基于等效滑移与潜在硬化机制的多晶金属亚宏观弹塑性模型

将多晶材料中晶片之间与晶粒界面上的滑移作为消耗塑性功的主要物理机制,提出一个由亚宏观滑移系作为耗能构元的材料模型,并用功共轭方法得到了亚宏观滑移系的等效滑移剪切率.重新给出了滑移系自身运动硬化、潜在硬化及Bauscninger效应的力学描述,导出了本构方程.在探讨材料性质参数对后继屈服面形状及尺寸变化影响的基础上,论述了模型的基本性质.与以晶粒为基本构元的多晶体自洽理论比较,所得到的本构方程具有简洁的数学表达,而且能精确有效地预测多晶金属材料在复杂加载条件下的宏观弹塑性力学行为.     

多晶石墨烯力学性质的分子动力学研究

实验中纳米压痕被广泛用于测量单晶或多晶石墨烯的力学性质,而分子动力学模拟中研究者们更多地使用单轴拉伸来测量石墨烯的力学性质.两种测量方法对于多晶石墨烯弹性模量和破坏强度的预测是否存在差异?多晶石墨烯的力学性质是否依赖于其晶粒大小?对于固定晶粒大小的多晶石墨烯,拓扑结构的不同是否影响其力学性质?围绕以上问题,通过对比纳米压痕和单轴拉伸两种方法的分子动力学模拟,研究了多晶石墨烯弹性模量和破坏强度对晶粒尺寸、拓扑结构和测量方法的依赖性.     

基于滑移与微纤维伸缩两种耗能机制的弹塑性本构模型

本文考虑了固体材料内以拉压和滑移方式消耗变形功的两种主要物理机制,提出了用纤维构元与滑移构元共同组集的弹塑性材料模型.两种构元都是单自由度变形体,其力学性质及塑性变形中的耦合硬化系数可由传统的材料力学实验确定.各种取向的构元在三维空间中均匀分布,并与宏观应变协调变形.从模型结构的力学响应导出了全量型和增量型本构方程,不必预先设定加载函数(塑性势函数).构元经历的变形历史与其取向有关,作为组合效应的应力应变关系能反映加载路径的影响.因此,本文得到的本构方程既保持了简洁的数学形式,又能模拟复杂加载条件下材料的宏观弹塑性力学行为. 本文预测了几种多晶金属材料在典型复杂加载路径下的应力应变响应与后继屈服面,与实验结果吻合良好.     

各向异性双材料中运动螺型位错与界面刚性线的干涉

研究了各向异性双材料中匀速运动螺型位错与界面刚性线的干涉问题.运用Riemann Schwarz解析延拓技术与复势函数奇性主部分析方法,获得了该问题的一般弹性解答,求出了界面含一条和两条刚性线情况下的封闭形式解,并给出了刚性线尖端的应力强度因子和作用于运动位错上的像力的显式表达式.结果表明,位错速度增大可以削弱位错对应力强度因子的反屏蔽效应;位错速度越大,位错平衡点越靠近刚性线,退化结果与已有的解答完全吻合.     

挤压AZ31镁合金高温单轴棘轮行为实验研究

对挤压态的AZ31镁合金在高温进行拉伸、压缩、应变循环和应力循环实验研究,旨在揭示镁合金各向异性的高温棘轮行为演化规律和变形机制。实验结果表明,镁合金表现出显著的拉-压不对称性和循环软化特性。镁合金的高温棘轮行为受平均应力和应力幅值的控制,棘轮效应随平均应力和应力幅值的增加而增强;镁合金在循环变形过程中存在位错滑移、孪生和解孪3种不同的塑性变形机制,导致镁合金的高温棘轮行为在不同的加载工况下表现出不同的演化特征。     

