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关键词： 离散单元法   颗粒材料   颗粒形状   颗粒粒径比   力学行为  

摘要： 颗粒材料是由大量离散固体颗粒构成的宏观体系,广泛存在于岩土工程、交通运输等诸多领域中。颗粒材料复杂的宏观力学性质是其组分颗粒的粒径、颗粒形状、堆积方式、颗粒间的接触关系、密实程度等系统内部各种细观结构要素共同作用的宏观体现。对于二元颗粒材料,颗粒粒径比作为影响其细观结构的重要因素,对二元颗粒材料的静力学性质有很大的影响。此外,颗粒形状作为颗粒的基本几何特征,对颗粒材料的细观结构也有很大的影响。目前,大多研究都是基于圆形颗粒或球形颗粒进行,实际的颗粒形状大多都是非球形或非圆形,因此,考虑颗粒形状对颗粒材料宏细观力学性质的影响具有十分重要的意义。本文基于离散单元法针对颗粒粒径比和颗粒形状对颗粒材料宏细观力学性质的影响进行了相关的研究,具体内容如下:首先从颗粒粒径比出发,讨论了大小颗粒粒径比对具有不同堆积结构的二元颗粒材料的静力学性质的影响。考虑了规则堆积、分层堆积和随机堆积三种堆积结构,分析了粒径比对二元颗粒材料在双轴压缩试验中剪切模量、强度以及剪切带的影响。对于规则堆积结构颗粒样本,粒径比对其强度和变形行为有显著的影响,粒径比越大,剪切强度越大,加载过程中发生的剪切膨胀越大。根据规则堆积结构颗粒样本的结构应力分析得到了峰值应力比与粒径比的理论关系式,并与数值实验结果进行了验证;对于分层堆积结构颗粒样本,相似的细观结构使得粒径比对其静力学性质的影响较小,数值计算采用的接触模型不同会导致双轴压缩试验过程中的剪切模量不同;对于随机堆积结构颗粒样本,在较大粒径比范围内,粒径比越小,其剪切模量越大,此时强力链主要分布在大颗粒-大颗粒接触中,弱力链分布在数量众多的小颗粒-小颗粒接触中。其次,针对由椭圆颗粒规则堆积构成的颗粒样本,研究了颗粒形状对其波传播行为的影响,其中颗粒的形状通过椭圆颗粒的长纵比来定量描述。主要关注了波传播过程中的能量衰减、波速、波前形状和频散行为。能量沿波传播方向指数衰减,并且受到长纵比和围压的影响;纵波波速与颗粒样本的细观结构有关,与长纵比正相关并且与围压呈幂律关系,通过分析分支组构张量得到了纵波波速与长纵比和围压的关系式;波前形状具有与颗粒样本组分颗粒相同长纵比的椭圆形状,通过速度传播路径分析了波前形状与长纵比的关系,得出了其解析表达式;颗粒样本的频散曲线可以由正弦形式曲线进行拟合,长纵比越大颗粒样本的频散越强。最后,引入率过程理论,研究了不同颗粒形状颗粒材料的蠕变及应力松弛行为,其中颗粒形状的变化通过长纵比和块性两种形状因子表征。调查了颗粒样本在蠕变过程中的蠕变及应力松弛过程中的应力衰减等宏观行为,发现对于长纵比和块性这两个形状因子,当一者较小时,另一者的增大会导致蠕变过程中颗粒样本的蠕变和蠕变率更大,颗粒样本进入二级蠕变阶段和进入三级蠕变阶段时的蠕变也更大,在应力松弛过程中颗粒样本的偏应力衰减更大,体积膨胀程度更低。然而,长纵比和块性在较大时会阻碍彼此对颗粒样本蠕变和应力松弛的影响,此时颗粒样本随长纵比或块性的变化规律不再遵循长纵比较小或块性较小时的变化规律。通过调查颗粒材料细观层面的配位数、接触力和接触力各向异性的演化规律,发现颗粒的长纵比和块性对颗粒样本的蠕变过程的影响主要来源于切向接触力与法向接触力比值的变化,对应力松弛过程的影响主要来源于颗粒样本法向接触力各向异性的变化。

