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连接结构界面摩擦力学建模研究进展

力学进展 2024年

作者：沈民民杨晓东北京工业大学力学系

连接结构作为工业装备的核心部件之一，是装备制造领域着重攻关优化的关键基础部件。当前，因连接界面的非线性、复杂性、不确定性等引起的跨尺度和多物理场复杂力学行为机理不明，导致精准预测连接结构动力学特性和监测其动态服役性能... 详细信息

连接结构作为工业装备的核心部件之一，是装备制造领域着重攻关优化的关键基础部件。当前，因连接界面的非线性、复杂性、不确定性等引起的跨尺度和多物理场复杂力学行为机理不明，导致精准预测连接结构动力学特性和监测其动态服役性能存在困难，成为制约精密结构动力学分析、高保真仿真、设计、优化和控制等问题的关键和瓶颈。然而连接结构应用广泛，工程和技术人员对连接结构的机理及其多功能化有进一步的需求。本文主要综述连接结构界面摩擦力学的解析建模、有限元建模以及实验系统，并提出新型连接结构设计的发展趋势。首先，根据连接使役环境需求、工程存在问题及缺乏有效强度刚度预测理论，综述了螺栓连接结构载荷类型及精准构建连接等效模型应用。其次，重点概述了连接结构界面摩擦几类主流理论模型，包括描述微/纳尺度分析连接界面多尺度物理行为和规律的本构模型、采用系统辨识理论和方法得到宏观界面力学响应的唯象模型、结合本构微观接触机理和系统辨识宏观角度的唯象学本构摩擦模型。然后，综述了以有限元方法为基础的连接结构仿真以及实验方法，具体包括直接有限元建模、间接等效有限元建模、实验基准系统以及各向激励连接结构实验平台。最后，基于装备领域连接结构多功能需求，提出“传静抑动”连接件以及轻量化仿生连接件的新型连接件设计思想。

关键词：连接结构界面摩擦本构模型唯象模型实验测试基准

不同力学激励形式探索La基非晶合金微观结构非均匀性

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物理学报 2024年第4期73卷 224-234页

作者：张剑郝奇张浪渟乔吉超西北工业大学力学与土木建筑学院西安710072

非晶合金力学行为与其微观结构非均匀性之间本征关联,是固体力学研究领域至今未能很好解决的重要科学问题之一.单一力学激励形式并不能有效地描述非晶合金微观结构非均匀性,特别是结构与动力学的关联.如何探索非晶合金结构信息,须将诸... 详细信息

非晶合金力学行为与其微观结构非均匀性之间本征关联,是固体力学研究领域至今未能很好解决的重要科学问题之一.单一力学激励形式并不能有效地描述非晶合金微观结构非均匀性,特别是结构与动力学的关联.如何探索非晶合金结构信息,须将诸多因素综合,在不同力学激励下研究非晶合金微观结构非均匀性与变形机理.本研究以La_(62)Cu_(12)Ni_(12)Al_(14)非晶合金为模型体系,利用动态力学分析仪研究非晶合金动态弛豫行为.基于准点缺陷模型,对模型合金体系α弛豫和β弛豫进行了分离.借助于拉伸应变率跳实验,探索非晶合金高温流变行为.确定非晶合金塑性流变过程中弹性、滞弹性以及塑性变形的贡献.本研究从非晶合金动态力学弛豫行为和宏观塑性流变行为出发,尝试揭示微观非均匀性对非晶合金在不同激励形式中缺陷的激活、扩展和融合的物理本质.

