tensile testing

This work carried out a non-destructive evaluation of grain size influence on the mechanical properties of a CuAlBe shape memory alloy with and without grain refiners. Ultrasonic signal processing, considering only the longitudinal velocity, was used for the non-destructive evaluation. Therefore, the average modulus of elasticity values found for the CuAlBe shape memory alloy was 45.7 GPa and 57.3 GPa with and without grain refiners, respectively. The corresponding values obtained by conventional mechanical tensile testing were equal to 43.2 GPa and 52.6 GPa, respectively. Additionally the mechanical tensile testing verified that the addition of grain refiners increases the stress of the alloy but has a slight effect on the alloy’s ductility. Thus, the modulus of elasticity and consequently the ultrasonic velocity, as well as the stress and strain values of CuAlBe alloy are fully dependent on its grain size. The ultrasonic analysis shows that this alloy is an excellent sound, vibration and mechanical wave absorber, presenting a high attenuation coefficient related to the wave scattering through the grains. In addition, the ultrasonic signal processing method used here confirms its main advantages of fastness and reliability.     

Ultrasonic evaluation of gypsum plaster

Ultrasonics have been used for the characterization of set plaster in the water ratio range 0.3 to 1. The variation of ultrasonic velocity with porosity has been studied. The elastic modulus and strength of plaster have also been evaluated. The study indicates both elastic modulus and strength properties correlate well with the ultrasonic velocity. Thus the ultrasonic velocity can be used as a predictor of strength and elastic moduli of these materials.     

地震模拟振动台试验模型相似设计中的材料弹性模量取值问题研究

为了提高结构地震模拟振动台试验的精度,采用实常用模型材料的力学性能试验与规范计算理论分析相结合的方式,对混凝土结构、砌体结构及钢结构地震模拟振动台试验模型相似关系设计中的材料弹性模量取值方法进行了系统研究,推荐了混凝土结构、砌体结构及钢结构地震模拟相似关系设计中材料弹性模量的合理取值方法。试验与分析结果表明：模型材料弹性模量的试验值与原型材料弹性模量的规范值可能会存在较大差异,造成模型相似关系中的模型与原型弹性模量比过小,使振动台试验结果失真。因此,当混凝土结构振动台试验模型采用微粒混凝土或砂浆材料浇筑时,模型材料与原型混凝土材料的弹性模型应统一采用规范提供的拟合公式根据材料立方体抗压强度计算得到;当砌体结构振动台试验模型采用小型混凝土砌块制作时,模型材料弹性模量应采用规范拟合公式由材料试验确定的砌体抗压强度设计值计算得到;钢结构地震模拟相似关系中的弹性模量比可采用1.0。以上结论可为不同结构地震模拟振动台试验的模型相似关系设计提供理论依据。     

How isotropic are quasi-isotropic laminates

The concept of quasi-isotropic laminates is very well documented in literature. Essentially, the laminate consists of laminae with fibers at equal angular spacing. The theoretical analysis of these laminates, based on the laminate theory, suggests that the elastic properties of the laminate will be isotropic. It is obvious that the theory makes some simplifying assumptions and hence the question remains that if this laminate is not really isotropic then how much anisotropic is it? Presented here is the experimental determination of the elastic modulus of a quasi-isotropic laminate [0/45/−45/90]_S by tensile mechanical testing and corroborated by a newly developed automated ultrasonic Lamb wave measurement. The Lamb wave velocity measurement in frequency domain is used to estimate the in-plane elastic constants: elastic modulus and the Poisson's ratio, non-destructively. The ultrasonic method provides a non-invasive and non-damaging method for the measurement.