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材料导报 2019年第14期33卷 2419-2425页

作者：盛鹰朱星亮曾祥国贾彬文军工程材料与结构冲击振动四川省重点实验室绵阳621000 西南科技大学土木工程与建筑学院绵阳621000 西南交通大学数学学院成都610031 四川大学建筑与环境学院成都610065

利用提出的多尺度五区数值模型,实现了单边裂纹的平板α铁在宏观载荷作用下三个不同尺度(原子尺度、细观尺度、连续介质尺度)力学参量之间的耦合及传递,模拟了裂尖变形和裂纹扩展的多尺度演化过程。根据多尺度五区数值模型将平板建设为... 详细信息

利用提出的多尺度五区数值模型,实现了单边裂纹的平板α铁在宏观载荷作用下三个不同尺度(原子尺度、细观尺度、连续介质尺度)力学参量之间的耦合及传递,模拟了裂尖变形和裂纹扩展的多尺度演化过程。根据多尺度五区数值模型将平板建设为五个区域。其中:Ⅴ区为宏观尺度区,利用有限元方法对单边裂纹板进行动态数值分析,基于虚拟裂纹闭合法(VCCT)计算应力强度因子KI;Ⅳ区为包围裂尖的细观尺度有限元模型,Ⅳ区与Ⅴ区宏观尺度模型通过有限宽板应力强度因子表达式联系,从而获得Ⅳ区细观断裂模型的应力边界,并将其用于有限元加载,获得该区的位移场;Ⅰ区为嵌在Ⅳ区内的分子动力学模型区,通过该区的分子动力学计算可获得裂纹扩展和裂尖变形的机制,模拟裂纹分叉、堆垛层错、空位微观变形与失效机制等;Ⅱ区和Ⅲ区为分子动力学Ⅰ区与连续介质Ⅳ区之间的交互影响区,有限元结果通过Ⅲ区为分子动力学区提供载荷条件,分子动力学结果借助于Ⅱ区修正有限元的边界条件,实现了原子尺度离散区与连续介质区力学参量之间相互影响的动态耦合。

关键词：裂纹扩展裂尖变形多尺度数值模型虚拟裂纹闭合法分子动力学

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碳纤维/环氧2.5D机织复合材料柱壳力学性能及损伤机制

碳纤维/环氧2.5D机织复合材料柱壳力学性能及损伤机制

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作者：王遵钦江南大学

学位级别：硕士

纤维增强树脂基复合材料具有质量轻、强度高和耐腐蚀等特性,在深海耐压柱壳上得到了广泛的应用。深海外压环境下,复合材料柱壳会同时承受轴向与径向的压缩载荷,而随着服役水深的不断增加,现有的层合复合材料柱壳往往因易分层而导致最终... 详细信息

