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析出硬化微观机制及连续化模型

中国科学：物理学、力学、天文学 2024年第5期54卷 21-34页

作者：崔爱雅崔一南清华大学航天航空学院应用力学教育部重点实验室北京100084

析出硬化作为提升合金强度的主要方法,在低碳钢、镍基合金等工程合金中得到广泛应用.理解析出硬化效应并发展相应的理论模型对合金的强韧化设计至关重要.尽管研究者很早就开始关注析出硬化效应,并基于线张力理论发展了一系列经典的析出... 详细信息

析出硬化作为提升合金强度的主要方法,在低碳钢、镍基合金等工程合金中得到广泛应用.理解析出硬化效应并发展相应的理论模型对合金的强韧化设计至关重要.尽管研究者很早就开始关注析出硬化效应,并基于线张力理论发展了一系列经典的析出硬化模型,但目前仍存在由于对析出硬化微观机理等认识不够深入导致硬化模型误用的情况.鲜有综述论文系统阐述这些强化机制在微观物理过程上存在着怎样的关联关系,以及如何正确选择不同的析出硬化模型.为此,本文从位错-析出相相互作用的微观物理过程出发,通过分析长程作用和短程作用,深入探讨了基于线张力的连续化硬化模型的适用范围.同时详细介绍了不同的强化概念与位错剪切机制和Orowan绕过机制的关联关系,并分析了不同情况下位错-析出相间作用的主导机制如何随共格析出相的尺寸变化而转变.本文的工作对于深入理解析出硬化机理,有效描述析出硬化效应,指导合金设计等具有重要的参考价值.

关键词：析出硬化微观机理线张力理论位错剪切机制 Orowan绕过机制

基于数字图像相关的激光修复镍基合金疲劳损伤表征方法研究

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实验力学 2023年第1期38卷 1-8页

作者：赵健宇谢惠民清华大学航天航空学院应用力学教育部重点实验室北京100084

开展激光修复镍基合金的疲劳试验,对研究修复材料疲劳性能及分析其失效行为具有重要意义。疲劳过程中,试件产生局部损伤,会导致材料力学性能恶化。如何建立光学变形场与疲劳损伤参数的定量关系实现对疲劳损伤的有效表征,是实验力学领域... 详细信息

开展激光修复镍基合金的疲劳试验,对研究修复材料疲劳性能及分析其失效行为具有重要意义。疲劳过程中,试件产生局部损伤,会导致材料力学性能恶化。如何建立光学变形场与疲劳损伤参数的定量关系实现对疲劳损伤的有效表征,是实验力学领域备受关注的问题。从激光修复镍基合金疲劳失效行为研究的需求出发,本文建立了基于单相机三维数字图像相关的疲劳光力学测试系统,并设计了包含“修复基体-修复边界-修复区”的组合型拉伸疲劳试件,在建立的测试系统下可同时测量和表征试件三种区域的全场变形。利用所建立的测试系统,实现了激光修复材料在拉-拉疲劳过程中的全场变形在线测量,得到了不同疲劳周次下的试件基体、修复边界和修复区的位移场与应变场;根据测量得到的应变场提出了疲劳中以试件历经不同循环周次后的残余应变为损伤参量的表征方法,并获得了修复镍基合金试件疲劳过程中残余应变场的演化规律。试验结果表明,在疲劳过程中,试件残余应变场内存在应变集中现象,应变集中幅值随疲劳周次的提高而增加,试件残余应变集中区域内的应变集中值远高于非应变集中区域,因此根据该结果可有效地预测疲劳裂纹萌生的时机与位置。

关键词：激光修复镍基合金三维数字图像相关残余应变疲劳裂纹萌生

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复杂流动中的智能颗粒游动策略研究进展

力学学报 2021年第10期53卷 2630-2639页

作者：邱敬然赵立豪清华大学航天航空学院工程力学系应用力学教育部重点实验室北京100084

智能颗粒定义为可以根据环境的变化而主动调整自身在流场中运动的颗粒,一般用于描述微小的游动物体,如微生物、浮游生物和微纳机器人.由于颗粒运动学特性和流场环境的复杂性,探索智能颗粒的运动策略是一项具有现实意义与挑战性的研究.... 详细信息

智能颗粒定义为可以根据环境的变化而主动调整自身在流场中运动的颗粒,一般用于描述微小的游动物体,如微生物、浮游生物和微纳机器人.由于颗粒运动学特性和流场环境的复杂性,探索智能颗粒的运动策略是一项具有现实意义与挑战性的研究.近期强化学习算法被应用于智能颗粒的运动策略研究,并取得一定进展.本文将讨论强化学习在智能颗粒研究中的应用,并介绍浮游生物运动策略的相关研究进展,包括适用于海洋浮游生物的游动颗粒模型,以及强化学习的基本原理和此类问题的研究框架.海洋浮游生物的昼夜垂直迁移对其生存和繁衍至关重要,生物学研究表明某些浮游生物可感知周围的流场信息,但能否利用这些信息提高垂直方向游动效率仍是一个未知的问题.基于这一背景,相关研究考虑了重力沉降和颗粒形状对浮游生物垂直游动策略的影响.研究发现细长的颗粒能够更加高效地垂直向上运动,而重力沉降则导致智能游动策略发生较大变化.在此基础上,后续研究进一步考虑了局部流体信号的作用,并讨论了基于局部信息在全局坐标系中定向运动的可能性.当颗粒只能感受到局部流体信号时,必须破坏动力学系统的对称性,否则颗粒无法学到有效的垂向游动策略.此外,研究还发现强化学习能够利用流体信号背后的机制,得到颗粒在二维定常流动和三维非定常湍流中高效垂直运动的策略.这些智能游动策略依赖于本质的物理规律,因此这些策略在更加复杂或真实的流动中也可能有优秀的表现.

