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关键词： 张拉整体超材料   增材制造   准静态压缩   冲击载荷   碰撞  

摘要： 随着舰船向快速化、大型化、现代化方向发展,对结构的轻量化、承载能力、抗冲击能力等提出了更高的要求。力学超材料具有低密高强、负泊松比等传统材料所不具备的特性,因此越来越受到研究者的关注,在船舶领域具有良好的发展前景。张拉整体超材料作为一种新型力学超材料,在微观尺度层面表现出具有独特的力学特性,本文将张拉整体超材料概念拓展至宏观尺度层面,开展其在静动态压缩载荷下力学特性研究,主要研究工作如下:(1)利用增材制造技术,设计并制造了7个张拉整体超材料试件,对其进行单轴准静态压缩实验,研究相对密度、杆件特征角度、密度梯度对其力学性能的影响。实验结果表明:准静态压缩载荷下,张拉整体超材料构件变形受弯曲主导,结构整体变形分布均匀,应力应变曲线具有稳定的大变形平台段。增大相对密度能大幅提高结构平均应力及吸能水平;特征角度对结构力学性能影响较小;密度梯度结构的变形模式为逐层塌陷失效,在高应变下比均匀密度结构具有更强的能量吸收能力。(2)建立了张拉整体超材料准静态压缩数值仿真模型,利用实验结果对模型进行验证,开展了张拉整体超材料力学性能仿真计算研究。结果表明:密度梯度设计改变了结构压溃模式,结构的失效模式为从低密度到高密度逐层塌陷失效。采用由低/中/高密度层堆叠方式能够降低结构的初始平台应力,并且使结构在高应变下拥有更高的刚度和强度;适当增大拉杆的杆径,可提高结构的承载能力和能量耗散能力;材料参数对张拉整体超材料力学性能的影响仅体现在力学特征量的绝对值上,而对其相对力学性能影响很小。(3)建立了冲击载荷下张拉整体超材料数值仿真模型,计算分析了张拉整体超材料结构在不同冲击速度下的压缩特性,并研究了高速冲击载荷下相对密度、阶梯密度及拉压杆径配比对张拉整体超材料的动态响应特性的影响,最后针对某双壳舷侧结构,将张拉整体超材料填充至双壳舷侧壳板之间,分析其在碰撞载荷下的防护性能,结果表明:张拉整体超材料具有良好的抗冲击防护作用,在等重量的前提下,将张拉整体超材料应用于双壳舷侧结构,能显著提高舷侧结构碰撞防护能力。本文研究工作为张拉整体超材料力学性能研究及工程应用提供了有益的参考。

关键词： 编织复合材料   二维三轴   多尺度分析   等效工程常数   损伤破坏  

摘要： 复合材料是指由两种或多种不同性质的材料在宏观(微观)上优化组成具有新性能的材料,一般包括增强相和基体相两部分,已在航空、航天等诸多领域得到广泛应用。现如今应用最为广泛的结构形式是层合板复合材料,其制造工艺相对成熟,但存在易分层、韧性低等缺点,这些缺点往往也限制了其在主承力场合上的应用。与层合板复合材料相比,编织类复合材料具有高比强度、高比刚度及抗分层等优势。本文的研究对象为二维三轴编织复合材料,其内部结构较为复杂,轴向纤维束与偏轴向纤维束(经纱、纬纱)相互交织,其力学性能及损伤破坏不仅仅受加载和约束等宏观因素的影响,也与各组分性能等细微观性能有关。为了更高效地利用二维三轴编织复合材料,掌握其细微观结构对其宏观性能的影响规律是十分必要的,故需要开展编织复合材料的多尺度研究。本文基于连续损伤力学,采用多尺度分析方法对二维三轴编织复合材料力学性能及损伤破环行为进行研究,主要研究内容及相关结论如下:(1)在微观尺度上,基于DIGIMAT建立了微观纤维束有限元分析模型,预测了其等效工程常数;基于HASHIN 3D失效准则,对不同加载下纤维束代表性体积单元进行了强度分析。结果表明,有限元模型预测结果与Chamis公式计算结果吻合度较高,其预测误差均小于12%。纤维束的纵向力学性能较强,横向和剪切力学性能主要依靠基体的性能,损伤主要集中在纤维与基体的接触区,并沿纤维边缘进行扩展。通过应力-应变曲线得到了纤维束的失效强度。(2)在细观尺度上,建立了考虑纤维束随纤维路径产生扭结缺陷的有限元模型,预测了不同编织结构的等效工程常数,并分析了编织工艺参数对其的影响;预报了材料在单轴拉伸和压缩加载情况下的应力分布情况。结果表明,影响规律与文献实验得出的规律一致。RVE整体应力分布并不均匀,纱线相互扭结区有明显的应力集中现象;横向压缩与纵向压缩性能差异较大,横向压缩载荷作用下的整体应力水平偏低。(3)在宏观尺度上,采用均匀化方法将细观模型等效为均质化单元,并将其阵列成宏观模型,基于ABAQUS/Explicit求解器及VUMAT子程序进行了宏观试件(不含缺陷、开孔缺陷、切口缺陷)的拉伸性能及损伤破坏行为研究。结果表明,拉伸强度与编织角呈反比例关系。Lekhnitskii理论开孔周边应力分布与有限元计算应力分布的整体趋势基本一致;平均应力失效准则预测不同开孔的强度值与有限元计算结果相对误差均小于5%。在试件宽度一致时,强度值和断裂应变与切口曲率半径呈反比例关系,且对于切口/开孔位置不敏感。

