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基于优化算法及压痕形貌的金属塑性力学参数表征

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力学学报 2024年第7期56卷 2051-2062页

作者：何艳骄马宇宏田永喜树学峰肖革胜太原理工大学机械与运载工程学院应用力学研究所太原030024

相比于需要特定形状尺寸试样的传统力学测试手段,压入法具有试样加工方便及可实现原位测试等优点,针对现有压入表征法对所采集压入载荷-深度曲线的依赖性,通过作为压入后材料塑性力学性能直观响应的残余压痕形貌有效获取金属塑性力学参... 详细信息

相比于需要特定形状尺寸试样的传统力学测试手段,压入法具有试样加工方便及可实现原位测试等优点,针对现有压入表征法对所采集压入载荷-深度曲线的依赖性,通过作为压入后材料塑性力学性能直观响应的残余压痕形貌有效获取金属塑性力学参数可提供一种新的压入表征方法;本研究通过Instron万能材料试验机开展了紫铜/镁合金的球形压入测试,基于轮廓形态系统对压入测试后的残余压痕形貌进行扫描并将所得形貌特征作为后续研究的数据基础;将压入数值模拟与实验测试所得残余压痕形貌的对比结果作为拟合优度,对传统Nelder-Mead算法在参数筛除、预处理、重复性判断及收敛条件方面进行改进,以保证进入数值计算的材料参数的合理性并提高计算效率,基于Abaqus二次开发结合改进的Nelder-Mead算法进行参数寻优以得到紫铜/镁合金的相关塑性参数;将由Instron万能材料试验机拉伸测试表征所得紫铜/镁合金的相关塑性参数值作为对照标准,给出了算法寻优结果的相对误差,并验证了所提出基于优化算法及残余压痕形貌获取金属塑性参数方法的有效性,相关研究提供了一种新的有效表征金属力学性能参数的方法.

关键词：优化算法压痕形貌塑性力学参数金属 Abaqus二次开发

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深层页岩气非线性渗流的温度效应

北京理工大学学报 2024年第6期44卷 606-614页

作者：高旭华于俊红尚新春朱维耀北京科技大学数理学院应用力学系北京100083 石家庄铁道大学河北省工程力学基础学科研究中心河北石家庄050043 北京科技大学土木与资源工程学院应用力学研究所北京100083

为了研究温度变化对高温高压的深层页岩气藏产能的影响,建立了考虑变温吸附和随温度变化的压缩因子和黏度的页岩气非线性渗流模型,推导了考虑弹性变形和吸附应变的非均匀孔隙度和渗透率演化模型,发展了具有显式迭代格式的高效的半解析算... 详细信息

为了研究温度变化对高温高压的深层页岩气藏产能的影响,建立了考虑变温吸附和随温度变化的压缩因子和黏度的页岩气非线性渗流模型,推导了考虑弹性变形和吸附应变的非均匀孔隙度和渗透率演化模型,发展了具有显式迭代格式的高效的半解析算法,将数值模拟结果与现场生产数据进行对比,验证了所建立模型和算法的正确性,分析了温度变化对深层页岩游离气、吸附气和总产量的影响.结果表明,压力越高,游离气产量受温度影响越小.当地层温度上升40°C时,浅层页岩游离气的产量降低14.5%,而深层页岩游离气产量增加1.4%.相反,压力越高,温度变化对吸附气产量的影响越大.当温度上升时,浅层和深层页岩吸附气的产量分别降低19.3%和31%.浅层页岩气因温度变化总产量相差约15%,而深层页岩气总产量受温度影响不大.在其他条件相同的情况下,高温高压的深层页岩气前5 a的累计产气量是浅层的1.76倍.所建立的模型和算法可以为深层页岩气的高效开发和优化设计提供参考.