关键词：非晶合金微观结构非均匀性动力学弛豫高温变形准点缺陷模型

基于Kriging模型和代理抽样的分布参数不确定性灵敏度分析方法

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机械工程学报 2024年第8期60卷 370-383页

作者：程洪鑫李璐祎周长聪西北工业大学航空学院西安710072 西北工业大学力学与土木建筑学院西安710129

针对结构系统输入变量分布参数具有不确定性的情况,为衡量分布参数不确定性对系统输出性能统计特征值的影响,以输出期望和方差为例,建立分布参数对输出性能均值和方差影响的全局灵敏度指标。为克服分布参数灵敏度指标计算量大而导致工... 详细信息

针对结构系统输入变量分布参数具有不确定性的情况,为衡量分布参数不确定性对系统输出性能统计特征值的影响,以输出期望和方差为例,建立分布参数对输出性能均值和方差影响的全局灵敏度指标。为克服分布参数灵敏度指标计算量大而导致工程实际难以接受的问题,通过建立分布参数和输出统计特征值之间的Kriging模型,解决分布参数灵敏度分析计算量随输入变量及其分布参数维度增加呈指数形式增长的问题,又引入代理抽样概率密度函数对输入变量进行高效抽样,解除求解输出统计特征值时的计算量对输入变量分布参数维度的依赖性。数值和工程算例结果表明,所提方法能够在保证计算精度的同时,大大降低分布参数灵敏度分析的计算量。

关键词：分布参数不确定灵敏度分析 Kriging代理模型代理抽样概率密度函数

激光熔覆修复GH4169合金各向异性拉伸性能

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航空学报 2024年第8期45卷 272-281页

作者：樊哲铭杨未柱曾延赵哲南李磊西北工业大学力学与土木建筑学院西安710072 西北工业大学深圳研究院深圳518063

激光熔覆修复GH4169合金的拉伸性能具备各向异性,拉伸性能与受载方向和修复界面之间的夹角(界面角度)显著相关,研究修复后合金的拉伸各向异性可为GH4169合金构件的高性能修复奠定基础。基于数字图像相关(DIC)技术开展了不同界面角度下... 详细信息

激光熔覆修复GH4169合金的拉伸性能具备各向异性,拉伸性能与受载方向和修复界面之间的夹角(界面角度)显著相关,研究修复后合金的拉伸各向异性可为GH4169合金构件的高性能修复奠定基础。基于数字图像相关(DIC)技术开展了不同界面角度下的修复后合金拉伸试验,结合光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)等手段进行了界面区域微观组织及断口形貌观测分析,对激光熔覆修复GH4169合金各向异性拉伸力学性能开展了研究。结果表明修复后合金的拉伸性能与拉伸载荷方向、枝晶生长方向的夹角呈负相关;拉伸试样的断裂主要是由Laves/γ相界面在拉伸载荷下分离引发裂纹成核和扩展造成的。当枝晶取向与拉伸载荷的夹角较小时枝晶间较大尺寸的不规则Laves相破碎成小颗粒并随基体γ相一同移动,断裂后韧窝较深,抗拉强度和屈服强度较高;当夹角较大时枝晶间Laves/γ相界面剥离导致裂纹形核,而后快速扩展,断口呈大量阶梯状的枝晶沿晶断裂形貌,拉伸性能较差。研究阐明了不同界面角度对修复后合金拉伸性能的影响机理,可为激光熔覆修复GH4169高温合金构件拉伸性能的综合评估提供基础。

关键词：激光熔覆 GH4169高温合金各向异性拉伸性能微观组织断裂机理

冷却速率对La基非晶合金β弛豫行为和应力弛豫的影响

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物理学报 2024年第3期73卷 188-198页

作者：孟绍怡郝奇王兵段亚娟乔吉超西北工业大学力学与土木建筑学院西安710072 西北工业大学物理科学与技术学院西安710072 西北工业大学重庆科创中心重庆401135

β弛豫行为及应力弛豫是探索非晶合金微观结构非均匀性的重要切入口.β弛豫行为及应力弛豫与非晶合金扩散、玻璃转变行为以及塑性变形等密切相关,探究它们之间关联有重要科学意义.本文以典型的La基非晶合金作为研究载体,系统地探究了通... 详细信息