关键词： 钢纤维   日产PVA纤维   国产PVA纤维   配合比   力学性能   经济价值分析  

摘要： 混杂纤维水泥基复合材料是将两种或两种以上不同纤维按一定体积比例掺入水泥基体材料中而形成的一种复合材料,此种复合材料具有良好的抗压、抗拉、抗折、抗弯和抗剪等性能,且在拉伸和弯曲破坏时,具有高延性、应变硬化和多缝开裂的特征。与单掺纤维水泥基材料相比,混杂纤维水泥基复合材料采用刚度和弹性模量不同的纤维进行混掺,使不同纤维在不同受力阶段发挥作用,从而提高复合材料的力学性能。目前,纤维的成本占复合材料成本的80%,主要使用的纤维材料为钢纤维和聚乙烯醇(PVA)纤维,而PVA纤维主要以日产PVA纤维为主,其价格昂贵,限制其在工程领域的广泛应用。国产PVA纤维价格低廉,本文利用国产PVA纤维对日产PVA纤维进行替代再与钢纤维进行混合,在复合材料达到优异的力学性能或实际工程的要求,同时降低复合材料生产成本。本文主要将钢纤维、日产PVA纤维和国产PVA纤维通过单掺和混掺的方式对钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料的抗压性能、抗折性能、折压比、拉伸性能以及弯曲性能的影响规律进行研究,分析不同混掺方式和不同体积掺量的纤维对复合材料力学性能的影响规律。本文首先通过单因素试验研究日产PVA纤维和国产PVA纤维在不同体积掺量下对水泥基材料力学性能的不同影响规律,筛选出两种PVA纤维最佳纤维掺量。研究结果表明,两种PVA纤维均能对水泥基材料的强度和韧性有提升,最佳体积掺量均为2%。然后选取钢纤维体积掺量为0.2%和0.4%,P VA纤维总体积掺量为2%不变,进行交叉试验。国产P VA纤维以0%、25%、50%、75%和100%的体积掺量对日产PVA纤维进行替代,通过抗压试验、抗折试验、抗拉试验和抗弯试验探究不同国产PVA纤维掺量的替代率对钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料力学性能的影响规律,并通过分析其经济价值,选取最优的钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料的最佳配合比掺量。本文研究获得国产PVA纤维以100%的替代率与钢纤维进行混杂,其峰值压应变1%、极限拉伸应变4%、极限弯曲挠度10mm,同时其成本仅为日产P VA纤维与钢纤维混合制成的复合材料的20%,大大降低其成本,使得其能够在工程领域广泛应用创造条件。

