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基于模拟-建模研究化学与温度对难熔高熵合金力学行为和变形机制的影响

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Acta Mechanica Sinica 2024年第2期40卷 103-115页

作者：李甲任思危刘彬 Peter K.Liaw 方棋洪 State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body College of Mechanical and Vehicle EngineeringHunan UniversityChangsha410082China State Key Laboratory of Powder Metallurgy Central South UniversityChangsha410083China Department of Materials Science and Engineering The University of TennesseeKnoxville37996USA

难熔高熵合金在高温下表现出优异的性能,突破了传统高温合金的工作温度上限.我们采用原子模拟研究了化学元素分布和温度对等原子比MoNbTaW难熔高熵合金变形机制的影响.根据微观结构演化,建立了基于微观结构的本构模型,定量评估多种强化... 详细信息

难熔高熵合金在高温下表现出优异的性能,突破了传统高温合金的工作温度上限.我们采用原子模拟研究了化学元素分布和温度对等原子比MoNbTaW难熔高熵合金变形机制的影响.根据微观结构演化,建立了基于微观结构的本构模型,定量评估多种强化机制的贡献.结果表明,应变硬化后,流动应力随应变呈锯齿状剧烈波动.由于退火结构的溶质浓度降低,温度升高降低了应变硬化率和流动应力波动幅度.变形孪晶在变形机制中起着关键作用,能够通过位错基塑性和晶粒中的非晶形核进一步调节局部变形.有序结构的存在强烈影响了应力和应变分配.固溶强化和晶界强化对流动应力的贡献很大,孪晶强化对流动压力的贡献很小.原子模拟和力学模型为深入理解难熔高熵合金变形行为及性能的精确预测提供依据.

关键词：流动应力固溶强化强化机制高温合金高熵合金变形机制晶界强化溶质浓度

全面深化新工科建设中“理论力学”课程内容体系探索

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教育教学论坛 2024年第7期 9-12页

作者：方棋洪冯慧刘又文刘彬湖南大学机械与运载工程学院湖南长沙410082 中南大学粉末冶金国家重点实验室湖南长沙410083

全面深化新工科建设是为适应时代发展,响应国家战略和新兴产业发展需求,培养具有全球视野、创新精神和实践能力的复合型人才。“理论力学”是高校理工类专业必修的专业基础课程,是从基础理论学习迈向专业学习的关键一步。基于新工科建... 详细信息

全面深化新工科建设是为适应时代发展,响应国家战略和新兴产业发展需求,培养具有全球视野、创新精神和实践能力的复合型人才。“理论力学”是高校理工类专业必修的专业基础课程,是从基础理论学习迈向专业学习的关键一步。基于新工科建设对人才培养的目标,通过对“理论力学”课程体系和教学内容的思考、探索和实践,提出了几点有特色的建议,注重培养学生逻辑推理能力、强化问题分析能力、加强发散思维训练,激励学生科技报国,激发学生自主学习,为后续“理论力学”课程内容体系改革提供参考和思路。

关键词：新工科理论力学创新思维自主学习研究性教学

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考虑流固耦合作用屋顶游泳池减振效应研究

工程力学 2023年第8期40卷 138-148页

作者：金波郭荣方棋洪湖南大学土木工程学院工程结构损伤诊断湖南省重点实验室长沙410082 湖南湖大建设监理有限公司长沙410082 湖南大学机械与运载工程学院长沙410082

某结构计划在屋顶设计标准游泳池,游泳池下部为一大跨度多功能会议室,对其进行抗振性能研究成为设计方案能否实施的关键。该文将屋顶游泳池视为调谐液体阻尼器(TLD)装置,基于位移-压力格式有限元方法,给出了TLD-结构体系流固耦合运动方... 详细信息

某结构计划在屋顶设计标准游泳池,游泳池下部为一大跨度多功能会议室,对其进行抗振性能研究成为设计方案能否实施的关键。该文将屋顶游泳池视为调谐液体阻尼器(TLD)装置,基于位移-压力格式有限元方法,给出了TLD-结构体系流固耦合运动方程。应用ABAQUS软件建立了流固耦合实体模型,并基于TLD等效非线性调谐质量阻尼器(TMD)理论,在SAUSAGE中建立了等效调谐质量(等效TMD)模型。研究了地震荷载作用下屋顶游泳池对结构抗振性能的影响,分析了流固耦合作用的减振效率。研究结果表明:流固耦合运动方程求解与ABAQUS软件数值模拟的位移与加速度时程曲线具有较好的一致性,验证了流固耦合运动方程的准确性;大跨屋顶标准游泳池对结构在X与Y方向的地震响应均有明显的抑制作用,结构的第一阶模态振动减振效果要优于第二阶模态;流固耦合模型在地震作用下的楼层位移与基底减振率相较于不考虑流固耦合作用的等效调谐质量模型有明显提高,在设计屋顶游泳池时应充分考虑流固耦合作用的影响。

