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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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基于微观结构非均匀性理解非晶态聚苯乙烯的应力松弛行为

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物理学报 2024年第3期73卷 258-265页

作者：张婧祺郝奇吕国建熊必金乔吉超西北工业大学伦敦玛丽女王工程学院西安710072 西北工业大学力学与土木建筑学院西安710072 华中科技大学化学与化工学院武汉430074

研究了非晶态聚苯乙烯材料应力松弛行为与其固有微观结构非均匀性之间的关联,从基本Maxwell黏弹性模型出发,到三参量扩展指数方程,讨论了变形单元特征时间的分布本质及聚合物应力松弛过程中的链段效应.结果表明,非晶态聚苯乙烯应力松弛... 详细信息

研究了非晶态聚苯乙烯材料应力松弛行为与其固有微观结构非均匀性之间的关联,从基本Maxwell黏弹性模型出发,到三参量扩展指数方程,讨论了变形单元特征时间的分布本质及聚合物应力松弛过程中的链段效应.结果表明,非晶态聚苯乙烯应力松弛行为呈现典型非指数特征,单一特征时间的指数衰减形式与有限特征时间的有限谱方法均无法合理描述聚苯乙烯应力松弛行为,这是由于非晶态聚合物微观结构非均匀性所导致的特征时间谱连续分布.此外,本文进一步探究了物理老化导致的应力松弛行为变化,老化导致体系向更稳定能量状态迁移,变形单元难以激活,因而导致应力松弛过程慢化,特征时间延长.

关键词：聚苯乙烯应力松弛黏弹性微观结构非均匀性

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基于折纸结构的收纳式软体抓手设计与试验

机械工程学报 2024年第5期60卷 51-58页

作者：邓栋轩李纪辉朱志韦邓子辰西北工业大学力学与土木建筑工程学院西安710072 复杂系统动力学与控制工信部重点实验室西安710072

现有气动软体抓手的运动范围大多受初始长度限制,难以实现小存储体积、大包络范围的设计目标。结合气动结构和折纸结构的特点,提出了一种高收纳比、弯曲-展开耦合运动的软体抓手设计方案。基于三浦折纸结构,设计了一种可弯曲折展的管状... 详细信息

现有气动软体抓手的运动范围大多受初始长度限制,难以实现小存储体积、大包络范围的设计目标。结合气动结构和折纸结构的特点,提出了一种高收纳比、弯曲-展开耦合运动的软体抓手设计方案。基于三浦折纸结构,设计了一种可弯曲折展的管状折纸模型,并且基于面板刚性假定,分析了边长、夹角等几何参数对该折纸结构曲率半径和弯曲角度的影响;考虑软体抓手的壁厚,利用有限元软件分析了软体抓手的变形行为;采用3D打印和逐层浇筑的方式制作抓手样品,验证了软体抓手的展开和抓取性能。该研究成果可为太空垃圾抓取机器人的设计提供理论支持。

关键词：折纸结构高收纳比软体抓手逐层浇筑

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

复合材料层压板疲劳损伤演化模型的综述与评估

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材料导报 2024年第9期38卷 226-236页

作者：冯炜森杨成鹏贾斐西北工业大学力学与土木建筑学院西安710072 西安电子科技大学机电工程学院西安710071

疲劳损伤演化模型是材料疲劳性能退化与寿命预测的重要基础。本文对复合材料层压板的疲劳损伤演化模型进行了全面综述,针对材料损伤演化三阶段(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)特征将其磨损模型分为两类:Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ三阶段模型和Ⅰ-Ⅱ两阶段模型。提出了模型... 详细信息

疲劳损伤演化模型是材料疲劳性能退化与寿命预测的重要基础。本文对复合材料层压板的疲劳损伤演化模型进行了全面综述,针对材料损伤演化三阶段(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)特征将其磨损模型分为两类:Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ三阶段模型和Ⅰ-Ⅱ两阶段模型。提出了模型评估的五个基本标准,选取了八组不同加载条件下的疲劳损伤演化实验数据,对表征能力较强的疲劳磨损模型进行了分析评估。现有研究表明:绝大多数疲劳损伤演化模型属于宏观唯象模型,模型中引入的疲劳影响因素少,对实验的依赖程度高;对于Ⅰ-Ⅱ两阶段损伤,两阶段磨损模型具有很高的拟合精度;相比而言,Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ三阶段磨损模型可准确模拟疲劳损伤演化全过程,比Ⅰ-Ⅱ两阶段磨损模型更具普适性,其中Mao、吴富强和Shiri的模型应用较为广泛。为了克服唯象模型的不足,须考虑不同影响因素下材料的微细观损伤形式和机理,进而发展基于物理机制的疲劳损伤演化理论和模型。

