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关键词： 材料力学   多媒体   课堂教学型课件   素材  

摘要： 由于多媒体的表现力,我们在讲解概念时,引用许多当今工程实际中与材料力学有关的图片,增加其信息量,让学生了解材料力学就在我们身边,激发他们运用材料力学知识解决工程实际问题的兴趣,培养其解决实际问题的能力。多媒体课堂教学的成功与否,关键是课件的制作。本文就课件制作的几个问题,如课件设计、选择教学平台、创建素材等做了论述,本课件经过实际使用,效果良好。

关键词： 数值模拟   本构模型   有限元法   混凝土材料   力学性能  

摘要： 混凝土材料是土建工程中广泛使用的一种建筑材料,其力学性能的研究对充分发挥材料的强度具有十分重要的意义,为了实现混凝土试件强度与尺寸效应的仿真计算分析,在细观尺度下,把混凝土看作由砂浆、粘结带和骨料组成的三相复合材料,细观尺度下的各相物理力学参数都以试验数据为依据,用随机骨料模型代表混凝土细观结构,利用有限元法和混凝土细观力学的本构关系,借助计算机强大的运算能力,对混凝土复杂的力学行为进行数值模拟。本文研究工作的主要内容有以下几个方面:\n (1)借助于二维骨料级配公式——Walaraven公式,计算随机骨料的颗粒数,运用蒙特卡罗的方法随机生成骨料圆心的位置,然后利用网格剖分程序进行有限元网格剖分以及将材料力学性能的分配给相应的单元,最后生成数值模拟所需要的试件,采用改编的有限元计算程序对混凝土力学性能进行数值计算。\n (2)改编前处理、有限元计算和后处理FORTRAN程序。\n (3)对不同尺寸的混凝土试件进行单轴抗拉和单轴抗压数值模拟,将数值模拟的结果和试验结果进行对比,绘制各个试件的应力应变曲线。\n (4)探讨混凝土试件的尺寸效应及随机骨料的位置、加载步长和有限元网格尺寸对试件强度的影响,研究损伤的分布规律和裂纹的扩展过程,数值模拟所得到的结果与试验结果相吻合。\n (5)采用双折线模型、马扎斯损伤模型和Lemaitre提出的损伤模型三种损伤模型来计算混凝土的强度,通过计算表明采用前两个损伤模型来研究混凝土的力学性能是可行的。\n (6)用势能原理新型有限元计算对三种不同级配不同尺寸的混凝土试件进行计算分析,将计算结果与普通有限元的计算结果进行对比,两者结果基本吻合。

