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关键词： 有砟轨道   离散元方法   扩展多面体   冻结道砟  

摘要： 近年来，随着我国铁路交通的进一步发展，铁路运输安全问题受到了更为广泛的关注。有砟轨道作为我国分布最广泛的轨道形式，其力学性能及安全性评估尤为重要。有砟轨道结构中，道砟层作为最主要的承载结构，呈现出明显的离散性和各向异性的力学特征，探究道砟材料在列车振动环境下的力学性能对铁路道床稳定性评估具有重要意义。在寒区冰冻条件下，道砟冻结现象造成道床整体力学性能的改变成为了影响寒区铁路安全运行的重要问题。因此开展低温环境下冻结道砟力学特性的数值分析工作对铁路运输安全有重要的参考意义。　　离散元方法是散体材料数值分析研究领域的重要方法，通过建立单个颗粒为基本单位的离散元模型，基于颗粒间接触的本构关系，完成对散体材料宏观力学特性的数值分析。道砟材料具有明显的散体材料特性，同时其细观形状对材料的宏观力学特性具有较大影响，为充分模拟其颗粒形状，同时尽量减少复杂接触模式带来冗余计算量，采用基于闵可夫斯基和理论的扩展多面体单元构建道砟的离散元模型，采用Hertz接触模型完成颗粒间力学参数的传递。考虑真实道床中列车荷载导致的颗粒振动，建立基于简谐振动的振动场环境探究振动条件下道砟材料力学特性。针对低温环境下的道砟颗粒冻结，建立基于扩展多面体单元的粘接-破碎模型进行冻结道砟低温力学特性相关研究。本文主要研究内容如下：　　(1)基于扩展多面体单元建立道砟材料的离散元模型，开展道砟力学特性的数值分析研究。采用Voronoi分割构建任意形态的扩展多面体模型，基于最小投影算法对离散元颗粒进行粒径识别、筛选以及颗粒配级。对道砟模型进行直剪仿真计算，通过与实测试验结果进行对比，验证了道砟模型的有效性。　　(2)开展了振动条件下的道砟直剪力学特性研究。根据真实的列车荷载构建基于简谐振动的振动场环境，开展道砟直剪试验数值仿真计算，探究振动方向、振幅及频率对道砟材料力学性能的影响。　　(3)基于扩展多面体单元的粘接-破碎模型建立冻结道砟模型。基于球体颗粒平行连接模型建立扩展多面体单元的粘接破碎模型，开展低温环境下冻结道砟的单轴压缩力学特性数值分析，通过与冻结道砟的低温力学试验结果对比，验证了冻结道砟模型的有效性。

关键词： 思维导图   互联网   材料力学   混合教学模式  

摘要： 尝试探索基于互联网+思维导图的材料力学混合教学模式，打破传统教学模式的固有模式，借助数字化信息技术，师生共同编辑电子版思维导图，在无法线下见面的情况下，也不影响课程内容的高效互动。作者通过2022年春季学期材料力学混合教学模式的探索与实践，得出结论：基于学生自己做的思维导图，及时进行网上反馈，可以打破时间和空间的限制，是提高教学效果的一条有效途径。