关键词：复合材料层压板疲劳损伤损伤演化模型模型评估

2D-C/SiC复合材料热膨胀系数演化模型

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复合材料学报 2024年第4期41卷 2083-2098页

作者：郑茹悦杨成鹏贾斐西北工业大学力学与土木建筑学院西安710072 西安电子科技大学机电工程学院西安710071

热膨胀系数是耐高温复合材料的重要热力学参数。针对复合材料在服役条件下存在基体开裂和界面脱粘而影响其热膨胀变形的现象,通过理论模拟和实验测试,研究了含损伤2D-C/SiC复合材料热膨胀系数随环境温度的演变行为。首先,基于Mini复合... 详细信息

热膨胀系数是耐高温复合材料的重要热力学参数。针对复合材料在服役条件下存在基体开裂和界面脱粘而影响其热膨胀变形的现象,通过理论模拟和实验测试,研究了含损伤2D-C/SiC复合材料热膨胀系数随环境温度的演变行为。首先,基于Mini复合材料模型给出了组分材料的三维热失配应力计算模型;其次,引入基体开裂和界面脱粘损伤,并考虑组分材料热膨胀性能差异、纤维的横观各向同性以及泊松效应的影响,推导了Mini复合材料轴向和径向热膨胀系数的解析表达式;再次,基于[0/90]正交层压板模型和宏观应变的一致性假设,建立了2D-C/SiC复合材料含损伤表观热膨胀系数的分析预测模型;最后,将本模型与经典Schapery模型及实验值进行对比,分析了热膨胀系数的主要影响因素。参数分析表明:基体裂纹间距、界面脱粘率、孔隙率、组分材料的弹性模量及热膨胀系数等均会影响复合材料的表观热膨胀系数,其中基体膨胀系数的影响尤为显著;验证结果表明:本模型具有合理性与正确性,其预测值与经典模型及实验曲线均吻合良好。

关键词：热膨胀系数 Mini复合材料模型 2D-C/SiC 热失配应力 Schapery模型

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各向异性复合材料强度失效判据综述

力学学报 2024年第4期56卷 1006-1024页

作者：贾斐杨成鹏宋远翔西安电子科技大学机电工程学院西安710071 西北工业大学力学与土木建筑学院西安710072

失效判据在复合材料的渐进损伤模拟和极限强度预测中具有极其重要的意义.针对各向异性复合材料的损伤-破坏问题,根据理论架构与发展脉络,对现有失效判据进行了分类汇总和全面综述,重点总结了破坏模式无关判据和破坏模式相关判据,分析了... 详细信息

失效判据在复合材料的渐进损伤模拟和极限强度预测中具有极其重要的意义.针对各向异性复合材料的损伤-破坏问题,根据理论架构与发展脉络,对现有失效判据进行了分类汇总和全面综述,重点总结了破坏模式无关判据和破坏模式相关判据,分析了基于破坏面假设的相关理论成果,阐述了基于应力不变量进行判据构建的基本理论、方法和模型,并论述了基于应变能和基于损伤参量的两类失效判据.研究表明,各向异性复合材料强度理论发展的基础和主线仍然是二次应力判据,高阶唯象失效判据的合理性和适用性尚需验证;能量判据和损伤判据对于非线性-准脆性复合材料显示出了合理性和适用性,但表达式较为复杂.在深入分析研究的基础上,对复合材料强度理论的发展趋势进行了展望,提出了“损伤-断裂协同理论”这一重点与难点方向,以期对复合材料及其结构的设计、评估与应用提供更有价值的参考.

关键词：复合材料强度理论损伤演化失效判据断裂模式