关键词：结构振动控制流固耦合位移-压力格式调谐液体阻尼器屋顶游泳池

考虑渗流效应的深埋海底隧道围岩与衬砌结构应力场研究

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力学学报 2022年第5期54卷 1322-1330页

作者：金波胡明方棋洪湖南大学土木工程学院工程结构损伤诊断湖南省重点实验室长沙410082 湖南湖大建设监理有限公司长沙410082 湖南大学机械与运载工程学院长沙410082

深埋海底隧道经常处于高水压工况,地下水渗流对隧道围岩及衬砌结构安全性有较大影响.本文提出了一种含衬砌深埋海底隧道力学模型,研究了海底隧道服役阶段地下水渗流对围岩及衬砌结构稳定性的影响机理.应用保角映射方法将包含海水与围岩... 详细信息

深埋海底隧道经常处于高水压工况,地下水渗流对隧道围岩及衬砌结构安全性有较大影响.本文提出了一种含衬砌深埋海底隧道力学模型,研究了海底隧道服役阶段地下水渗流对围岩及衬砌结构稳定性的影响机理.应用保角映射方法将包含海水与围岩弹性区的半无限域映射成圆环域,根据渗流边界条件建立了各界面间极坐标下的渗流方程,得到了海底隧道渗流场解析解.将渗流场以体积力形式作用到应力场中,根据应力边界条件建立了应力平衡方程,基于考虑中间主应力影响的Drucker-Prager(D-P)准则,得到了渗流效应影响下围岩与衬砌结构的弹塑性解析解.以深圳妈湾跨海通道工程为例,将解析解与有限元数值解进行了对比,验证了本文理论解的准确性,研究了渗流效应对隧道围岩与衬砌结构应力场的影响规律.最后,分析了海水深度与内水水头对塑性区半径的影响.研究结果表明:渗流效应对围岩与衬砌结构中的环向应力影响显著,径向应力随ρ增大呈非线性增长;随着海水加深,隧道承受水压不断加大,围岩塑性区范围显著增大;增加内水水头可以有效限制围岩塑性区发展,初始阶段限制效果明显,后续增加内水水头限制效果逐渐减弱.

关键词：深埋海底隧道渗流效应保角映射 Drucker-Prager准则弹塑性解析解

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浅埋海底隧道围岩应力复势函数显式解

力学学报 2023年第7期55卷 1505-1516页

作者：金波田俊彤方棋洪湖南大学土木工程学院工程结构损伤诊断湖南省重点实验室长沙410082 湖南湖大建设监理有限公司长沙410082 湖南大学机械与运载工程学院长沙410082

利用弹性复变函数理论将浅埋海底隧道简化为半无限平面问题,考虑围岩自重和海水压力的影响,对隧道开挖后的围岩应力分布进行研究.采用分式映射函数将围岩域映射为像平面圆环域,在圆环域内将复势单值解析函数展开为Laurent级数.利用无穷... 详细信息

利用弹性复变函数理论将浅埋海底隧道简化为半无限平面问题,考虑围岩自重和海水压力的影响,对隧道开挖后的围岩应力分布进行研究.采用分式映射函数将围岩域映射为像平面圆环域,在圆环域内将复势单值解析函数展开为Laurent级数.利用无穷远点应力有界性对Laurent级数幂次项进行确定,根据地表边界和孔口不均匀应力边界条件得到Laurent级数系数迭代表达式,将已确定的Laurent级数条件代入迭代表达式中得出复势函数显式解,从而实现复势函数系数从低次幂迭代至高次幂.根据应力分量的复变函数表达式即可得到隧道周围各点应力分量.研究了两个单值解析函数取不同幂次时对结果的影响,分析了浅埋隧道埋深对环向压应力的影响.研究结果表明:幂级数解具有较高的可靠性,在隧道上半部分幂级数解与有限元数值解吻合效果良好,在隧道下半部分幂级数解最终计算结果比有限元结果相对保守;为了保证计算结果的准确性复势函数需取足够多项;随着隧道埋深增大,隧道底部及两侧孔腰处环向压应力不断增大;腰部与底部环向应力的差值也随之增大.

关键词：弹性半无限体复变函数幂级数解围岩应力海底隧道

人工智能结合大数据技术在材料拉伸性能教学中的应用

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力学与实践 2022年第1期44卷 212-217页

作者：李甲方棋洪湖南大学机械与运载工程学院长沙410082

针对材料拉伸试验获得应力-应变曲线随机性及不确定性问题,开展了人工智能结合大数据技术确定材料弹性模量、屈服强度和极限强度的教学方法。通过读取拉伸数据并构建数据库,运用概率统计理论建立合理的应力-应变曲线,并结合人工智能评... 详细信息