关键词： 磷酸镁水泥   玄武岩纤维   力学性能   矿物掺合料  

摘要： 磷酸镁水泥(MPC)是由重烧Mg O与磷酸盐遇水后同时发生酸碱反应与水化反应后得到的一种无机胶凝材料,具有快硬早强、耐磨以及体积稳定性好等优点,但同时磷酸镁水泥基复合材料(MPCC)存在脆性大以及变形能力差等缺点。玄武岩纤维(BF)作为一种环境友好型纤维,其出色的抗拉强度、耐酸碱性以及耐高温性使其适用于增强MPCC的性能,但是目前国内外将玄武岩纤维用于MPCC的相关研究较少。因此,将玄武岩纤维掺入MPCC中以提升其力学性能,开发出具有高性能且环境友好型的MPCC具有重要意义。因此,本文首先通过试验探究各因素对MPC基材料的影响并确定后续试验的配合比,以期获得较高性能的MPC基体;其次,将其与玄武岩纤维复合制备BF-MPC,并对其力学性能进行研究;最后,探究矿物掺合料的掺入对BF-MPC性能的影响并进行龄期试验,结合宏微观分析探究玄武岩纤维对MPCC的增强机理。论文主要研究内容如下:(1)研究了不同长度与掺量的玄武岩纤维的掺入对MPC性能(流动度、抗压强度、抗折强度以及韧性)的影响。结果表明,MPC的流动度会随着玄武岩纤维掺量的增大而降低,但玄武岩纤维的掺入可以改善MPC上述其他性能。(2)研究了不同长度与掺量的玄武岩纤维的掺入对MPC抗冲击性能的影响。结果表明,玄武岩纤维的掺入特别是大掺量的短纤维对MPC抗冲击性能的改善作用最为显著,掺入1.5%长度为6mm玄武岩纤维的试件其初裂与终裂次数分别为不掺加玄武岩纤维的MPC的3倍与3.37倍。BF-MPC的初裂与终裂次数的概率分布很好的服从了Weibull分布,其破坏次数随着失效概率的增加而增大。(3)研究了不同掺量的矿物掺合料(粉煤灰、硅灰及偏高岭土)与不同长度的玄武岩纤维对BF-MPCC性能(凝结时间、流动度、抗压强度、抗折强度)的影响。结果表明,矿物掺合料的掺入可以增加BF-MPCC的凝结时间,同时由于矿物掺合料的形态效应、微集料效应以及活性效应改善BF-MPCC的流动度以及力学性能。(4)研究了长养护龄期的情况下BF-MPCC的强度发展。结果表明,BF-MPCC在养护龄期超过28d后其强度仍有很大的提高,其中强度提高最大的一组试件养护120d时的抗压强度和抗折强度与28d相比分别增长了79%与71%。