关键词： 温度作用   玄武岩纤维网格   纤维复合水泥基材料   配网率   微观结构  

摘要： 玄武岩编织网-纤维复合水泥基材料(Basalt fabric reinforced polymer-fiber reinforced cementitious matrix,简称BFRP-FRCM)具有耐腐蚀、轻质高强、耐疲劳等特性,被广泛应用于各类结构加固中,其温度作用后的力学性能开始引起国内外学者的广泛关注。高温作用对于玄武岩纤维影响较小,但对于聚乙烯醇纤维(PVA)有一定影响,因此针对BFRP-FRCM复合层的温度作用机理有待进一步深入研究。本文以玄武岩纤维网格增强纤维复合水泥基材料(BFRP-FRCM)复合层为研究对象,通过室内试验、理论研究等方法探究不同目标温度和配网率对BFRP-FRCM复合层单轴拉伸力学性能和整体弯曲力学性能的影响规律,根据试验数据建立了温度-强度关系式。结合SEM扫描电镜试验,探究复合层在不同目标温度下的微观形貌,建立了微观-宏观反应之间的关系,以解释试件宏观力学性能的变化。主要研究内容与结论如下:(1)设计制作共160个不同配网率的单掺PVA纤维BFRP-FRCM复合层试件。开展不同目标温度(20℃、200℃、400℃、600℃)的加温试验,探究各组试件的外观形貌和质量损失随温度的变化规律。研究表明:随着温度的升高,试件颜色逐渐加深再变浅,表面劣化逐渐严重并出现沿网格方向的裂缝且质量损失率逐渐提高。(2)对加温试验后的BFRP-FRCM复合层开展单轴拉伸力学试验,探究配网率及目标温度对复合层拉伸性能的影响。研究表明:同一温度作用下,随着配网率的提高,复合层拉伸力学性能得到改善。高温作用后复合层拉伸力学性能的衰减并未因配网率的变化而减缓。(3)对加温试验后的BFRP-FRCM复合层开展四点弯曲力学试验,探究配网率及目标温度对复合层整体弯曲力学性能的影响规律,包括荷载-位移曲线、抗弯强度、最大跨中挠度、抗弯刚度、弯曲韧性系数等指标。研究表明:同一温度作用下,随着配网率的提高,复合层整体弯曲力学性能得到改善。复合层在高温作用后的整体弯曲力学性能衰减并未因配网率的变化而减缓。(4)针对BFRP-FRCM复合层,开展扫描电镜试验,探究不同目标温度作用后试件的微观形貌变化,并阐述了微观结构变化与宏观力学性能的联系。研究表明:常温和200℃时,BFRP-FRCM复合层内部结构密实,水化生成物排列整齐,PVA纤维、玄武岩纤维网格、基材三者粘结性较好,复合层力学性能有所提高;400℃时,基材密实度大幅降低,结构疏松,PVA纤维已完全熔解,其残留孔道降低了复合层高温爆裂概率,此时玄武岩纤维网格轻微脱粘,导致复合层力学性能降低;600℃时,玄武岩纤维网格已严重脱粘,导致BFRP-FRCM复合层力学性能急剧降低。

关键词： 碳纳米管   Al基复合材料   分散性   力学性能  

摘要： Al中复合碳纳米管（Carbonnanotubes，CNTs），制备CNT增强Al基（CNT/Al）复合材料可提高强度、模量等力学性能。CNT综合性能优异，被广泛应用于复合材料的制备。但是CNT的高长径比会导致团聚缠绕影响性能发挥，为了使其更好的发挥性能，采用在其分散到基体之前先进行修饰的方法，这样会使团聚的CNT尽可能的分散开来，并能分散到基体中。解开CNT的团聚，以及提高CNT在基体中的分散性，是制备性能良好的复合材料的前提条件。为了提高CNT的在水溶液中的分散性，采用表面活性剂水溶液分散CNT，后续与Al混合经过冷冻干燥制备复合材料。　　以十二烷基硫酸钠（SDS）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）三种表面活性剂作为CNT的分散剂（CNT初始浓度为0.1g/L），制备了不同的分散液，同时为了选取分散效果优质的分散剂，通过紫外分光光谱吸光度法（UV-vis）测试了一系列浓度梯度分散液的吸光度值，吸光度值结果越大表明CNT在水溶液种分散的更均匀。UV-vis测试过程中CNT悬浮液在260nm处出现特征峰，SDS浓度为1.5g/L时，CTAB和SDBS的浓度均在0.6g/L时，CNT悬浮液的吸光度值达到最大;采取上述三种浓度的分散液进行离心试验，经3000rpm离心30min后SDS溶液下的CNT无明显分层，其余两种溶液下CNT出现少许分层现象。为了评价SDS溶液下CNT悬浮的稳定性，通过UV-vis测试了1.5g/LSDS溶液下CNT的吸光度值随时间的变化情况，并制备了CNT悬浮液标准工作曲线定量计算CNT浓度，结果表明：悬浮液中CNT的吸光度会随时间增加逐渐降低，在静置初始时，经标准工作曲线计算CNT浓度达到0.0987g/L，是初始值的98.7%;30h内下降较为平缓，CNT浓度为0.0834g/L，是初始浓度的83.4%。　　由于CTAB中不含有S等元素，且经热处理不会残留于基体中，CTAB不会对复合材料的性能产生影响，以CTAB水性分散液制备了CNT/Al粉末（以下称为溶液辅助分散法），将CNT在CTAB溶液中分散，再混入Al粉，磁力搅拌的同时边冷冻保证Al粉在CNT分散液中同时以悬浮的状态存在并将二者均匀混合的分散液冷冻，再进行冷冻干燥制备出CNT/Al粉末;同时通过V型混料机混料制备CNT/Al粉末（以下称混料法），并经过放电等离子烧结（SPS）制备复合材料，测试了不同烧结温度和不同CNT含量复合材料的力学性能，结果表明：在50MPa压力下，通过溶液辅助分散法制备的CNT/Al经SPS后随着烧结温度的增加，复合材料的硬度、拉伸强度以及压缩强度等性能呈现出先增加后减少的趋势;在600℃，***%CNT/Al烧结体硬度值为53.8HV，相对密度为99.9%，极限抗拉强度为232MPa，较纯Al烧结体提高了44.9%，其断裂伸长率为20.1%，仅比纯铝烧结体降低了2.1%，展现了良好的塑性;与混料法制备的0.25vol.%CNT/Al的烧结体相比极限抗拉强度提高了41.8%。