关键词：智能颗粒强化学习浮游生物垂直迁移

山棕纤维/天然乳胶复合材料床垫的横观各向同性参数研究

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材料导报 2020年第22期34卷 22154-22161页

作者：张淞凯袁鸿暨南大学重大工程灾害与控制教育部重点实验室应用力学研究所广州510632

近年来,人们越来越重视绿色环保和可持续发展,自然纤维复合材料开始得到更多的关注。山棕纤维/天然乳胶复合材料床垫是以山棕纤维作为增强体,含碳酸钙的天然乳胶作为基体,采用床垫压制工艺制备的复合材料。基于山棕纤维/天然乳胶复合材... 详细信息

近年来,人们越来越重视绿色环保和可持续发展,自然纤维复合材料开始得到更多的关注。山棕纤维/天然乳胶复合材料床垫是以山棕纤维作为增强体,含碳酸钙的天然乳胶作为基体,采用床垫压制工艺制备的复合材料。基于山棕纤维/天然乳胶复合材料床垫的制作工艺,可以认为其具有横观各向同性。本研究通过设计三种不同的力学实验来测定五个材料参数,从而建立山棕纤维/天然乳胶复合床垫的刚度矩阵和本构方程。在此基础上,利用有限元软件建立模型对实验结果进行模拟和验证。结果表明,横观各向同性材料模型对山棕纤维/天然乳胶复合材料床垫具有较高的模拟精度和可信度。

关键词：山棕纤维力学性能复合材料数值模拟

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页岩水力压裂的关键力学问题

固体力学学报 2016年第1期37卷 34-49页

作者：柳占立王涛高岳曾庆磊庄茁黄克智应用力学教育部重点实验室清华大学航院北京100084

页岩气是指以吸附和游离时而还有流体相的形态状态赋存于泥页岩中的非常规天然气．页岩气开采成为我国绿色能源开发的新领域．尽管北美页岩气革命取得了成功，但目前仍仅有预期产量5～15％的油气采收率，问题出在什么地方？水力压裂被... 详细信息

页岩气是指以吸附和游离时而还有流体相的形态状态赋存于泥页岩中的非常规天然气．页岩气开采成为我国绿色能源开发的新领域．尽管北美页岩气革命取得了成功，但目前仍仅有预期产量5～15％的油气采收率，问题出在什么地方？水力压裂被认为是提高采收率的关键一环，但水力压裂过程中复杂缝网的形成和力学控制机理尚不清楚，这给力学家提出了巨大的挑战和机遇．结合本课题组近期研究成果，论文从理论、哿确实验三个方面对页岩水力压裂中的关键基础力学问题进行介绍和总结．主要内容包括发展页岩人工裂缝扩展的大型物理模型实验，建立页岩本构模型和断裂力学理论，发展耦合断裂力学和流体力学的裂缝网扩展数值模拟方法．页岩水力压裂研究对发展断裂力学的实验技术、理论模型和数值模拟方法起到推动作用，对提高我国页岩气高效开采技术具有重要意义．

关键词：水力压裂裂缝网络大物模实验断裂力学数值模拟

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位错动力学方法在辐照损伤力学中的应用

固体力学学报 2020年第6期41卷 513-531页

作者：嵇长秋崔一南柳占立庄茁清华大学航天航空学院应用力学教育部重点实验室北京100084

核能是人类最理想的清洁能源之一,在世界能源结构中发挥着巨大作用.核裂变或核聚变导致的辐照环境会引起材料的辐照损伤,进而显著影响材料的力学性能,造成辐照硬化、脆化、蠕变、肿胀等现象.无论是预测辐照材料的服役寿命,还是设计新型... 详细信息

核能是人类最理想的清洁能源之一,在世界能源结构中发挥着巨大作用.核裂变或核聚变导致的辐照环境会引起材料的辐照损伤,进而显著影响材料的力学性能,造成辐照硬化、脆化、蠕变、肿胀等现象.无论是预测辐照材料的服役寿命,还是设计新型的抗辐照材料,都迫切需要建立强辐照环境下的塑性力学和损伤力学理论.位错动力学方法是联系纳米力学与连续介质力学的桥梁,是揭示大量微结构的累积相互作用机理,建立基于物理机制的塑性力学和损伤力学理论的强有力手段.位错动力学方法起源于上个世纪八十年代,起初主要用于研究位错间的短程和长程相互作用、计算位错运动引起的塑性变形、硬化、软化、变形局部化等.论文将展示三种耦合位错动力学和辐照损伤场的方法,并系统地综述研究者近年来使用该方法在理解辐照硬化、塑性变形局部化、晶界效应、温度效应、和发展多尺度耦合方法等方面取得的进展.