在柱坐标系下研究由拉伸缸引起的Casson纳米流体流动与传热传质现象

首次利用柱坐标研究速度滑移和对流表面边界条件下,由拉伸缸引起的稳态层流Casson纳米流体流动、传热及传质现象.采用恰当的相似变换将偏微分控制方程转化为高阶非线性耦合常微分方程,并通过打靶法进行数值求解,图示并详细分析了不同物理参数对速度、温度及浓度分布的影响.结果显示,速度受滑移参数的影响较大,温度和浓度分别受Biot数和Lewis数的影响较大;随着Casson参数的增大,速度下降而温度和浓度都增加;温度随着Brown(布朗)运动参数或热泳参数的增加而上升;浓度随着Brown运动参数的增大而减小,随着热泳参数的增大而增大,当热泳参数较大时,浓度出现了"回流"现象.     

P型多晶金刚石薄膜压阻效应的研究 *

结合Mayadas-Shatzkes多晶模型 ,对硼掺杂多晶金刚石薄膜的压阻效应进行了分析和讨论 .结果认为 ,价带分裂和晶界散射的联合作用是导致P型多晶金刚石薄膜具有显著压阻效应的主要原因 .推导出考虑晶界散射时压阻因子的近似计算公式 ,计算结果与实际情况相符 .     

基于分子动力学模拟的金属构件的弹-塑性分解方法

针对金属多晶材料构件的分子动力学（MD）模拟,本文提出了一种新的弹-塑性分解方法.文章将MD运动轨迹分解为结构变形和热振动,给出了计算结构变形的方法和近似公式;针对金属多晶材料构件的当前构型,给出了基于FCC|BCC晶胞和四原子占位的四面体单元相组合的连续变形函数及计算变形梯度的算法;利用原子-连续关联模型,发展了计算当前构型应力场和弹性张量的算法.分析了当构件承受过大载荷后在材料内部所产生的微观缺陷,并将其分类标定为位错、层错、挛晶界、晶界和空位等;对于层错和挛晶界讨论了在弹性卸载过程中应满足的刚体运动约束方程;利用极小势能原理构造了基于当前构型的弹性卸载算法,进而给出了完整的基于MD模拟的计算弹-塑性应变的算法.最后,针对单晶铜纳米线拉伸的MD模拟,计算了弹-塑性应变场,验证了本文方法的合理性.
本文提出的基于MD模拟的弹-塑性分解方法,为从微观到宏观的多尺度和多模型耦合计算提供了算法支撑.     

PTFE膜材的应力松弛性能及预测模型分析

对建筑用PTFE(聚四氟乙烯)膜材进行了5种温度(23,40,50,60,70℃)下的单轴应力松弛试验,考虑了初始拉伸速度(2,5,10,20 N/s)对于膜材应力松弛性能的影响,分析得到了材料的松弛模量变化规律,采用几种常见的粘弹性本构关系模型对试验曲线进行了拟合对比分析.研究发现PTFE膜材表现出了明显的应力松弛特性,且受温度和初始拉伸速度影响较明显;随温度的增加,膜材的应力松弛速度越快,最终稳定应力值越大;随着初始拉伸速度的增加,最终稳定应力值越小,应力松弛速度基本相同;大部分粘弹性本构关系模型能够对PTFE膜材的应力松弛行为做出较好的预测,少量模型预测效果较差,这主要与本构关系模型的组成形式有关系.     

表面机械研磨(SMAT)技术对玻璃纤维增强铝金属层板(GLARE)拉伸性能的影响

表面机械研磨(SMAT)技术是在短时间内通过振动发生器驱动大量硬度较大的小球以随机方向撞击金属材料,使得材料晶粒尤其是表面晶粒细化,从而达到增加材料强度的效果.通过对铝合金板进行SMAT处理,材料的极限强度和极限应变虽然有较小的降低,但是其屈服应力有较大幅度的增加.以SMAT处理后的铝合金板和玻璃纤维环氧树脂预浸料为原料,通过热压工艺制备成新型GLARE层合板.通过拉伸实验研究和理论计算分析了该GLARE材料的拉伸性能,发现SMAT处理的铝合金板制成的GLARE的屈服强度提升明显.     