关键词： 金属玻璃   非晶态合金   熔体冷却   材料力学  

摘要： 有别于传统的晶态金属材料，块体金属玻璃具有高强度、高弹性极限、耐腐蚀等优异性能，因此作为新一类结构材料而受到关注。目前，制约其工程应用的主要障碍在于合金玻璃形成能力对尺寸的限制以及拉伸载荷作用下单一剪切带易于失稳扩展导致灾难性断裂。在金属玻璃基体中内生韧性相，是抑制单一剪切带失稳扩展，从而促进形成多重剪切带产生塑性应变的有效途径。在已发现的块体金属玻璃合金体系中，铜基块体金属玻璃具有高强度、低成本、不含有毒性元素等优势，然而其玻璃形成能力仍有待于提高。本工作系统研究了通过调整合金成分来优化Cu-Zr-Y-Al四元合金玻璃形成能力以及块体金属玻璃的力学性能。另外，还研究了通过获得含B2-CuZr相金属玻璃基复合材料来改善在拉伸载荷作用下的塑性变形能力。主要内容及结论如下：\n ⑴利用“3D法”，在Cu-Zr-Y-Al四元合金中定位出玻璃形成能力最强的铜基合金Cu45Zr42.55Y3.45Al9，铜模浇铸形成块体金属玻璃的临界直径(Dc)为14mm。同时，该四元合金玻璃形成能力最强合金成分定位于Cu42Zr44.4Y3.6Al10(Dc=16 mm)，以该合金为基础，利用1.5 at.％的Hf元素部分替代Zr元素，可有效地阻止CuZr晶体相的析出。Cu42Zr43Hf1.5Y3.5Al10合金形成块体金属玻璃的临界直径提高至18 mm。\n ⑵在Cu-Zr-Y-Al四元合金中以具有最佳玻璃形成能力的Cu42Zr44.4Y3.6Al10合金为基础，在成分空间上向B2结构CuZr化合物趋近，(Cu0.5Zr0.5)x(M)100-x(M=Zr0.15Y0.225Al0.625，84≤x≤92)系列块体金属玻璃中成分接近CuZr化合物的Cu46Zr47.2Y1.8Al5(Dc=4 mm)金属玻璃在韧性上明显优于Cu42Zr44.4Y3.6Al10金属玻璃，这与其较低的剪切模量和较高的泊松比相一致。这表明在成分空间上向塑性的金属间化合物调整，可优化出韧性得到改进的金属玻璃。\n ⑶通过降低合金熔体的冷却速率，可在Zr46.9Cu45.5Al5.6Y2.0(Dc=5 mm)成分处获得12 vol.％或24 vol.％的B2-CuZr相分布于金属玻璃基体上的内生复合材料，棒材直径分别为6 mm和7 mm。相对于Cu46Zr47.2Y1.8Al5单相金属玻璃，含24 vol.％B2-CuZr相的复合材料在压缩载荷作用下可形成多重剪切带，表观塑性应变达到6.5％；但在单向拉伸载荷作用下仍不具有明显的塑性变形能力，这归因于金属玻璃基体韧性低和塑性区小。

关键词： 废玻璃颗粒   裂纹   搅拌铸造   玻璃/铝基复合材料   力学性能  

摘要： 采用搅拌铸造法制备玻璃颗粒增强铝基废物复合材料,利用SEM、XRD等手段观察和分析了玻璃颗粒在复合材料制备中的变化情况,研究了玻璃颗粒含量对复合材料抗拉强度和耐磨强度的影响。结果表明,玻璃颗粒较均匀地分布于基体中,界面结合良好;与基体相比,复合材料耐磨性能提高了4.62倍,抗拉强度提高并不明显;玻璃颗粒表面发生熔融,裂纹在铝液中能够自我修复,从而提高复合材料的力学性能。

关键词： 纳米材料   材料力学   分子耦合   统计热力学  

摘要： 确切表征纳-微米尺度材料和结构的纳米力学行为是工程技术界关注的一个前沿问题，也是纳-微米力学学科发展的基础。耦合的分子/集团统计热力学(Hybrid Molecule/Cluster Stastical Thermodynamics，HMCST)方法，以统计热力学和固体物理的理论为基础，将原子系统分区域采用集团表象和原子表象进行描述，并实现了两种表象的光滑连接。HMCST方法能够有效模拟纳-微米尺度材料在有限温度下的准静态变形。\n 本文在课题组所提出的HMCST方法的基础上，针对原有方法固定原子区域和集团划分的不足，发展了集团自适应细化和集团/原子区域自适应转换的分子/集团统计热力学方法，取得了以下成果：⑴利用EAM势，对三维的纳米压痕问题进行了分子统计热力学(Molecule Stastical Thermodynamics，MST)模拟。在弹性阶段，MST所得的载荷随压入深度的变化趋势与Hertz弹性接触理论符合较好，拟合得出的单晶铜压入模量MST得到的位错结构也与晶体理论相符。⑵基于局部最优位移梯度的思想，发展了原子表象中滑移剪切变形的计算方法，MST的模拟结果表明，采用滑移剪切变形能够准确找到即将发生滑移的区域。⑶将原子表象的滑移剪切变形的计算方法推广到了集团表象，建立了以集团滑移剪切变形为基础的集团细化准则，建立了集团细化方法以及细化后的网格重构方法。建立了基于集团临界尺寸的从集团表象到原子表象的切换准则。以这些准则为核心，建立了自适应的分子/集团统计热力学(Self-adaptive Molecule/Cluster Statistical Thermodynamics Method,SMCST)方法。⑷用自适应方法对一系列典型的变形问题进行了模拟，并与MST方法和集团统计热力学方法(Cluster Statistical Thermodynamics，CST)进行了比较。通过这些算例充分证明了自适应方法的有效性和计算的高效性。⑸用所发展的自适应分子/集团统计热力学方法模拟了纳米深压痕(二维)问题中材料硬度与压入深度的变化关系。我们发现：针尖的几何形貌和表面接触方式对材料硬度的影响仅仅局限在压入的起始阶段。在中间阶段，硬度表现出尺寸效应。在压入较深的阶段，硬度值都趋于一个恒定值。