关键词：深层页岩气温度非线性渗流非均匀渗透率半解析算法

轨下压电叠堆俘能器安装对车轨系统动力性能的影响

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振动与冲击 2024年第12期43卷 248-259页

作者：杜承运王建军金浩汤丽华北京科技大学应用力学系北京100083 东南大学交通学院南京211189 奥克兰大学机械与机械电子工程系新西兰奥克兰1010

压电俘能技术已经在轨道交通领域受到广泛关注,但目前主要侧重于压电俘能器的结构设计。俘能器的安装会在轨道结构中附加新的装置,可能会对车轨系统动力性能产生一定影响,甚至会威胁行车安全。然而,俘能器的安装对车轨系统动力性能的影... 详细信息

压电俘能技术已经在轨道交通领域受到广泛关注,但目前主要侧重于压电俘能器的结构设计。俘能器的安装会在轨道结构中附加新的装置,可能会对车轨系统动力性能产生一定影响,甚至会威胁行车安全。然而,俘能器的安装对车轨系统动力性能的影响鲜有报道。以轨下压电叠堆俘能器为研究对象,建立了车辆-轨道-俘能器耦合系统的动力分析模型,构建了安装单个或多个俘能器下钢轨和道床的垂向振动方程,采用MATLAB软件编写了新型预测-校正积分法程序,给出了理论解答。通过与已有文献的结果对比,验证了程序的正确性。进一步,探究了采用单个和多个安装方式时俘能器的等效刚度对车轨系统动力性能(钢轨位移、钢轨加速度、扣件力和车体加速度)的影响,并评估了等效刚度与列车舒适度的关系。结果表明:当俘能器等效刚度在0~60×10^(6)N/m变化时,随着俘能器等效刚度的增加,两种安装方式的最大钢轨位移减小,钢轨加速度减少,车体加速度几乎保持不变,扣件力减小,列车行驶的舒适度呈现微小变化;当俘能器的等效刚度在0~2×10^(6)N/m选取时,俘能器的安装对车轨系统动力性能影响很小。研究成果为轨下压电叠堆俘能器的设计与安装提供了理论指导。

关键词：压电俘能器车轨系统轨下压电叠堆俘能器动力性能

临界退火温度对含铝热轧中锰钢滑动摩擦性能的影响

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摩擦学学报 2024年

作者：毛沛宁黄兴民纪秀林张娟石宇西南交通大学材料科学与工程学院汕头大学工学院机械工程系西南交通大学力学与航空航天学院应用力学与结构安全重点实验室

典型的耐磨高锰钢在低应力摩擦条件下加工硬化能力欠缺，相应工况下耐磨性能并不理想。中锰钢因成型工艺简单，成本较低，在耐磨钢领域有巨大的潜力。为发掘中锰钢在滑动条件下的摩擦学性能优势，着重分析退火温度对Fe-5Mn-3.2Al-0.35C... 详细信息

典型的耐磨高锰钢在低应力摩擦条件下加工硬化能力欠缺，相应工况下耐磨性能并不理想。中锰钢因成型工艺简单，成本较低，在耐磨钢领域有巨大的潜力。为发掘中锰钢在滑动条件下的摩擦学性能优势，着重分析退火温度对Fe-5Mn-3.2Al-0.35C热轧耐磨中锰钢(名义成分，质量分数，简称5MnAl)组织结构和滑动耐磨性的影响。热轧淬火5MnAl钢为全马氏体组织，经650 ℃退火后获得铁素体和碳化物的混合组织；超过700 ℃临界退火导致马氏体逆相变为奥氏体和铁素体，残留奥氏体含量随退火温度的升高先增加后略有下降。相比于市售耐磨中锰钢，退火态5MnAl热轧钢在滑动摩擦条件下均具有更低的摩擦系数和磨损率；650 ℃退火试验钢在10 N载荷下具有最低的磨损率，700 ℃退火试验钢在20 N载荷下耐磨性约为BTW钢的3.5倍。由于具有显著的高应变硬化率，800 ℃退火试验钢在大载荷下表现出最低的磨损率。5MnAl中锰钢的磨损机理主要是磨粒磨损、黏着磨损和疲劳磨损。深化新型中锰钢应变硬化机理的理解，必将有利于推动其在耐磨领域的广泛应用。

关键词：中锰钢临界退火磨损机理摩擦学应变硬化

纤维增强复合材料弹道极限速度理论与数值模型研究进展

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科学通报 2024年第22期69卷 3238-3251页