关键词： 混合式教学   课程思政   材料力学  

摘要： 混合式教学模式的运用，有效遵循以学生为主体的教学原则，能够加强学生与教师之间的互动。在材料力学课程中落实混合式教学模式，还应注重课程思政的渗透，要落实材料力学课程的“育人”功效。对此，文章在混合式教学模式的基础上，从课前、课中与课后三个方面阐述了在优化教学模式过程中，应如何渗透课程思政元素。基于此，提出了可以结合案例教学、故事讲解等形式展开，旨在丰富当前高校“材料力学”的课程教学方式，落实立德树人的根本任务，引导学生形成正确的价值观。

关键词： Fe-20Cr-15Ni-6Al-2Mo材料   B2-NiAl   AlN   显微组织   力学性能   抗氧化性能  

摘要： 特种装甲装备及汽车的轻量化对整车的燃油转换效率、安全及环保方面十分重要。Fe-Cr-Ni-Al系合金,尤其20Cr Mo钢,抗氧化性能及耐蚀性十分优异,在装甲装备甲板、火炮及汽车领域具有良好的应用前景。为了实现材料的轻量化同时满足良好的力学性能,本课题引入密度较小的微纳米增强相,通过不同的制备方法制备复合材料并进行性能改善。首先采用机械合金化制备Fe-20Cr-15Ni-6Al-2Mo基体合金粉,B2-NiAl粉,通过热压烧结法制备x NiAl/Fe-20Cr-15Ni-6Al-2Mo(x=0,10,20,30 wt.%)复合材料、y AlN/Fe-20Cr-15Ni-6Al-2Mo(y=0,2,4,6,8 wt.%)复合材料、NiAl/Fe及AlN/Fe预制块,研究不同NiAl,AlN含量对Fe-20Cr-15Ni-6Al-2Mo材料组织,力学性能及600℃抗氧化性能的影响,优化NiAl,AlN含量,通过真空电弧熔炼法对优化后的成分体系进行制备,并对其进行900℃,1000℃,1100℃轧制处理,对材料的显微组织,力学性能及600℃抗氧化性能进行研究。主要结论如下:热压烧结制备的x NiAl/Fe-20Cr-15Ni-6Al-2Mo材料及y AlN/Fe-20Cr-15Ni-6Al-2Mo材料均表现为奥氏体基双相钢;二者密度均随第二相含量的增加而减小;导热系数均随增强相及温度的升高而增大,尤其30 wt.%NiAl与8 wt.%AlN材料室温导热系数较基体材料分别提高了67.59%与25.22%,600℃导热系数分别提高了40.38%%与30.14%;材料抗拉强度和断后伸长率均随增强相含量的增加呈先增后减趋势,20 wt.%NiAl材料抗拉强度和断后伸长率分别提高了106.76%和53.40%,2 wt.%AlN材料分别提高了105.45%和36.52%;当NiAl含量为30 wt.%,AlN含量为8 wt.%时第二相的加入大幅改善了材料的抗氧化性能,氧化速率分别为0.0297 g?m?h和0.0308 g?m?h,较基体材料分别降低了55.67%和54.03%,归因于试样表面致密AlO和CrO阻碍氧原子进一步内扩散。综合性能比较可知,NiAl相较AlN对材料的性能改善更为显著。真空电弧熔炼制备的Fe-20Cr-15Ni-6Al-2Mo材料(基体),20 wt.%NiAl/Fe-20Cr-15Ni-6Al-2Mo材料与2 wt.%AlN/Fe-20Cr-15Ni-6Al-2Mo材料热轧前后物相均未发生改变,仍为铁素体相、B2-NiAl相及AlN相;热轧后材料整体性能较铸态大幅改善,尤其是力学性能,基体材料1000℃热轧后抗拉强度较铸态材料提高了26.05%;20 wt.%NiAl材料900℃热轧后抗拉强度与断后伸长率较铸态材料分别提高了117.32%和156.91%,2 wt.%AlN材料1000℃热轧后抗拉强度与断后伸长率分别提高了295.47%和180.32%,归因于热轧产生的交滑移和攀移及合金晶粒细化的共同作用;综合性能对比可知三种材料的最优热轧温度分别为1000℃、900℃和1000℃。热压烧结制备的(20%wt.%NiAl,2%wt.%AlN)/Fe-20Cr-15Ni-6Al-2Mo材料物相由铁素体相,B2结构NiAl,AlN组成;密度为6.42 g/cm;室温及600℃导热系数分别升至15.76W/(m?k)和22.37 W/(m?k),较Fe-20Cr-15Ni-6Al-2Mo材料(基体)分别提高了56.19%,36.24%,较20 wt.%NiAl材料分别提高了7.58%,6.78%,较2 wt.%AlN材料分别提高了29.93%,12.24%,归因于B2-NiAl与AlN自身较高的导热系数;硬度升至55.84 HRC,较基体材料提高了10.55%,较20 wt.%NiAl材料提高了4.67%,较2wt.%AlN材料提高了7.97%,归因于较高硬度的第二相在材料起支撑作用;其600℃氧化速率为0.028 g?m?h,较基体材料降低了58.21%,较20wt.%NiAl材料降低了25.53%,较2wt.%AlN材料降低了29.82%,归因于第二相的加入使材料的晶界增多,加速了致密AlO和CrO的形成,阻碍氧原子进一步内扩散。