关键词： 纳米材料   材料力学   尺寸效应   杨氏模量  

摘要： 固体力学的发展逐渐深入到了微纳米尺度，为了研究微纳米尺度材料的力学行为，除了传统的理论分析和实验测量手段外，发展可靠而又高效的计算方法成为了当前微纳米力学研究的热点之一。分子统计热力学方法(Molecule StatisticalThermodynamics，简称MST)是一种新的基于原子表象，用于分析有限温度下纳米材料准静态行为的计算方法。与传统的基于牛顿运动方程的分子动力学方法(Molecular Dynamics，简称MD)不同，MST是一种半解析方法，它基于对体系Helmholtz自由能的极小化。一方面，作为一种独立的原子表象计算方法，相比受到原子振动特征频率(相当的特征时间约为10-13s)制约的MD方法，MST则适用于分析空间尺度为纳米到微米的材料在有限温度下的准静态行为。另一方面，MST是集团/分子统计热力学耦合多尺度方法(Hybrid Molecule/Cluster StatisticalThermodynamics，简称HMCST)的基础，MST方法的可靠性、适用范围以及计算效率，决定着含温度效应多尺度计算方法HMCST的计算性能。因此，对MST方法做全面的分析，以便为微纳米尺度力学问题的分析提供有效、可靠的计算工具，才能推动含温度效应多尺度计算方法的进一步发展。\n 本文主要从理论、程序及应用三个方面对MST方法展开了深入研究。在理论方面：在三维MST方法中考虑了粒子在三个振动方向上的耦合，以提高自由能计算精度，并得到了完整的二维、三维情形下原子体系Helmholtz自由能及其导数的计算式；将常用于金属和半导体材料模拟的L-J势、Morse势、镶嵌原子势以及含长程相互作用的Bukingham势引入到了MST计算中。分别推导了采用这几种势函数计算体系自由能及其导数的表达式，并针对空间分解并行算法和提高计算效率的要求设计了计算方案，使MST方法可以高效地用于多种类型材料的计算；为了进一步提高MST方法的计算精度并扩大其温度适用范围，分析了粒子在势阱中的非线性振动，针对非线性振动的不同运动模式及采用简谐近似而出现的“虚频”问题，探讨了采用Duffing振子近似有效计算非线性振子频率及平均动能的方法，以用于Helmholtz自由能计算。在程序方面，基于MST方法的理论基础和计算流程，重点研究了MST计算过程的大规模并行化、自由能其及导数计算的优化和并行以及采用Ewald求和机制对含长程相互作用势函数的处理。在此基础上，开发了计算软件MSTS(MoleculeStatistical Thermodynamics Simulator)，获得了中国软件著作权登记(登记号为：2011SR003778)。MSTS高度模块化，且具有良好的通用性和扩展性，为MST方法的大规模应用提供了计算支持。在应用方面，将MST方法应用到了几类不同的固体材料的不同力学性质的研究：金属面心立方单晶纳米体系材料在单轴加载及纳米压痕过程中的位错形成及扩展、半导体ZnO纳米线的结构相变及力学性能的尺寸效应、半导体GaN纳米杆结构转变的自由能计算、非晶态铜体系的力学行为及晶化现象。这些计算表明，MST方法可以有效地刻画有限温度下不同材料(晶体和半导体)中出现的位错、相变以及非晶材料中的晶化等复杂的微结构变化，其计算结果与MD以及基于量子力学的密度泛函方法所得结果一致。更重要的是，在分析纳米材料的准静态行为时，MST比MD方法具有更高的计算效率，例如MST对ZnO纳米线拉伸过程的计算效率比MD高近60倍。特别是，利用MST的高效及可靠性，计算了直径从1.95nm到23.4nm的ZnO纳米线的拉伸过程，实现了大体系的分子计算(直径大于17.5nm的纳米线)和小体系的实际实验二者所得到的杨氏模量相衔接和符合的结果，为将分子模拟计算应用于实际纳米技术提供了定量上的可靠基础。