β弛豫行为及应力弛豫是探索非晶合金微观结构非均匀性的重要切入口.β弛豫行为及应力弛豫与非晶合金扩散、玻璃转变行为以及塑性变形等密切相关,探究它们之间关联有重要科学意义.本文以典型的La基非晶合金作为研究载体,系统地探究了通过不同冷却速率所得块体样品与条带样品的β弛豫特征及应力弛豫行为.结果表明,冷却速率是控制玻璃体系能量状态,进而影响其物理力学性能的重要参数.冷却速率越大,低温内耗更大,对应β弛豫激活能更小,β弛豫行为在温度谱中展宽更大,表明高冷却速率导致原子移动性更大,微观尺度结构非均匀程度更高.基于应力弛豫测量与分析,发现高冷却速率变形特征时间减小,归一化应力衰减幅度更大,在外加力场作用下更易变形,变形单元更易激活以容纳结构形变.本研究为进一步厘清非晶合金β弛豫、变形及微观结构非均匀性之间关联提供了思路.

关键词：非晶合金 β弛豫冷却速率应力弛豫微观结构非均匀性

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内生型(Ti_(0.474)Zr_(0.34)Cu_(0.06)Be_(0.126))_(100-x)Fe_(x)(x=0,2)金属玻璃基复合材料的动态力学行为

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稀有金属材料与工程 2024年第1期53卷 23-30页

作者：肖海洋吕国建乔吉超西北工业大学力学与土木建筑学院陕西西安710072

为了解内生β-Ti相的Zr/Ti基金属玻璃复合材料的动态力学性能和热力学稳定性,采用力学弛豫谱研究了(Ti_(0.474)Zr_(0.34)-Cu_(0.06)Be_(0.126))_(100-x)Fe_(x)(x=0,2)金属玻璃复合材料。通过引入Fe元素,提高了β-Ti相的稳定性。此外,还... 详细信息

为了解内生β-Ti相的Zr/Ti基金属玻璃复合材料的动态力学性能和热力学稳定性,采用力学弛豫谱研究了(Ti_(0.474)Zr_(0.34)-Cu_(0.06)Be_(0.126))_(100-x)Fe_(x)(x=0,2)金属玻璃复合材料。通过引入Fe元素,提高了β-Ti相的稳定性。此外,还发现了一个异常的内耗峰,这是由于在亚稳的β-Ti相中析出ω-Ti所引起的。在玻璃化转变温度Tg以下,由于相变和非晶基体部分结晶的耦合效应,2种金属玻璃复合材料的储能模量均表现出异常过冲行为。所得结果为更好地理解内生亚稳β-Ti型金属玻璃复合材料的复杂动态力学弛豫行为提供了借鉴。

关键词：块体金属玻璃复合材料动态力学分析物理时效动态非均匀性

2D-SiC_(f)/SiC复合材料层间Ⅰ型断裂试验及表征

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无机材料学报 2024年第1期39卷 45-50页

作者：师维刚张超李玫王晶张程煜西北工业大学材料学院NPU-SAS联合研究中心西安710072 西北工业大学极端力学研究院西安710072 西北工业大学材料学院西安710072 西安科技大学理学院力学系西安710600

二维编织碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(2D-SiC_(f)/SiC)在航空领域中得到广泛使用,然而该材料层间强度低,使其易萌生层间裂纹,引起分层破坏。为此,本工作采用楔形双悬臂梁法(W-DCB)和悬臂梁法(DCB)开展了层间Ⅰ型断裂试验,获得了2D-SiC... 详细信息

二维编织碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(2D-SiC_(f)/SiC)在航空领域中得到广泛使用,然而该材料层间强度低,使其易萌生层间裂纹,引起分层破坏。为此,本工作采用楔形双悬臂梁法(W-DCB)和悬臂梁法(DCB)开展了层间Ⅰ型断裂试验,获得了2D-SiC_(f)/SiC的层间裂纹驱动的加载数据,得到了其裂纹端口张开力及张开位移变形曲线。在试验加载过程,通过光学显微镜监测了视觉裂纹扩展过程,探究了2D-SiC_(f)/SiC的层间I型裂纹扩展规律。结合理论分析和裂纹视觉特征解释了加载曲线拐点及其他特征点的断裂力学含义。利用扫描电子显微镜分析了2D-SiC_(f)/SiC的层间断面特征,揭示了断面分层裂纹扩展机制。结果表明:W-DCB方法测量的2D-SiC_(f)/SiC层间Ⅰ型初始能量释放率与DCB方法等效;2D-SiC_(f)/SiC层间Ⅰ型断裂过程中,裂纹端口变形曲线的多峰性不符合经典线弹性断裂力学预测的加载峰后特征,反映了2D-SiC_(f)/SiC层间约束关系的复杂性;层间断面为结构性非完全损伤,发生了局部纤维桥连现象。