关键词： 针刺   石英针刺毡   复合材料   力学性能  

摘要： 三维针刺技术是一项相比于其它立体织物成型技术较简单的制作工艺,它在一定程度上解决了二维铺层技术无层间性能的问题、降低了立体织物的成本、缩短了制造时间和自动化程度较好。石英针刺毡复合材料是以石英针刺毡为增强体,环氧树脂为基体制作的复合材料,先设计并制备其针刺预制体,在经过真空辅助成型工艺制作成复合材料。石英纤维相比于其它玻璃纤维具有更加优异的电透波性能、热性能、介电性能和较低的成本,石英纤维凭借自身性能被广泛应用于航空航天中的天线罩体。在叠层针刺过程中,针刺参数影响着石英针刺毡的基本性能,不同的针刺参数对针刺预制体内部的影响不同,使得其内部孔隙和结构发生变化,从而影响了针刺毡整体性能和针刺预制体复合材料的力学性能。因此本文从针刺工艺对石英针刺毡的性能的影响出发,研究其在不同针刺工艺下石英针刺毡的性能变化,分析其改变原因和内部情况,研究了不同针刺工艺对其针刺机织布的影响、针刺预制体的拉伸性能、剥离性能、体密度和内部孔隙情况。通过研究石英针刺毡复合材料的力学性能及其破坏机理,分析了不同针刺密度下的石英针刺毡对其复合材料力学性能的影响及其破坏机理分析,为针刺工艺参数对石英针刺毡及其复合材料的力学性能影响提供实验和理论依据。本文采用了石英机织布和石英网胎为原料,以四种不同针刺深度、四种针型、四种不同针刺密度的针刺工艺来制作石英针刺毡,并使用四种针刺密度的石英针刺毡和环氧树脂制作石英针刺毡复合材料。研究其石英针刺毡的基本性能和石英针刺毡复合材料的力学性能,主要得出以下结论:(1)在其它针刺工艺相同的情况下,改变一种针刺工艺来对比这种针刺工艺对石英针刺毡性能的影响。随着针刺深度的增加,针刺毡变得更加密实,孔径变小,但针刺机织布的完整性随着针刺深度的增加而受到破坏,从而影响到石英针刺毡的拉伸性能,使其随着针刺深度的增加而降低,剥离性能受到纵向纤维束的数目和质量的影响,出现先增后减的趋势。在不同针型的影响下,刺针的粗细影响刺针在刺入织物后留下的孔洞大小,钩刺的形状和疏密程度影响刺针携带的纤维数量和对纤维的损伤情况,刺针越细、钩齿越小越疏的针型对石英机织布的损伤越小,制作的针刺毡整体性能较好。在一定面积内受到的针刺次数可以表示针刺密度的大小,随着针刺密度的增加,针刺毡更加密实、针刺毡拉伸性能下降、针刺毡的剥离性能先增后减,但不是针刺密度越大越好,针刺密度的增加使得纤维损伤断裂增加。结合整体针刺工艺,我们可以选取针刺深度11mm、刺针细且钩齿小而疏、针刺密度30针/cm的针刺工艺制作的石英针刺毡整体性能较好且纤维损伤断裂较轻。(2)石英针刺毡复合材料力学性能在随着针刺密度增加时有着不同的趋势。石英针刺毡复合材料拉伸性能趋势呈递减,剪切性能和弯曲性能趋势相近,在中间出现拐点,有着先增后减的趋势,压缩性能呈增加趋势。拉伸性能在无针刺对比样时最高,拉伸强度为104.62MPa;剪切性能在针刺密度50针/cm时达到最高,剪切强度为36.87MPa;弯曲性能在针刺密度为30针/cm时最好,弯曲强度为205.43MPa;压缩性能在针刺密度为70针/cm时最好,压缩强度为966.02MPa。针刺密度的增加使得石英针刺毡结构更加密实的同时也损伤了石英纤维,纵向纤维束随着针刺密度的增加得到增加,但纤维束增加到一定程度后会造成过刺使得其性能下降。结合整体力学性能,在针刺密度为30针/cm时整体性能较好,石英纤维的损伤情况较轻,且层间性能较好,可以根据样品使用环境选择其对应性能较好的针刺密度。

关键词： 道路工程   胶凝材料   抗压强度   重金属   离子置换  

摘要： 电解锰渣（EMR）属于第II类工业固废，内部含有大量的氨氮（NH+4—N）和可溶性锰(Mn2+),如果电解锰渣处置不当将会污染环境，影响人体健康。为解决此问题，以电解锰渣为基础，选择不同比例的矿渣、NaOH来制备胶凝材料，以此达到电解锰渣的无害化与资源化利用。结果表明：6%NaOH溶液、40%电解锰渣和54%矿渣为最佳配比，所制备的胶凝材料净浆硬化体3,7,28 d抗压强度分别为13.93,19.10,15.97 MPa; NaOH-电解锰渣-矿渣体系水化产物主要为C—S—H凝胶、钙矾石（AFt）和铁锰化合物，该水化产物可以为胶凝材料提供力学强度支持；同时，胶凝体系生成的C—S—H凝胶和AFt能对重金属及氨氮进行物理吸附、离子置换、化学沉淀；NaOH-电解锰渣-矿渣胶凝材料浸出的锰与氨氮均低于污水综合排放标准。