关键词： 粘弹性材料   吸声性能   空腔结构   动态力学参数   水下环境  

摘要： 粘弹性材料对降低水下大型航行器的目标强度有着重要的意义,设计合适的基体材料与空腔结构是提高粘弹性材料吸声性能有效途径。动态力学参数是联系声学材料配方设计与声学结构设计之间的桥梁和纽带,因此确定力学参数的范围对工程上指导基体材料配方设计十分关键。另外一方面由于粘弹性材料中空腔结构设计越趋复杂,建立能够分析复杂空腔结构声学性能同时计算量较小的物理模型,将对水下吸声材料的研究有着很大促进意义。\n 本文利用分层介质声传播理论和优化算法确定了动态力学参数范围,发展了可计算轴对称空腔结构声学性能的多重散射方法,同时对动态力学参数和粘弹性材料吸声性能进行了相应的实验研究,论文的主要工作如下:\n (1)基于传递矩阵和等效参数方法计算了均匀材料和发泡材料的声学性能,使用拟牛顿法和遗化算法优化了粘弹性材料的动态力学参数,结果表明粘弹性材料参数经过优化后其吸声性能可以得到显著改善。以吸声系数0.8为复弹性模量作为优化基准,通过对不同条件下吸声系数等值线分析表明低频弹性模量数值较小且范围狭窄,因此调控的难度比较大,而损耗因子在低频则不需要太大而且范围更宽。\n (2)通过对不同背衬条件下吸声系数大于0.8复弹性模量范围的分析,结果表明一定厚度钢背衬下其弹性模量幅值在低频增加了一个数量级,而且范围有所拓宽,当背衬为水时吸声材料的复弹性模量范围由于声波向水层透射的原因变小。对发泡材料的复模量优化表明粘弹性材料内部结构可以在一定程度上放宽对动态力学参数的要求。\n (3)在传统的多重散射方法、周期性结构Bloch理论和分层结构传递矩阵的基础上,计算并分析了球形空腔波型变换机理、局域共振机理和影响吸声性能的主要因素。研究结果表明散射主要影响较高的频率,剪切模量与空腔大小均对散射系数有较大影响。材料的动态力学参数、空腔体积、背衬和声波入射角度也会对吸声系数有不同程度的影响。\n (4)比较并分析了等效介质方法、有限元方法和多重散射方法优缺点。多重散射方法与等效介质方法相比其优势在于可以计算较大空气体积含量的粘弹性材料声学性能,同时可以反映纵横波之间的转换特性,理论模型求解的推导更为严格,并具有更好的应用性。多重散射方法与有限元方法相比其优势在于计算速度快,适合对粘弹性材料吸声机理的分析和对结构与材料参数的优化。有限元方法的主要优点是可以计算任意形状空腔的粘弹性材料声学性能,因而更适合工程上水下吸声材料的仿真研究,但在研究粘弹性材料高频的声学特性时效率比较低。\n (5)发展了一种基于分层多重散射方法计算声学结构性能的半数值半解析模型,分析了水下声波入射情况下粘弹性材料含周期性分布结构的反射、透射和吸声性能。在弹性波多重散射理论基础上推导出球坐标条件下轴对称声腔结构散射体位移和应力场的基函数,结合对散射体表面的数值积分,得到散射波和入射波之间的传输矩阵方程,同时应用分层介质声传播理论计算复杂结构材料的声学性能。该模型和通用的有限元方法计算结果相比一致性符合地比较好,但计算量却可以大幅度降低。\n (6)通过动态力学热分析方法和时温等效原理测量了粘弹性材料复杨氏模量,同时利用万能材料试验机测量了泊松比,并给出了两种橡胶材料的刚度以及随温度变化的动态力学参数曲线。制作了两种粘弹性材料含圆柱形空腔结构的原理性样品,通过传递函数法在水声声管中测量了样品的低频吸声性能。测试结果验证了多重散射方法的正确性,同时也表明调节力学参数是提高粘弹性材料吸声性能的有效技术手段。