针对材料拉伸试验获得应力-应变曲线随机性及不确定性问题,开展了人工智能结合大数据技术确定材料弹性模量、屈服强度和极限强度的教学方法。通过读取拉伸数据并构建数据库,运用概率统计理论建立合理的应力-应变曲线,并结合人工智能评估现有试验结果准确性及失效原因。人工智能与大数据技术辅助的创新教学方法,将成为材料力学教学重要的发展方向,并培养学生通过大数据视角理解材料变形不确定性的能力和科研兴趣。

关键词：人工智能大数据单轴拉伸材料力学性能

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关于负泊松比的材料力学课程教学拓展与探索

力学与实践 2023年

作者：韦凯方棋洪湖南大学机械与运载工程学院

泊松比是材料力学课程中教学的重要力学概念与材料弹性常数之一，本文对现有材料力学课程中泊松比教学内容进行了拓展和补充，引入了负泊松比效应概念，并介绍了常见的负泊松比材料及其力学性能优势。重点基于内凹蜂窝超材料，详细介绍... 详细信息

泊松比是材料力学课程中教学的重要力学概念与材料弹性常数之一，本文对现有材料力学课程中泊松比教学内容进行了拓展和补充，引入了负泊松比效应概念，并介绍了常见的负泊松比材料及其力学性能优势。重点基于内凹蜂窝超材料，详细介绍了实现负泊松比效应的超材料力学理论分析及其教学实践；并借鉴虚拟仿真实验概念，应用有限元数值分析方法，对超材料的负泊松比效应进行仿真分析与讨论，直观地展示了超材料的力学变形模式及其负泊松比效应。从而以此为切入点，加深学生对弯曲内力、挠度、应变、泊松比等重点知识的理解与实践运用。

关键词：材料力学负泊松比超材料有限元分析

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混凝土构件中钢筋非均匀锈胀力研究

固体力学学报 2022年第4期43卷 456-466页

作者：金波孙楠方棋洪谢军湖南大学工程结构损伤诊断湖南省重点实验室长沙410082 湖南大学土木工程学院长沙410082 湖南大学机械与运载工程学院长沙410082 中铁七局集团第三工程有限公司西安710032 湖南湖大建设监理有限公司长沙410082

研究钢筋锈蚀引起混凝土保护层开裂的机理,对于评估受锈蚀影响的混凝土结构剩余寿命具有重要意义.论文提出了一种求解钢筋非均匀锈蚀应力场的解析方法.基于Muskhelishvili的复变函数法和Verruijt共形映射公式,利用基于冯·米塞斯分布的... 详细信息

研究钢筋锈蚀引起混凝土保护层开裂的机理,对于评估受锈蚀影响的混凝土结构剩余寿命具有重要意义.论文提出了一种求解钢筋非均匀锈蚀应力场的解析方法.基于Muskhelishvili的复变函数法和Verruijt共形映射公式,利用基于冯·米塞斯分布的钢筋非均匀锈蚀模型作为位移边界条件,得到了钢筋非均匀锈胀应力的解析解,所得结果与ANSYS有限元模拟结果一致.研究表明:非均匀锈蚀引起的最大锈胀力远大于均匀锈蚀引起的最大锈胀力;钢筋直径越大,锈胀力越小,混凝土保护层越容易开裂;混凝土保护层厚度越大,锈胀力越大;混凝土强度等级越高,钢筋锈胀力亦越大.

关键词：钢筋锈蚀混凝土复变函数解析解锈胀力

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沉淀强化高熵合金屈服强度及本构模型研究

Acta Mechanica Sinica 2023年第6期39卷 1-11页

作者：任思危李甲冯慧 Peter K.Liaw 方棋洪 College of Mechanical and Vehicle Engineering Hunan UniversityChangsha 410082China Department of Materials Science and Engineering The University of TennesseeKnoxvilleTN 37996USA

沉淀强化高熵合金表现出优异的强度和延展性.然而,由于现有的模型忽略了高熵合金中复杂化学元素、析出相尺寸分布和空间分布在内的关键作用,使之无法准确预测高熵合金中固溶强化和沉淀强化对屈服强度的贡献.此外,还缺乏统一的强度模型... 详细信息

沉淀强化高熵合金表现出优异的强度和延展性.然而,由于现有的模型忽略了高熵合金中复杂化学元素、析出相尺寸分布和空间分布在内的关键作用,使之无法准确预测高熵合金中固溶强化和沉淀强化对屈服强度的贡献.此外,还缺乏统一的强度模型来分析高熵合金中的屈服强度.本文建立了考虑尺寸分布和空间分布的沉淀强化模型,与现有模型相比,该模型具有更高的精度.结果表明,沉淀强化在屈服强度中起主要贡献作用.此外,空间分布对沉淀强化的影响比析出相尺寸分布的影响更显著.该模型为确定高熵合金的沉淀强化和屈服强度提供了理论框架,并为设计高强度高熵合金提供指导.

关键词：沉淀强化固溶强化高熵合金屈服强度尺寸分布析出相强度模型现有模型