梯度材料平板弯拉耦合力学的精确化支配方程

基于非均匀材料弹性力学理论,采用算子谱分解和算子代数方法,对梯度材料平板结构弯曲与拉伸问题进行了研究.首次给出了指数梯度材料平板弯曲与拉伸的力学方程.研究结果表明:与各向同性平板结构弯曲和拉伸问题不同,在功能梯度平板中描述弯曲应力状态与描述拉伸应力状态的广义位移函数以及剪切函数都是耦合的.没有采用工程假设,推导得到的梯度材料平板结构力学方程是精确化的.通过分析可以认识和理解,分别对应于弯曲状态与拉伸状态的应力场耦合机理以及力学响应的构成等.给出的方程及其分析过程可望能够用于类平板形式热防护材料结构的应力分析与强度设计,推进热防护材料结构的轻型化.     

考虑表面效应时孔边均布径向多裂纹Ⅲ型断裂力学分析

理论研究了纳米尺度孔边均布径向多裂纹的Ⅲ型断裂性能.基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论和保角映射技术,获得了孔和裂纹应力场的解析解,给出了裂纹尖端应力强度因子的闭合解.基于解答分析了应力强度因子的尺寸效应,讨论了裂纹数量、裂纹/孔径比和缺陷表面性能对应力强度因子的影响.结果表明:当孔和裂纹尺寸在纳米量级时,无量纲应力强度因子具有显著的尺寸效应;应力强度因子随裂纹数量的变化规律受裂纹/孔径比的影响;裂纹/孔径比对应力强度因子的影响受到缺陷表面性能的制约,同时表面性能对应力强度因子的影响也受限于裂纹/孔径比;表面效应对应力强度因子的影响与裂纹数量无关.     

热泳和Brown运动对太阳能辐射下热分层纳米流体边界层流动的影响

在太阳辐射下的纳米流体中,数值地研究竖向延伸壁面具有可变流条件时的层流运动.使用的纳米流体模型为,在热分层中综合考虑了Brown运动和热泳的影响.应用一个特殊形式的Lie群变换,即缩放群变换,得到相应边值问题的对称群.对平移对称群得到一个精确解,对缩放对称群得到数值解.数值解依赖于Lewis数、Brown运动参数、热分层参数和热泳参数.得到结论:上述参数明显地影响着流场、温度和纳米粒子体积率的分布.显示出纳米流体提高了基流体热传导率和对流的热交换性能,基流体中的纳米粒子还具有改善液体辐射性能的作用,直接提高了太阳能集热器的吸热效率.     

立方准晶材料中的运动螺型位错

发展了立方准晶的位错弹性理论．通过引入位移势函数,使得立方准晶的反平面弹性动力学问题归结为求解两个波动方程,得到了运动螺型位错的位移场、应力场与能量的解析表达式及运动位错的速度极限．这些为研究此固体材料的塑性变形的物理机理提供了重要的信息．     

磁通量子隧道效应及其对实验临界电流的影响

采用磁扫描测量方法,在YBCO(123和124)薄膜上获得了实验临界电流和磁弛豫率随温度及磁场的依赖关系,借助于集体钉扎和热激活磁通运动模型,求出了真实临界电流(即对应于激活能为0的电流),从而区分开量子磁通隧道效应和热激活磁通运动对实验临界电流的影响,发现当温度(T)约低于10K时,由于磁通量子隧道效应的存在使得磁弛豫率不再随温度的下降外延至零,这种额外的磁通运动进一步降低了实验临界电流值,使其在低温下随温度降低而趋于饱和.     