关键词： 玄武岩纤维机织布   表面改性处理   力学性能  

摘要： 为了改善玄武岩纤维与环氧树脂的界面粘结效果，本文采用硅烷偶联剂KH-550对玄武岩纤维机织布进行表面改性处理，并分析了偶联剂对玄武岩纤维机织布拉伸性能的影响；玄武岩纤维力学性能优良、具有高温稳定性，TDE-86-#环氧树脂的粘结强度高、耐热性好，故本文以玄武岩纤维机织布为增强体，TDE-86#环氧树脂为基体，采用树脂传递模塑成型工艺制备了摩擦材料。使用Instron3369型万能材料试验机和Dynatup9250HV型材料冲击试验机测试其弯曲性能、冲击性能，分析铺层角度和树脂含量对其力学性能的影响；在MMW-1万能摩擦磨损试验机上测试其摩擦系数，讨论温度、铺层角度和树脂含量对材料的摩擦性能的影响。主要结论如下：\n 0°方向铺放的玄武岩纤维承受绝大部分的载荷，±45°和90°方向的玄武岩纤维虽然只能承受较小的载荷，但是可以提高材料的韧性。树脂含量为19.2％时，摩擦材料的弯曲强度和弯曲弹性模量最大；铺层方式[+45°/-45°]s，树脂含量为19.2％的玄武岩纤维机织布增强摩擦材料的抗冲击性能最优良，采用类似的能量进行冲击试验时发生主要损伤需要的载荷和冲击能量最大，冲击过程中吸收的总能量最少，发生的损伤破坏最小。\n 铺层方式主要影响摩擦材料表面犁沟和摩擦痕迹的扩展方向，对摩擦系数影响较小，铺层方式为[O°/90°]s的材料的摩擦系数略大于其它三种铺层方式的。当树脂含量为19.2％、，材料的摩擦系数较大且稳定，摩擦表面比较光滑、犁沟数量少。随着温度的升高，摩擦系数逐渐增大，但均在0.25-0.70的范围内，满足2类(微、轻型车鼓式制动器用)摩擦性能要求。\n 试验结果表明玄武岩纤维机织布增强摩擦材料的摩擦系数比较高，摩擦性能稳定，且弯曲性能和冲击韧性优良，适宜用作汽车摩擦材料。本论文的研究为玄武岩纤维织物增强摩擦材料的开发提供了一定的理论依据，同时也有利于拓展玄武岩纤维及其织物的应用领域。