关键词：辐照损伤位错动力学微观机理塑性力学理论

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基于数据驱动模型求解热传导反问题

计算力学学报 2021年第3期38卷 272-279页

作者：陈豪龙柳占立清华大学航天航空学院应用力学教育部实验室北京100084

热传导反问题求解在工程领域具有重要的应用价值。本文发展数据驱动模型识别了管道内壁几何形状和皮肤肿瘤生长参数等热传导反问题。在管道内壁几何形状识别问题中,首先采用随机生成模型结合有限元法求解热传导正问题,并采用有效导热系... 详细信息

热传导反问题求解在工程领域具有重要的应用价值。本文发展数据驱动模型识别了管道内壁几何形状和皮肤肿瘤生长参数等热传导反问题。在管道内壁几何形状识别问题中,首先采用随机生成模型结合有限元法求解热传导正问题,并采用有效导热系数转化的思想,建立机器学习模型,求解了测点温度与有效导热系数之间的抽象映射关系,进而实现管道内壁几何形状的识别。然后,应用数据驱动模型识别了皮肤肿瘤的生长参数,分别讨论了不同测量误差对计算结果的影响。数值算例表明,本文提出的数据驱动模型能够准确估算肿瘤的生热率和血液灌注率。这些工作显示了数据驱动模型在求解热传导反问题方面具有广阔的应用前景。

关键词：机器学习数据驱动热传导反问题管道内壁识别肿瘤生长参数识别

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固体结构大规模矩阵正定性判定的快速算法

力学学报 2017年第6期49卷 1223-1230页

作者：徐辉刘彬清华大学航天航空学院工程力学系应用力学教育部重点实验室北京100084

对于结构稳定性分析中超大规模矩阵正定性判定,必须采用并行计算方法,传统方法如计算特征值、主子式行列式及LDLT等直接方法难以实现.本文提出了一些可适用于并行的迭代判定算法.借鉴力学系统中能量下降的思想,发展了一种判定矩阵正定... 详细信息

对于结构稳定性分析中超大规模矩阵正定性判定,必须采用并行计算方法,传统方法如计算特征值、主子式行列式及LDLT等直接方法难以实现.本文提出了一些可适用于并行的迭代判定算法.借鉴力学系统中能量下降的思想,发展了一种判定矩阵正定性的新思路,即将矩阵的正定性判定问题转化为一个优化问题,并基于优化算法来判定矩阵的正定性.提出了基于最速下降法和共轭梯度法来进行矩阵正定性判定的算法.然后考虑到力学系统刚度矩阵的稀疏性和结构刚失稳状态的弱非正定性,提出可以先截超平面后解方程求驻值点的方法来判定弱非正定矩阵的正定性.为了保证对强非正定矩阵判定的准确性,本文提出可以高效混杂使用截平面法和共轭梯度法.数值实验结果表明,本文提出的算法具有准确性和高效性.对于强非正定矩阵而言,共轭梯度算法更加高效;而对于弱非正定矩阵,则是截平面法和混杂算法更加高效.这些算法都容易在机群上实现并行计算,能够快速判定大规模矩阵的正定性.

关键词：矩阵正定性共轭梯度法截平面

一种含富锰偏析带的热轧临界退火中锰钢的组织调控及强化机制

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金属学报 2023年第11期59卷 1448-1456页

作者：陈学双黄兴民刘俊杰吕超张娟西南交通大学材料科学与工程学院材料先进技术教育部重点实验室成都610031 西南交通大学力学与工程学院应用力学与结构安全重点实验室成都610031

对含偏析带的热轧中锰钢进行临界退火处理,通过合理控制非偏析带区的逆奥氏体转变程度,获得了超高强塑积(PSE> 70 GPa·%)。结果表明,经不同温度热处理后,包(由原奥氏体晶粒边界定义)内晶粒的尺寸、取向显著影响中锰钢的力学性能和变形... 详细信息

对含偏析带的热轧中锰钢进行临界退火处理,通过合理控制非偏析带区的逆奥氏体转变程度,获得了超高强塑积(PSE> 70 GPa·%)。结果表明,经不同温度热处理后,包(由原奥氏体晶粒边界定义)内晶粒的尺寸、取向显著影响中锰钢的力学性能和变形组织。在拉伸过程中,沿着拉伸方向,非偏析带内有利取向的包倾向形成拉长的条状细晶区,而不利取向的包倾向形成碎块状晶区。通过协调变形,相邻包将最终倾向形成上述2种微区亚结构的交替分布。非偏析带内的逆转变奥氏体因晶粒尺寸广泛分布而可承受较大的变形,从而使得偏析带内奥氏体发生足够的应变诱发马氏体相变(SIMT),最终获得优异的强度和韧性匹配。

关键词：偏析带中锰钢临界退火超高强塑积马氏体包 SIMT