关键词： 材料力学   课程教学   应用型  

摘要： 以应用型高校为背景，积极思考与实践，对材料力学课程开展创新型教学。对不同的变形(拉压、扭转、剪切、弯曲)按照“外力—内力—应力—变形—强度校核—超静定结构”这一思路进行，由此对课程内容进行重新整理和排序，教学方法上采用课前回顾—导入阶段—提出问题—理论推导—回顾与总结。讲授过程中为每个知识点融入课程思政内容。设立土木工程创新工作室，搭建实践教学平台，助力考研专业课和各类竞赛，教赛相辅相成。在课程考核中，增加期中测试与阶段性测验等效果显著的过程性考核。经过3年的思考与实践，结果表明这种方法教学成绩突出，大大激发了学生的学习主动性，提高了课程的整体通过率，极大地提高了学生的专业知识、创新能力及科研素养。

关键词： 颗粒形态   剪切特性   散粒体   各向异性   离散元  

摘要： 散粒体材料在日常生活和工程活动中运用广泛,因其离散性常表现出一些特殊的力学行为,所以研究其力学特性具有重要实际意义。散粒体材料的宏观力学行为一般比较复杂,微观组构的各向异性对其强度、变形等力学特性有着重要影响。本文采用玻璃珠和钢珠两种球形颗粒材料以及四种典型的颗粒形态各向异性材料开展一系列室内力学特性试验,对不同长宽比的散粒体材料在剪切过程中的强度变化规律进行对比研究,利用颗粒流程序对三轴剪切试验过程进行模拟,与实际试验结果对比验证模型分析可行性,初步探讨剪切过程中数值试验模型细观参数的演变规律,主要工作如下:(1)对球形颗粒材料的进行三种类型的三轴剪切试验,并对试验结果进行了整理分析。分析表明,排水条件不同,试验会出现明显不同的结果,排水试验中对滞滑现象展开了讨论,不排水试验中反压的设置和孔隙水压的发展会对试验结果造成较大影响。研究表明,试样制备状态对滞滑的演变规律有着重要的影响,同时,剪切速率也会影响滞滑的发生。在玻璃珠材料的固结不排水试验中,反压的设置对试验结果有非常显著的影响,反压的提高会增加负孔压的变化量,孔压下降量最大可以超过400k Pa,而负孔压的不断增长会让试样越剪越强。达到临界状态线后,试样的强度主要受孔压的控制。(2)对典型各向异性材料进行了干样三轴剪切特试验研究,不同长宽比的各向异性材料应力-应变曲线表现出明显不同的特点,对产生此现象的原因进行了初步的分析。长宽比过大或过小对其强度影响都比较大,长宽比最大的颗粒材料其强度却最弱,相反,长宽比最小的材料其强度特别大,强度最大可以达到约1MPa。因为长宽比的大小会影响颗粒之间的排列,长宽比小,颗粒间排列会更加紧密,试样孔隙较小,甚至会比球形颗粒材料更加密实,因为球形颗粒之间依然会存在很大的孔隙,这就决定了较小长宽比材料的强度会高于其他几种材料,同时其峰值强度还能够超越球形颗粒材料,但最终会因为颗粒破碎的发生导致强度有所下降。(3)通过颗粒流程序进行了三轴试验的数值模拟,并与实际试验结果进行了对比分析验证了模型的合理性。对不同围压条件的模拟试验进行一些细观参数演化规律的总结,探求细观力学特性与宏观力学特性之间的联系。从数值试验结果来看,不同围压条件下接触组构的演变规律是相同的,开始为各向同性的状态,随着轴向偏应力的逐渐增加,接触会往竖直方向集中,横向各向异性会逐渐增加。颗粒间的相对位移量决定剪切后的试样形态,总体呈现X型剪切带,顶部和底部颗粒位移量的大小会影响试样鼓胀的位置,两者数量相当时,鼓胀会出现在试样中部。