关键词： PVA纤维增强   水泥基复合材料   力学性能   自愈合特性   微观结构  

摘要： 随着社会经济的发展，人们对建筑材料的要求不断提高。高性能水泥基材料的出现，特别是纤维增强水泥基复合材料，使土木建筑结构的强度和韧性得以改善。为此，本文从材料组分、养护条件和暴露环境等方面研究聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料（PVA-FRCC）的力学性能和自愈合特性，通过微观结构测试和理论分析，揭示配合比、养护条件和预拉伸次数等因素对 PVA-FRCC自愈合的影响规律，这对 PVA-FRCC的配合比设计及工程应用具有重要的理论价值和实际意义。\n 针对目前 PVA-FRCC配合比较为单一的情况，基于微观力学设计理论，本文首先采用单轴拉伸试验、四点弯曲试验和抗压、抗折强度试验研究了单掺和复掺矿物掺合料、细集料和超级吸水聚合物（SAP）颗粒等对 PVA-FRCC拉伸应变、断裂韧性和抗压、抗折强度的影响。结果表明，所有配合比 PVA-FRCC都具有“准应变-硬化”和多缝开裂的特征，但是裂缝的饱和程度和拉伸应变有所差别；粉煤灰和矿渣都能够改善 PVA-FRCC的拉伸应变；粉煤灰取代水泥掺量由50%增至80%时，拉伸应变增加120%；复掺粉煤灰和矿渣 PVA-FRCC的拉伸应变都不低于3.0%；SAP颗粒作为缺陷引入基体可使 PVA-FRCC拉伸应变提高90%以上，且SAP颗粒对粉煤灰低掺量试件的改善效果更为明显。\n 由于水泥基材料开裂后能够依靠自身水化促进裂缝自愈合，本文研究了PVA-FRCC在冻融环境、盐溶液干湿循环和高温干湿循环等6种典型暴露环境中的自愈合。研究结果表明，PVA-FRCC在6种暴露环境中都能发生自愈合；自愈合程度随着预拉伸应变的增加而降低；一般情况下，预拉伸应变不超过1.5%时，自愈合后的PVA-FRCC超声波传播速度（UPV）能够恢复80%以上，吸水系数与未拉伸试件相近，再次拉伸时的初始开裂应力与预拉伸时的初始开裂应力相当；预拉伸应变高（大于1.5%）的PVA-FRCC自愈合后，UPV损失可高达50%。干湿循环过程中环境温度升高能够增加愈合后 PVA-FRCC的初始开裂应力和UPV恢复程度，但是其拉伸应变难以超过1.5%。冻融环境中愈合后试件的初始开裂应力都小于预拉伸试的初始开裂应力；但是与含盐溶液、常温和高温干湿循环自愈合试件相比，冻融环境自愈合后试件的拉伸应变增加。\n 水泥用量是影响裂缝自愈合的首要因素，但本文研究中设计的PVA-FRCC水胶比低、矿物掺合料量大，那么养护条件对于PVA-FRCC的性能影响至关重要。为此，本文研究了密封、水和高温等11种养护条件对 PVA-FRCC力学性能和自愈合特性的影响。结果表明，密封养护 PVA-FRCC拉伸应变和自愈合性能最好，其拉伸应变可达5%，预拉伸应变不超过2.0%试件自愈合后的拉伸应变超过2.5%，且预拉伸应变大于2.0%试件的UPV恢复程度都不低于80%；水中养护次之，高温养护最差；增加粉煤灰掺量能够改善高温养护和水中养护PVA-FRCC的拉伸应变和断裂韧性。\n 基于上述研究，本文继续探讨了 PVA-FRCC自愈合的可重复性。结果表明，PVA-FRCC经3次预拉伸在水冻融环境中再次愈合后，UPV恢复程度仍高达83%，且初始开裂应力仅损失15%。PVA-FRCC自愈合程度随着预拉伸次数的增加而不断降低。在预拉伸次数相等的情况下，UPV恢复程度随着预拉伸应变的增加会降低10%~20%。另外。本文还探讨了 PVA-FRCC的自愈合机理、自愈合过程以及愈合后 PVA-FRCC性能难以恢复如初的原因。PVA-FRCC的自愈合伴随着胶凝材料水化、氢氧化钙晶体长大、碳酸钙生成和晶体长大以及水化产物的湿胀等一系列物理化学过程。自愈合产物与水泥水化产物的差异、结构的致密程度、裂缝宽度过大、裂缝不完全愈合、PVA纤维受损、界面结合较弱、基体强度变化和微裂缝出现等都是造成自愈合 PVA-FRCC的UPV低、初始开裂应力小和吸水系数大的原因。

关键词： 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯   丁腈橡胶   乙烯—乙酸乙烯共聚物   弹性体   剪切应力  

摘要： 采用材料在熔融挤出共混过程中提高双螺杆挤出机螺杆转速的方法,研究了较高螺杆转速条件下双螺杆挤出机的高剪切应力、不同弹性体(SEBS、POE、EVA、NBR)等对ABS材料力学性能的影响。结果表明:双螺杆挤出机的高剪切应力可促进弹性体颗粒的分散和界面结合力的增强,引起共混材料力学性能的改善;NBR、EVA等弹性体有利于ABS材料韧性的提高,POE、EVA等弹性体有利于ABS材料加工流动性的改善。在220℃的挤出温度下,当螺杆转速由240 r/m in提高至1 200 r/m in时,其中ABS/NBR(质量比90/10)共混材料的缺口冲击强度由22.1 kJ/m2提高至28.8 kJ/m2,提高了30%,比纯ABS树脂提高一倍。