纤维增强树脂基复合材料具有质量轻、强度高和耐腐蚀等特性,在深海耐压柱壳上得到了广泛的应用。深海外压环境下,复合材料柱壳会同时承受轴向与径向的压缩载荷,而随着服役水深的不断增加,现有的层合复合材料柱壳往往因易分层而导致最终失效。2.5D机织复合材料具有空间层层角联结构,可从根本上克服了层合复合材料易分层的缺陷,且具有良好的结构可设计性和近净成形的优势,为“轻强协同”深海耐压柱壳提供了重要途径。本文以深海耐压壳为需求牵引,选用T700-12K碳纤维,设计并织造了不同结构参量的2.5D机织柱壳预制体,利用树脂传递模塑工艺(RTM)制备了厚径比为0.04、0.07和0.10的2.5D机织复合材料柱壳。在此基础上,采用试验和数值模拟相结合的方法,阐明了2.5D机织复合材料柱壳的压缩失效机理,以期为低容重比(重量与排水量之比)深海耐压壳的选材提供理论依据。论文主要研究内容及结论如下:(1)针对不同厚径比的2.5D机织复合材料柱壳,开展准静态轴向压缩试验,获取其载荷位移曲线和力学特征值。结合高速摄影图像和声发射技术,分析了试样的渐进损伤行为,探究厚径比对复合材料柱壳轴压力学特性的影响,揭示其失效机理。结果表明,2.5D机织复合材料柱壳的厚径比对其轴向损伤具有重要影响。厚径比为0.04、0.07和0.10时,其峰值载荷和吸能值分别为64.86kN和397.50J、129.63kN和1111.70J、179.49kN和1257.20J。同时,厚径比为0.04和0.07时,其失效主要以局部屈曲为主,而当厚径比增加至0.10时,柱壳从薄壁转化至中厚壁,失效则以纤维的横向剪切为主。此外,与厚径比为0.04的试样相比,其它试样在弹性阶段的AE信号活跃,说明试样内部在前期发生了较多轻微损伤。(2)针对不同厚径比的2.5D机织复合材料柱壳,结合高速摄影图像和声发射技术,开展准静态侧向压缩试验,探究厚径比对复合材料柱壳侧压力学特性的影响,揭示其失效机理。结果显示,2.5D机织复合材料柱壳的厚径比对其侧压力学性能具有显著影响。厚径比为0.04、0.07和0.10时,其峰值载荷和吸能值分别为2.09kN和54.29J、6.33kN和141.66J、11.51kN和146.30J。同时,厚径比为0.04时,试样两侧发生纤维的剪切故呈现脆性断裂特征,而当厚径比增加至0.10时,柱壳由薄壁转化为中厚壁,失效则以分层损伤为主进而导致试样出现塑性特征。基于AE特征参数的聚类结果能正确地描述2.5D机织复合材料柱壳的损伤模式,其中CLUS1、CLUS2和CLUS3的聚类结果分别代表基体开裂、纤维断裂和分层的损伤模式。(3)考虑单胞细观结构,构建了2.5D机织复合材料柱壳多尺度数值模型,引入三维Hashin失效准则和刚度折减演化模型,开展了不同厚径比柱壳在压缩条件下的力学性能和渐进损伤特性的研究,并结合试验结果阐明了失效机理。研究表明,数值模拟的峰值载荷及损伤形貌与试验相吻合。此外载荷达到峰值时,厚径比为0.02和0.04试样的表面有多处区域发生应力集中,而当厚径比增加至0.10时,柱壳从薄壁转化至中厚壁,其表面应力分布相对均匀,仅在中间位置存在应力集中现象。最终在失效时,薄壳表面应力集中的位置因发生塑性变形导致屈曲失效,而厚壳则在应力集中区域发生严重的纤维损伤造成强度失效。

关键词： 2.5D机织复合材料耐压柱壳厚径比压缩力学性能多尺度数值模型失效机理

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GH3625合金激光选区熔化成形应力演变多尺度分析及控制

GH3625合金激光选区熔化成形应力演变多尺度分析及控制

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作者：鹿超龙重庆大学

学位级别：硕士

激光选区熔化是通过逐层铺粉、逐层加工的激光快速成形技术,该技术可以实现复杂精密件的直接成形,具有成形构件高致密度和高尺寸精度等特点,在生物移植和航空航天等领域得到广泛应用。激光选区熔化技术成形过程中涉及复杂的物理化学现象... 详细信息