关键词： 芳纶/玻纤混杂   经编双轴向复合材料   力学性能   低速冲击   有限元分析  

摘要： 近年来,市场中对于特定应用的高强度轻质材料的需求不断增加,混杂复合材料作为一种受认可和新兴的材料类别,带来了许多技术创新。混杂复合材料的优点是灵活性更高,可以根据设计要求定制材料特性。在冲击类混杂复合材料的应用中,常常将脆性纤维与韧性纤维结合,获得具有高冲击强度的混杂复合材料。本文选择芳纶纤维和玻璃纤维作为研究对象,实现面内的芳/玻混杂结构。采用真空辅助树脂传递模塑工艺,制造经编双轴向层内芳/玻混杂经编双轴向复合材料层合板,研究了芳纶/玻纤混杂经编双轴向复合材料的性能,并通过试验和有限元结合的方法对芳纶/玻纤混杂经编双轴向复合材料的铺层工艺进行研究,同时,探讨芳纶/玻纤混杂经编双轴向织物铺层工艺对复合材料性能的影响。首先,基于真空辅助成型技术制作芳纶/玻纤混杂经编双轴向复合材料,与同状态下玻纤双轴向经编复合材料做对比,测试了复合材料的拉伸、弯曲和低速冲击性能,并对获得的实验数据进行分析。结果表明芳纶/玻纤混杂使得该复合材料的整体性能更为突出,相比于同状态下的玻纤双轴向经编复合材料,基于芳纶/玻纤层内混杂的双轴向经编复合材料具有明显的优势;引入芳纶纤维能够显著增加编织复合材料的强度与断裂韧性;由此可知,基于芳纶/玻纤混杂的双轴向经编复合材料在拉伸、弯曲和冲击性能方面的优势,可以判断其在复合材料的使用上有着巨大的发展潜力。其次,利用万能材料试验机和落锤冲击仪研究了芳纶/玻纤混杂经编双轴向复合材料的三点弯曲性能和低速冲击性能,分析了不同铺层角度、铺层厚度和铺层顺序对芳纶/玻纤混杂经编双轴向复合材料性能的影响。实验结果发现铺层角度分布方向越均匀,应力分布也越均匀,从而增强了复合材料的承载能力,提高了抗弯曲性能和抗冲击性能;铺层层数增加会提高芳纶/玻纤混杂经编双轴向复合材料的弯曲性能和抗冲击性能,但随着层数的增加,厚度增加,对弯曲强度的影响较大,影响芳纶/玻纤混杂经编双轴向复合材料的弯曲性能;铺层织物中角度分层交替越均匀,弯曲性能和抗低速冲击性能越好。证实了在一定程度上可以通过合适的铺层设计来获得满足符合工况条件需要的复合材料。最后,使用ABAQUS有限元计算软件对芳纶/玻纤混杂经编双轴向复合材料进行多尺度建模,运用Texgen软件建立代表性体积单元几何模型,预测了芳纶/玻纤混杂经编双轴向复合材料的弹性常数和强度参数,建立宏观有限元模型,分析对比了不同铺层方式在低速冲击性能下的性能。将仿真结果与实验结果进行对比,验证细观模型和宏观有限元模型的有效性。