关键词： Cu-Ag纳米复合材料   分子动力学模拟   热-力耦合冲击   位错演化   塑性变形机制  

摘要： 由于其高强度和高导电性,Cu-Ag纳米复合材料是抵抗脉冲磁体上极强拉伸应力和迅速温升的最佳候选材料。在工作过程中,脉冲磁体反复承受着超强的洛伦兹力,磁体中通过的巨大电流还会使磁体温度在极短时间内迅速升高,这使得磁体结构承受着强大的力冲击和热冲击,给磁体的运行带来极大危害。本文运用分子动力学方法,通过模拟Cu-Ag纳米复合材料在热-力耦合冲击下的变形过程,从微观角度揭示了Cu-Ag纳米复合材料的力学行为和微观变形机理,为脉冲磁体长期稳定地运行提供了指导。文章首先基于实验观测结果,构建了Cu-Ag纳米复合材料的分子动力学模型。通过改变应变率和升温速率,模拟了力冲击和热冲击作用下的材料的变形过程。模拟结果表明:在力冲击下,由于应力集中,位错更容易在界面处形核和发射,并沿{111}晶面扩展。随着应变率的升高,材料内部被激活的位错源数目、位错密度和位错运动速度皆增加,材料的屈服应力和屈服应变均呈现增加趋势,材料表现出较强的应变率效应。在热冲击下,体系势能随着温度升高逐渐上升,原子的热运动加剧,原子偏离平衡位置,体系无序度不断增强。当温度达到熔点时,原子脱离平衡位置,排列变得无序,晶体结构发生显著变化,材料熔化。升温速率的增加会使材料内部无序度上升,以较高速率进行升温时,材料内部的高度无序化和原子的无规则运动会使系统能量增加,导致熔化相变的能垒降低,材料的熔点相应升高。其次,在阐明热、力冲击下材料变形行为的基础上,本文还研究了热-力耦合冲击下Cu-Ag纳米复合材料的微观结构演变。结果表明:在热-力耦合冲击下,由于位错形态、位错密度、位错运动方式以及材料塑性变形机制的差异,材料的位错形核应力和屈服应力随着应变率的降低和升温速率的升高而减小,塑性变形机制也随之由位错运动主导向非晶区域持续扩展导致的整体非晶化转变。最后,本文还建立了层合模型,对Cu-Ag纳米复合材料进行了冲击加载的分子动力学模拟,研究了冲击过程中的应力波响应、层裂强度以及微观结构演化。此外,还研究了冲击速度对层裂强度的影响,并从微观层面分析了造成层裂强度改变的原因。