作者：丛超男朱文清刘俊杰韦小丁中国农业大学理学院应用力学系北京100083 北京大学工学院力学与工程科学系湍流与复杂系统国家重点实验室北京100871 北京工业大学力学系北京100124

纤维增强复合材料具有质量轻、比强度和比刚度高、抗冲击等特点,已成为冲击防护领域的重要结构材料.深入研究纤维增强复合材料在高速冲击下的能量吸收机制,准确预测纤维增强复合材料的弹道极限速度,对于启发新一代防弹复合材料的优化设... 详细信息

纤维增强复合材料具有质量轻、比强度和比刚度高、抗冲击等特点,已成为冲击防护领域的重要结构材料.深入研究纤维增强复合材料在高速冲击下的能量吸收机制,准确预测纤维增强复合材料的弹道极限速度,对于启发新一代防弹复合材料的优化设计具有重要的科学意义和潜在应用前景.本文从理论分析和数值模拟两个方面回顾了近年来关于纤维增强复合材料弹道极限速度的研究进展,探讨了纤维增强复合材料的组分性质和微观结构以及子弹特征等因素对弹道极限速度的影响.通过对现有研究结果的总结与分析,展望了纤维增强复合材料弹道极限速度研究的方向,期望为防弹复合材料的研究和开发提供参考.

关键词：纤维增强复合材料弹道极限速度能量吸收冲击侵彻

“Double-Double”铺层热塑性层合板及其在汽车结构中的应用潜力

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复合材料学报 2024年第9期41卷 4919-4931页

作者：杨刚沈剑周正扬吕海如刘仁杰张茜刘家龙江大志中山大学材料学院

汽车结构的轻量化是降低汽车能耗和增加续航里程的重要方式。虽然纤维增强环氧树脂等热固性基体复合材料具有极高的力学性能和轻量化潜力，但是较高的制造能耗、修复成本及较低的设计和制造效率，阻碍了其在汽车结构中的广泛应用。本文... 详细信息

汽车结构的轻量化是降低汽车能耗和增加续航里程的重要方式。虽然纤维增强环氧树脂等热固性基体复合材料具有极高的力学性能和轻量化潜力，但是较高的制造能耗、修复成本及较低的设计和制造效率，阻碍了其在汽车结构中的广泛应用。本文采用一种新型“Double-Double”铺层(DD)热塑性层合板([±Ф/±Ψ]n)，试图解决以上问题。文中分析了DD层合板相较于π/4铺层(Quad)层合板在轻量化设计方面的优势，并且对比了不同铺层方式(DD、Woven、Quad铺层)及不同基体材料(热固性基体环氧树脂、热塑性基体尼龙6)层合板的力学性能和设计分析流程。结果表明：高轴向刚度DD层合板在主要载荷方向的刚度及强度远高于相同纤维、基体的Woven层合板；DD层合板的刚度性能与相同纤维、基体的Quad层合板相近，但是DD层合板的设计效率高于Quad层合板。同时，对碳纤维增强尼龙6复合材料(carbon/PA6)的DD热塑性层合板的研究发现，虽然单向carbon/PA6的拉伸模量和拉伸强度低于单向carbon/epoxy，但是DD carbon/PA6层合板仍可通过铺层设计，使主要载荷方向上的刚度和强度超过Woven carbon/epoxy层合板。并且热塑性Carbon/PA6具有优异的可修复性和回收再利用性，显示出应用于汽车结构设计的优势。

关键词： Double-Double 层合板聚合物基复合材料纤维热塑性树脂汽车结构

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基于球面沃罗诺伊的颗粒表面离散与重构方法

工程力学 2024年第9期41卷 245-256页

作者：吴峰黄林冲赖正首中山大学航空航天学院深圳518107 中山大学智能工程学院深圳518107

提出了一种基于球面沃罗诺伊、球谐函数及计算机断层扫描的岩土颗粒表面离散与重构方法。该方法在球坐标参数空间采样的基础上,采用带权重的加权球面质心沃罗诺伊对采样点进行自适应分布,并给出了两种表面重构的加权公式:基于径向距离... 详细信息