激光选区熔化是通过逐层铺粉、逐层加工的激光快速成形技术,该技术可以实现复杂精密件的直接成形,具有成形构件高致密度和高尺寸精度等特点,在生物移植和航空航天等领域得到广泛应用。激光选区熔化技术成形过程中涉及复杂的物理化学现象,工艺参数敏感性高,温度场不稳定且分布不均匀易导致热应力的产生,进而影响构件尺寸精度和力学性能。本论文针对激光选区熔化逐点、逐线和逐面的技术成形特点,开展了从熔池(介观尺度)、片层到构件(宏观尺度)的GH3625合金热-应力耦合多尺度数值分析,研究了各层次下应力的演变机理,并探究了工艺参数和支撑结构设计的影响规律,为成形工艺参数选取和支撑结构设计提出理论依据,实现激光选区熔化成形较好的应力及变形控制。本文的主要研究工作如下:(1)基于介观尺度模型研究了逐点颗粒熔化过程中熔池形貌的演变,熔池先后在蒸汽反冲力、马兰戈尼对流和表面张力及重力为主要驱动力的作用下流动变形,最终熔道凝固后呈“山丘”状,熔池形貌尺寸模拟结果与实验结果偏差在7%以内。随着扫描速度的减小和激光功率的增加,熔池中心温度升高,液相金属存在的时间增长且流动速度增大,熔池尺寸增大。根据熔池形貌平整及连续性确定了逐点成形工艺参数窗口。(2)基于确定的工艺参数窗口开展SLM片层逐线成形分析,研究发现已扫描区域在后续热循环作用下温度回升达到的最大值随着扫描速度和激光功率的升高而升高;片层峰值应力随着扫描速度的升高和激光功率的降低而降低,能量输入越大,成形后应力值越大。(3)SLM片层逐线成形中随着扫面间距的增大,热交互作用减弱,同时条带成形数量减小,能量输入量减少,片层峰值应力降低;相比平行和分区扫描路径,“S”形扫描路径可有效缓解应力集中问题,降低片层成形后的应力。(4)优化确定了激光功率为380 W,扫描速度为1000 mm/s,扫描间距为120μm,扫描路径为“S”形路径的工艺参数组合。基于该套工艺参数研究分析了SLM构件逐层成形过程及应力演变,并针对大变形缺陷进行了工艺辅助支撑的设计。模拟结果表明,Block支撑的设计有效改善了支出结构处大变形缺陷问题,支出结构1处最大变形量由17.497 mm降低至1.309 mm,下降幅度达到了92.1%。

关键词：激光选区熔化多尺度数值模型温度场应力场

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城市区域多龄期建筑地震灾害风险评估与控制关键技术及示范

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建设科技 2022年第7期 67-71页

作者：郑山锁吕大刚尹保江郑捷于晓辉胡卫兵王斌孙安礼董淑卿贺钧杨丰黄瑜徐刚李平尚志刚西安建筑科技大学西安710055 哈尔滨工业大学哈尔滨150090 中国建筑科学研究院有限公司北京100013 西安工业大学西安710021 中国启源工程设计研究院有限公司西安710018 中国能源建设集团陕西省电力设计院有限公司西安710054

本项目为解决现有震害评估理论方法与软件平台未考虑既有建筑耐久性损伤与设计规范差异的问题,基于大量物理模型试验、工程实测、理论分析与数值模拟,率先提出了考虑断层分布特点、近场特征和场地放大效应的西安地区强地震动场模拟预测... 详细信息

本项目为解决现有震害评估理论方法与软件平台未考虑既有建筑耐久性损伤与设计规范差异的问题,基于大量物理模型试验、工程实测、理论分析与数值模拟,率先提出了考虑断层分布特点、近场特征和场地放大效应的西安地区强地震动场模拟预测与多变量设定地震危险性分析理论方法;系统揭示表征了多龄期建筑结构(RC结构、钢结构、砌体结构)震损破坏机理与性能劣化规律,并建立了考虑结构耐久性损伤的动力灾变多尺度高效数值建模分析方法;首次建立了可考虑我国国情的城市区域多龄期建筑时变地震易损性模型及损失评估与风险控制的成套理论技术体系,并开发出相应系统平台;率先提出基于多源异构数据的城市基础数据成套采录技术。该成果已成功综合应用与10多个大中城市及200余项工程项目中。

关键词：震害评估耐久性地震危险性震损机理与性能劣化规律多尺度数值模型时变地震易损性多源异构数据

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