关键词： 纤维增强喷射水泥基材料   玄武岩纤维   力学性能   断裂韧度   开裂风险评估   约束圆环收缩试验  

摘要： 随着我国交通基础设施建设的快速发展,交通网不断向地形、地质复杂地区延伸,隧道在新建公路、铁路中所占的比例越来越大,喷射混凝土需求量迅速增加。但是目前喷射混凝土存在着强度低、韧性差、内部缺陷多、易开裂等缺点。为了适应高地应力、大变形地区隧道支护需求,研究高强度、高韧性的喷射混凝土具有重要意义。本文以纤维增强喷射水泥基材料(Fiber Reinforced Spraying Cement-based Materials,FRSCM)为研究对象,通过三点弯曲韧性试验测定其断裂韧度,通过约束圆环收缩试验对其开裂风险进行量化评估。研究了玄武岩纤维掺量、玄武岩纤维长度、粉煤灰和硅灰对FRSCM力学性能的影响规律,并进行了影响因素显著性分析;基于双K断裂模型,研究了玄武岩纤维对FRSCM断裂参数的影响规律,并建立了断裂韧度与纤维参数间的三维关系模型;采用扫描电镜观察了FRSCM的微观形貌,印证了纤维的增韧阻裂机理和矿物掺合料对纤维界面过渡区的改善作用;研究了玄武岩纤维和矿物掺合料对FRSCM开裂性能的影响规律及发展趋势,对其开裂风险进行了量化评估。本文主要结论如下:(1)掺加玄武岩纤维有效提升了喷射水泥基材料的韧性,断裂能提升20%～35%,起裂韧度提升10%～25%,失稳韧度提升10%～15%。(2)玄武岩纤维降低喷射水泥基材料的开裂风险,平均应力速率降低了40%～50%,开裂时的应力开裂系数降低了15%～35%。掺加矿物掺合料后,平均应力速率提高了20%～50%,开裂时的应力开裂系数降低了40%～50%,进一步了降低开裂风险。(3)玄武岩纤维主要通过改变裂缝发展方向、阻止微裂缝扩展等方式发挥增韧阻裂作用。纤维和水泥基体间存在薄弱的界面过渡区,掺加矿物掺合料,可以填充界面过渡区间的孔隙,提高了界面黏结性能。(4)综合本文研究,为了得到高强度、高韧度、抗裂性能好的FRSCM,采用12mm长度、0.15%体积掺量的玄武岩纤维,同时掺加15%的粉煤灰和3%的硅灰。

关键词： 河湖泥沙   胶凝改性   力学性能   微观机理  

摘要： 河道湖泊中淤积泥沙的处理是世界性难题,大量的泥沙淤积会影响河流的泄洪和通航能力,给沿岸的农业生产、生态环境和社会带来不利影响,清淤后淤泥的露天堆放不仅会造成土地资源的浪费,还会带来严重的环境污染问题。本论文以河道淤积泥沙为原材料,研究了泥沙在不同改性剂、不同掺合料、不同养护条件改性后的力学性能和抗蚀性能,探索了使用改性河湖淤积泥沙研制防汛石材的可能性。并借助激光粒度分析、力学性能分析、X射线衍射分析(XRD)、热重分析(TG-DTG)及扫描电子显微镜分析(SEM-EDS)等测试对改性泥沙复合材料的力学、微观结构与反应产物等进行了分析。研究内容和结果如下:(1)以小滦河泥沙为原材料,硅酸钠溶液、生石灰、NaSO为改性剂对泥沙进行胶凝改性。改变硅酸钠溶液模数,生石灰、NaSO的掺量和养护条件,探究改性泥沙试件抗压强度变化规律和抗蚀性能。结果表明:改性泥沙试件抗压强度随硅酸钠溶液模数的减小而提高,模数过低会出现碱析出现象;在一定范围内,改性泥沙试件的抗压强度随生石灰掺量的增加而增加;硫酸盐类改性剂会引起试件崩解;自然养护和标准养护对试件抗压强度的影响差别不大,泡水养护会削弱试件后期强度,高温养护可以明显改善改性泥沙试件的力学性能。不加掺合料时改性泥沙试件在生石灰掺量10%,养护龄期为60d时抗压强度达到最高6.21MPa,且具有一定的耐水耐酸碱性能。(2)确定改性剂最佳掺量后,在泥沙复合材料中分别单独加入矿粉、粉煤灰、赤泥、煤矸石四种掺合料,探究掺合料种类、掺量对改性泥沙试件抗压强度和抗蚀性能的影响。结果表明:掺合料的加入能够大幅度提高改性泥沙试件的抗压强度,在一定范围内,抗压强度随着掺合料掺量以及养护龄期的增加而增加,其中矿粉对抗压强度促进作用最佳。加入掺合料后,改性泥沙试件在矿粉掺量30%,养护龄期为90d时抗压强度达到最高34.12MPa,远高于无掺合料改性泥沙试件,其抗蚀性能也优于无掺合料改性泥沙材料。(3)为了少使用矿粉、粉煤灰而多用赤泥、煤矸石等工业废料,使用赤泥、煤矸石分别替代部分矿粉、粉煤灰,从而探究两种掺合料复掺对改性泥沙复合材料力学性能和抗蚀性能的影响。结果表明:掺合料复掺改性泥沙试件抗压强度随矿粉、粉煤灰用量的增加和赤泥、煤矸石掺量的减少而增加。且掺合料复掺改性泥沙材料的耐水耐酸碱侵蚀性能与掺合料单掺改性泥沙材料相似,相较于无掺合料改性泥沙复合材料有明显提升。掺合料复掺时,改性泥沙试件在矿粉掺量12%、赤泥掺量3%,养护龄期为90d时抗压强度达到最高22.51MPa,具备一定的耐水耐酸碱性能,满足作为防汛石材的条件。(4)XRD、TG-DTG、SEM-EDS测试结果表明,改性后泥沙的矿物晶相相较于原样钠长石和微斜长石衍射峰有所降低,且有新的方解石、水化硅酸钙衍射峰生成,加入掺合料后衍射峰变化更加明显;改性泥沙吸热峰变化相较于改性前在100℃-250℃时C-S-H凝胶和结合水分解质量损失有所增加;改性后泥沙试件产物为絮状C-S-H凝胶和Ca CO,提高了试件的致密性。