关键词： 无机胶复合竹   力学性能   高温处理   受弯性能   线弹性模型  

摘要： 随着保护环境的意识逐渐增强,木结构建筑再次进入到人们的视野,但建筑用木材材料强度低,离散型大,自然存量少,有着几十年甚至上百年的生长周期,严重限制了木结构发展。工程竹结构是由有机粘结剂和竹材制成,克服了木结构存在的诸多问题,但有机粘结剂在高温环境中,强度低,易产生有毒有害物质,导致工程竹在应用和推广上受到一定影响。无机胶复合竹是由硫氧镁无机胶制成,既保留了传统工程竹优异的力学性能,又具备良好的耐火性能和耐久性能,生产过程更是不存在有毒有害物质的掺入,真正做到了绿色低碳无污染,是未来建筑领域可以依赖的材料。本文通过材性试验和梁受弯试验,结合理论分析,对无机胶复合竹力学性能、高温处理后力学性能和梁的受弯性能进行了研究,主要内容如下:(1)通过受压试验、受拉试验、受弯试验和受剪试验,探究了无机复合竹顺纹受压强度、横纹受压强度、顺纹受压弹性模量、泊松比、受拉强度、受拉弹性模量、受弯强度、受弯弹性模量、顺纹受剪强度和横纹受剪强度等材料参数,分析了破坏形式和破坏机理。(2)通过高温处理无机胶复合竹试件的力学性能试验,探究了不同处理温度对颜色、质量损失率、顺纹抗压强度、抗拉强度和抗弯强度等物理力学性能的影响,并使用回归方程对强度随温度变化规律进行了拟合。(3)对带有微裂缝的梁、正常工艺水平下的普通梁、端部加钢板的梁进行受弯试验,研究了无机胶复合竹梁的破坏形式、极限承载力和跨中挠度,试验结束后,对带微裂缝的梁进行修复并植竖向钢筋,探究了无机胶复合竹梁可修复性和植竖筋后的受弯性能。(4)结合无机胶复合竹材料属性和梁的试验结果,利用线弹性模型对无机胶复合竹梁极限承载力和挠度进行了分析,并对理论值与计算值进行了对比。

关键词： 微波加热   温度控制   模糊PID   加热系统  

摘要： 微波加热凭借着加热高效以及加热均匀等优势,被众多工程领域所使用。同时由于国内外对材料测试等相关研究的持续深入,研究人员对材料力学性能测量装置有了更高的要求,即在对材料进行力学性能测试的同时可以对测试温度进行控制,以获得更贴近应用场景的材料力学性能数据。因此本文设计开发了一种微波加热温度控制系统,使用模糊PID算法来对加热系统的加热温度进行控制。该加热系统可以与实验室已有材料力学性能测量装置联合使用,实现材料的热力耦合加载,最后通过相关测试实验验证了该微波加热系统设计的可行性。本文主要研究工作如下: 首先对该微波加热系统进行了相关硬件设计,确定了微波加热系统的总体结构和加热系统主控制器的选型,构建了以红外测温技术为基础的温度测量方案,同时对微波加热系统的相关硬件电路进行了设计。本文还对微波加热系统的机械结构进行了设计,分别确定了微波加热谐振腔和微波传输系统的结构尺寸,完成了微波发生装置的选型,并对微波加热系统进行了三维建模。 其次针对微波加热系统的软件程序进行了设计,使用Free RTOS操作系统作为本文微波加热系统的软件操作系统,完成了微波加热系统其他子程序模块的程序设计。通过对微波加热系统的软件设计,本文微波加热系统可实现多种加热功能,以满足测试实验的不同加热需求。本文利用Qt开发框架开发了温度信息监控平台上位机,用于实时监控加热系统的加热进程,并对获得的温度数据进行存储和分析。 然后对微波加热系统相关温度控制算法展开了研究,就传统PID、模糊PID以及BP神经网络PID算法分别进行了探讨,并进行了仿真分析。结果表明,针对本文所搭建的仿真系统和控制对象,模糊PID算法的控制效果最好,BP神经网络PID算法其次,传统PID算法的控制效果最差,验证了本文温控算法选择的合理性,为微波加热系统温控算法的选取提供了参考。 最后结合对微波加热系统的软硬件设计数据,搭建了微波加热系统实验平台,通过加热测试实验对加热系统的相关加热功能分别进行了测试。测试实验结果表明,所设计的微波加热系统可以正常实现所要求的加热功能,具有较好的控温精度和控制品质,符合预期设计要求。