提出了一种基于球面沃罗诺伊、球谐函数及计算机断层扫描的岩土颗粒表面离散与重构方法。该方法在球坐标参数空间采样的基础上,采用带权重的加权球面质心沃罗诺伊对采样点进行自适应分布,并给出了两种表面重构的加权公式:基于径向距离加权和基于曲率加权。该方法适用于如二次曲面或球谐函数等隐式函数描述的颗粒表面的网格化离散,以及通过计算机断层等方法得到的颗粒原始表面的优化重构。其优点是:可以重构得到任意数量节点的表面网格;提供了一种控制表面网格节点分布密度的灵活方法。对重构后的颗粒进行形状参数分析和离散元模拟,分析并验证了该方法应用于颗粒表面离散与重构的有效性与准确性,其可以简化复杂的表面网格、减少颗粒表面节点,同时保证形状参数的误差在较小的范围,显著减少离散元模拟的时间成本,而不影响最终模拟结果。

关键词：岩土工程表面重构离散元沃罗诺伊球谐函数

基于梯度型褶皱缺陷细观力学模型的响应预测和激光剪切散斑干涉测量

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复合材料学报 2024年

作者：王守龙刘昶辰应凯迪马利浙江工业大学机械工程学院应用力学研究所

针对碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon Fiber-reinforced Polymer， CFRP）中褶皱缺陷的力学响应，提出了一种基于激光剪切散斑干涉的检测方法。首先构建了表征梯度型褶皱缺陷的细观力学模型，采用两步均匀化方法推导了含褶皱缺陷的代... 详细信息

针对碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon Fiber-reinforced Polymer， CFRP）中褶皱缺陷的力学响应，提出了一种基于激光剪切散斑干涉的检测方法。首先构建了表征梯度型褶皱缺陷的细观力学模型，采用两步均匀化方法推导了含褶皱缺陷的代表性体积单元等效刚度矩阵，分析褶皱缺陷对层合板试样等效刚度系数影响，通过有限元预测了不同褶皱缺陷参数（铺层顺序、波长λ、振幅A）在不同拉伸载荷条件下的力学响应。其次，基于激光剪切散斑干涉技术开展了褶皱缺陷位移响应实验研究。实验结果表明，在拉伸载荷作用下，褶皱缺陷区域因离面位移梯度变化而产生干涉条纹，通过干涉条纹图处理，得到褶皱缺陷引起的位移场。实验获取的离面位移值与有限元预测结果吻合良好，证实了梯度型褶皱缺陷的细观力学模型在CFRP褶皱缺陷响应分析方面的可靠性。

关键词：碳纤维增强树脂基复合材料褶皱缺陷细观力学模型激光剪切散斑干涉位移响应

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超大型航天结构动力学与控制的保辛方法

计算力学学报 2024年第1期41卷 108-117页

作者：邓子辰张凯李庆军安思奇李纪辉西北工业大学工程力学系西安710072 西北工业大学航空学院西安710072 中山大学航空航天学院深圳518107 西湖大学工学院杭州310024

超大型航天器是空间资源探索和利用的重要空间基础设施,也是实现航天强国目标的重大战略性航天装备。由于这类结构的质量和尺寸巨大,将带来在轨运行中的姿-轨-结构耦合和在轨姿态控制问题。同时,结构的超大尺度、构型变化与空间环境相... 详细信息

超大型航天器是空间资源探索和利用的重要空间基础设施,也是实现航天强国目标的重大战略性航天装备。由于这类结构的质量和尺寸巨大,将带来在轨运行中的姿-轨-结构耦合和在轨姿态控制问题。同时,结构的超大尺度、构型变化与空间环境相互作用将产生极复杂的结构振动和大型结构特有的波动现象。这些为其动力学建模与数值求解、在轨精确姿态控制、低频结构振动抑制和振动波动耦合的特性调控等提出了新的挑战。本文介绍了本团队近十年基于保辛方法针对上述问题取得的研究进展,包括超大型航天结构在轨耦合动力学与姿态控制、超大型航天结构波动力学行为与控制、可展开结构设计以及变刚度主动控制方法等。

关键词：超大型航天器保辛方法动力学与控制波动特性分析

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