关键词： 道路及桥梁修复材料   硫铝酸盐水泥   橡胶   力学性能  

摘要： 随着时间的推移以及汽车行业的迅猛发展,水泥混凝土路面及桥梁破损现象屡见不鲜,同时,废弃橡胶轮胎的数量也日渐增多,为采用经济型、环境友好型方法解决水泥混凝土路面及桥梁损坏问题,本研究中用普通硅酸盐水泥（OPC）取代部分硫铝酸盐水泥（SAC）,并将废弃橡胶轮胎取代部分细骨料加入到硫铝酸盐水泥修复材料中,制备出了一种水泥混凝土路面及桥梁新型修复材料。本文对其进行了一系列相关试验,主要内容如下:（1）以不同OPC掺量（0%、20%、30%、40%）和不同橡胶掺量（0%、10%、20%、30%）分别取代SAC和细骨料,对不同养护龄期（2h、1d、7d、28d）的新型修复材料进行抗压强度与抗折强度试验,并从强度增长百分比、强度损失率以及折压比等方面分析OPC掺量和橡胶掺量对新型修复材料的影响。建立了新型修复材料强度与OPC、橡胶掺量、养护龄期三变量之间的定量关系且试验值与预测值误差较小。试验发现:OPC的掺入有加速SAC水化的作用,橡胶的掺入有提高韧性的作用,但随着OPC和橡胶掺量的增加,新型修复材料的抗压强度和抗折强度均呈现降低的趋势。（2）对不同OPC、不同橡胶掺量的新型修复材料进行初始流动度以及20min流动度试验,结果表明:掺入OPC增加了新型修复材料的初始流动度、20min流动度,而掺入橡胶降低了新型修复材料的初始流动度、20min流动度。（3）对新型修复材料进行了冻融循环试验和核磁共振试验,根据质量损失率以及相对动弹性模量分析了OPC和橡胶对新型修复材料抗冻性能的影响。并基于相对动弹性模量建立了新型修复材料抗冻性系数模型。试验发现:在未掺橡胶时,掺入OPC对新型修复材料的抗冻性能有不利影响。橡胶的掺入虽增加了孔隙率以及T右峰面积,但其良好的变形能力可以吸收冻胀力,提高了抗冻性。（4）对不同养护龄期、不同OPC掺量和不同橡胶掺量的新型修复材料进行了冲击试验,根据抗冲击次数、抗冲击耗能、冲击发展百分比评估了新型修复材料的抗冲击性能。结果表明:掺入OPC对新型修复材料抗冲击性能有不利影响,而加入橡胶可以提高新型修复材料的抗冲击性能。新型修复材料服从双参数Weibull分布,并计算了不同失效概率下各龄期的终裂冲击次数。（5）采用响应面法（RSM）中的Central Composite Design建立了新型修复材料各龄期的抗压强度、抗折强度、抗冲击初裂次数以及抗冲击终裂次数响应面回归模型。通过方差分析、模型精度分析、试验值与预测值对比分析,对建立的模型进行评估。并采用三维响应面图分析了OPC和橡胶共同作用时对新型修复材料性能的影响。用Numerial功能进行配合比优化,新型修复材料最优配比为OPC和橡胶掺量分别为20.6%、10%,经试验验证,试验值与预测值误差较小。

关键词： 氧化石墨烯   水化硅酸钙   分子动力学   力学性能   微观结构   高温  

摘要： 随着现代建筑业的发展,传统水泥基材料的性能越来越不能满足建筑需求,为了提高水泥基材料的力学性能,众多研究表明将墨烯纳米片(Graphene nanosheet,GN)/氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)加入水泥基材料是一种可行方法,但运用试验研究其增强机理成本巨大且很难观察到分子级别的现象。部分学者使用分子动力学方法来解决难题,由于水泥主要水化产物水化硅酸钙(C-S-H)的原子模型较多,模拟使用力场的不同,研究结果存在差异性,因而需要进行更深入的研究。本文采用分子动力学方法研究了GN/GO增强C-S-H力学性能的机理,包括对复合材料抗拉强度与杨氏模量变化的研究,并分析了高温对复合材料力学性能的影响及原因。本文的主要研究内容如下:(1)建立C-S-H、GN与GO的原子模型并验证。根据相关研究建立了真实的C-S-H原子模型以及GN、GO的原子模型,使用ReaxFF力场对各个模型进行拉伸模拟,并与之前的研究结果做对比。结果表明:所建立的模型与ReaxFF力场能较为准确的反映各材料的力学特性。(2)分析GN/GO增强C-S-H力学性能的机理。将GN/GO放入C-S-H基体中并使用ReaxFF力场研究复合材料的结构与力学性能。结果表明:1)GN与C-S-H的结合不良,因此对C-S-H抗拉强度、杨氏模量的提升作用不明显。2)GO通过表面的官能团能够与C-S-H构成氢键网络,形成相关化学键的连接,从而可以更好的提高C-S-H的抗拉应力与刚度。3)GN/GO能够改善C-S-H拉伸过程中的微裂缝发展。(3)研究高温对C-S-H,GN/C-S-H与GO/C-S-H力学性能的影响。通过改变各模型的模拟温度进行研究。结果表明:1)GN/GO能稳定C-S-H的结构。2)高温会破坏复合材料的氢键网络,但加入GO能够增加C-S-H中的氢键数量,降低氢键减少的比率,而加入GN则相反。3)高温会降低复合材料的力学性能,但加入GO能改善C-S-H抗拉强度、杨氏模量降低的情况,而GN对C-S-H抗拉强度减小的改善效果不明显,甚至会降低C-S-H的刚度。