关键词： 2D-SiC_(f)/SiC复合材料层间Ⅰ型断裂表征分析纤维桥连

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水凝胶多场耦合计算力学

计算力学学报 2024年第1期41卷 91-100页

作者：杨庆生刘夏粘向川宗婷乔海棣金山唐爱杰北京工业大学工程力学系北京100124

作为一种具有多场耦合特性的智能柔体材料,水凝胶的制备技术、性能表征与结构应用得到迅速发展。本文在分析水凝胶本构理论和结构设计的基础上,提出了水凝胶多场耦合计算力学的基本方法和范式,包括微观粗粒化分子动力学模拟和宏观耦合... 详细信息

作为一种具有多场耦合特性的智能柔体材料,水凝胶的制备技术、性能表征与结构应用得到迅速发展。本文在分析水凝胶本构理论和结构设计的基础上,提出了水凝胶多场耦合计算力学的基本方法和范式,包括微观粗粒化分子动力学模拟和宏观耦合有限元方法等,计算了化学-力学耦合作用下水凝胶材料与结构的变形和应力,给出了多个数值算例与结果比较。研究指出多场耦合计算力学将成为水凝胶材料和结构分析的主要手段,并推动水凝胶等这类智柔材料的性能设计与工程应用。

关键词：水凝胶智能结构多场耦合计算力学多尺度

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复合超导线圈的电热失稳机理与弹塑性分析

力学学报 2024年

作者：黄晨光王富生吕晨杨陈龙西北工业大学力学与土木建筑学院

高温超导磁体通常是由复合超导带材绕制而成的线圈组合成的系统。实际运行中线圈可能因局部热源、局部退化及过载流运行等因素而发生失超，整体结构在热应力和电磁力作用下出现弹塑性变形甚至局部破损现象。由于局部失超的随机性和多原... 详细信息

高温超导磁体通常是由复合超导带材绕制而成的线圈组合成的系统。实际运行中线圈可能因局部热源、局部退化及过载流运行等因素而发生失超，整体结构在热应力和电磁力作用下出现弹塑性变形甚至局部破损现象。由于局部失超的随机性和多原因触发特性、复合带材组分过多且宽厚比过大、线圈内电磁-热-力耦合和非线性特性，这些都为精准预测复合超导线圈的电热失稳与力学变形带来了极大困难。已有的数值研究大多通过对局部失超区域精细化建模而剩余区域均匀化处理来降低自由度，无法处理随机失超情形且无法给出失超传播区域各材料层的力学信息。本文在磁场-磁标势方程、热传导方程和弹塑性力学方程基础上，结合非线性幂律模型和非线性应力-应变关系，发展了一套高效准确的超导磁体电磁-热-力耦合行为分析方法。该方法采用磁场方程来模拟超导层、铜层、银层和哈氏合金层等导电区域的电磁行为，而采用磁标势方程来模拟绝缘层和周围液氮等非导电区域的电磁行为，通过切口法并引入磁标势的不连续性，使得非导电区域从多连通变成单连通并遵守安培定律，其计算速度可以比当前主流的磁场法快近4倍。在复合超导盘形线圈的多场耦合分析中，采用该方法详细讨论了局部热源、局部退化及过载流运行等多因素下整体线圈结构的失超传播机理与各材料层的弹塑性演化规律。

关键词：复合超导线圈电磁-热-力耦合失超弹塑性