关键词： 双轴向经编织物   复合材料   铺层工艺   拉伸性能   弯曲性能  

摘要： 为探究碳纤维双轴向经编织物铺层工艺及其复合材料的力学性能,采用碳纤维双轴向经编树脂预浸料,经过热压的固化方式制备复合材料,从碳纤维的铺层角度、铺层层数和铺层克重三个方面探究其对拉伸性能和弯曲性能的影响。结果表明:铺层角度为[0°/45°]的复合材料板拉伸断裂强度比[0°/0°]和[0°/90°]两块板提高297.1%。铺层层数增加,拉伸断裂强度增加,铺设4层板的断裂强度比2层的提高22.9%。铺层克重增加,拉伸断裂强度降低,PN600的断裂强度比PN300降低10.7%。铺层角度为[0°/0°]和[0°/90°]的复合材料板弯曲强度相似,而[0°/45°]板纬向弯曲强度比经向提高109.5%。铺层层数增加,弯曲强度降低,4层板的弯曲强度比2层板的降低2.1%。铺层克重增加,弯曲强度增加,PN600的弯曲强度比PN300提高27.6%。

关键词： 课程改革   校企合作   实践创新能力   课程评价  

摘要： 依托皖西学院土木工程省级一流专业建设,对“材料力学”课程进行改革,总结新工科背景下面向土木类人才培养的课程改革措施与经验。实践表明,通过改革课程内容、改革实践教学、改革教学内容组织方式、改革课程评价等,将实践创新能力培养融入到实践教学环节,充分利用实验室、实践基地、创新平台、社会服务等,探索人才实践创新能力培养的新途径。

关键词： 材料力学   结构力学   弹性力学   简支梁   竖向位移   转角位移  

摘要： 位移计算是变形体力学的一个重要研究内容,材料力学、结构力学及弹性力学都涉及到结构或构件的位移计算,不同课程由于其计算假定及研究对象的复杂程度不同,往往会导致同一结构或构件的位移计算出现差别。本文以矩形等截面简支梁为研究对象,对比分析了三门力学课程获得的位移解答,指出了材料力学、结构力学获得近似解的原因。另外,在结构力学中利用单位荷载法推导了简支梁任意位置处的位移解答,消除了一般结构力学教材好像只能求结构或构件某位置竖向和转角位移的刻板印象。在课堂上若能将三门课程计算位移的区别厘清并融会贯通,不仅会提高学生的学习兴趣,而且会使学生加深对三门力学课程的认识。

关键词： 等强度梁   结构优化设计   材料力学   弯曲变形  

摘要： 工程中常用的梁结构因各横截面上的弯矩不同,采用等截面梁时,材料不能得到充分利用,经济性较差。若采用等强度梁,可以使所有截面上的最大应力同时达到材料的许用值,充分挖掘梁结构的承载潜能,提高材料利用率。本文从优化设计角度出发,求解等强度梁截面几何尺寸沿轴线变化的情况,有助于在一般情况下深化对等强度梁设计的理解。