关键词： 竹纤维复合材料   集成学习   力学性能   卷积神经网络   应力分布  

摘要： 植物纤维增强树脂基复合材料具有高比强度和比模量、环境友好、可再生等优点,在汽车、建筑和包装等领域具有巨大应用前景。然而,植物纤维增强树脂基复合材料组元结构参数的离散性、细观几何结构的复杂性和巨大的结构参数空间,导致复合材料结构和力学性能间的构效关系尚不明确,复合材料制备和优化缺乏指导,限制了材料优化与应用。本文以竹纤维增强棕榈油基树脂复合材料为研究对象,通过数值模拟、深度学习、集成式学习相结合的方法,实现复合材料细观力学机制、应力分布快速预测和多因素耦合下的力学性能预测。针对竹纤维增强棕榈油基树脂复合材料的复杂细观结构与力学性能关系尚不明确的问题,构建了基于PYTHON的ABAQUS二次开发模块,实现复合材料代表体积单胞模型的参数化自动建模,并对其应力应变分布进行有限元模拟。通过对比试验结果和有限元模拟结果,验证了所建立的复合材料细观力学有限元模型的可靠性。进而利用有限元模拟系统研究了竹纤维长度、竹纤维直径、竹纤维占比、参数耦合关系等对材料力学性能的影响。结果表明,树脂基体的力学性能、界面结合类型和竹纤维的体积分数对复合材料的力学性能有显著的影响。针对该复合材料巨大结构参数组合空间所导致的材料性能分析所需时间和经济成本巨大的问题,构建了基于复合材料细观结构几何图像快速预测其应力分布的深度学习方法。以832个复合材料二维结构应力分布有限元模拟结果为数据集对深度学习模型进行训练。结果表明,构建的模型能够提取和识别不同组成相的几何形态特征,同时能够通过复合材料应变率预测不同加载状态下材料应力分布的非线性变化,模型在验证集上的相关系数(模型的拟合效果)约0.92。相比于有限元分析方法,该模型能够在几秒内得到复合材料沿纤维方向二维结构、垂直纤维方向二维结构、三维结构的应力分布结果,具有更高的效率、实用性和准确性。针对复合材料力学性能受多因素耦合作用影响且参数空间巨大所导致的材料力学性能预测和诸多因素分析困难的问题,构建了基于复合材料结构参数快速预测拉伸强度的集成式机器学习模型(随机森林、梯度提升决策树、极端梯度提升和类别增强)。以82个复合材料代表单胞拉伸强度的有限元模拟结果为数据集对集成式机器学习模型进行训练,并通过交叉验证和Hyperopt工具对模型参数进行优化。结果表明,梯度提升决策树模型表现最佳,在验证集上的相关系数达到了0.791。特征重要性分析指出树脂类型是影响复合材料力学性能最为显著的因素,其次是竹纤维体积分数。集成学习方法可以基于较小量数值模拟数据实现复合材料力学性能的快速预测和主因素分析。本文探索了竹纤维增强棕榈油基复合材料力学性能有限元分析、基于几何形貌预测应力分布的深度学习、基于复合材料结构参数预测力学性能的集成式机器学习,揭示了该材料细观结构和力学性能构效关系,对该类复合材料的力学机理研究具有理论价值,对材料的开发优化具有应用价值。