圆形杂质对裂纹扩展的影响

在单轴拉伸载荷作用下，运用分布位错方法对无限大平面内含有一个裂纹和一个任意方向的杂质问题进行求解，得到了裂纹尖端的应力强度因子、应力场以及应变能密度.利用最小应变能密度因子准则来判断裂纹扩展方向.结果显示:软杂质对裂纹尖端应力强度因子、应变能密度和应力场有增强作用，而硬杂质则具有屏蔽作用.在 -30°<θ<30°范围内，杂质对裂纹扩展方向的影响较小，而在 -90°<θ<-30°或30°<θ<90°范围内，杂质对裂纹扩展方向的影响较大.软杂质对裂纹扩展有吸引作用，而硬杂质具有排斥作用.     

统一的解理断裂统计模型

根据微裂纹的解理断裂强度服从三参数Weibull分布的假设和最薄弱链理论,推导出了低合金结构钢的解理断裂统计模型.由模型的一般表达式结合裂纹、缺口和光滑试样具体的应力分布,进一步推导出了这三种试样的解理断裂统计模型.并以临界应力强度因子K_IC、断裂载荷L_F和断裂真应力σ_F作为控制参量,分别建立了裂纹、缺口和光滑试样的解理断裂统计判据.采用热模拟技术,在15MnVN钢中得到了焊接过热区粒状贝氏体组织,在-196—20℃的温度范围内,对热模拟后的材料分别进行了光滑试样的单轴拉伸试验、缺口试样的四点弯曲试验、裂纹试样的三点弯曲试验,所测得的光滑试样的断裂真应力、缺口试样的断裂载荷以及裂纹试样的K_IC与统计模型所预测的相应参量的变化趋势及其分散带完全一致,从而在扩展控制的解理温度区间里,首次统一了不同试样、加载方式条件下材料的解理断裂行为.     

晶体硬化系数表示式及材料常数标定

从均匀变形率场中各种取向滑移系硬化的基本特征出发,提出了新的单晶硬化系数表示式,内含12个材料常数,各有明确的物理意义,进而以精确模拟宏观力学性质为目标,利用非线性规划理论建立了一种准确可靠又行之有效的材料常数标定方法,作为例子,使用非线性规划中的改进Ganss-Newton法与梯度法相结合的算法、根据典型单轴拉伸实验曲线确定了铜与铝单晶的材料常数,预测了它们在多种位向上拉伸变形时的应力应变响应,与实验结果吻合良好.     

正交各向异性圆柱体在轴压作用下的应力场

基于材料体积不可压假设,对轴向压缩作用下圆柱试件在加载面内的环向和径向应力分布进行理论分析,计算结果表明:当试件材料本构为正交各向异性时,环向和径向应力分布为半径的幂函数形式;试件材料为横观各向同性时,环向和径向应力为半径的二次函数.在圆柱试件轴线上环向和径向应力相等,且均具有最大值;试件圆周边界上径向应力为0,环向应力具有极小值.通过最大拉伸应变破坏理论对试件环向应变进行分析,获得了产生环向拉伸破坏时的临界轴向载荷;并采用Hill-蔡强度理论对试件圆周边界上计算得到的应力参量进行描述,得到了轴压作用下圆柱试件的Hill-蔡强度理论表达式,其不仅取决于轴向应力和试件材料的基本力学性能,还与试件轴向变形的应变率及应变率随时间的变化率相关.     

Ti-6242S钛合金高温循环粘塑性行为有限元模拟

采用ANSYS提供的粘塑性流动准则下的双线性各向同性硬化本构模型,考虑材料参数的温度相关性,通过单个单元有限模型对4种温度下施加相同平均应力和不同应力幅值的应力循环工况进行有限元模拟。实验与模拟结果的对比表明,该模型能够较好的地模拟高温450℃以下Ti-6242S钛合金粘塑性变形的循环累积。此外,由于该模型没有考虑循环过程中背应力的演化,对滞回环的预测不够理想,且过高预测了520℃下的粘塑性累积变形。