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带孔形状记忆合金薄板弹热性能的实验和理论研究

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力学学报 2024年

作者：庞云浩于超阚前华康国政西南交通大学力学与航空航天学院

NiTi形状记忆合金因其优异的弹热效应在新兴固态制冷领域具备广阔的应用前景。然而，该类合金较高的相变临界应力使得其弹热效应需要很高的机械载荷来驱动，对固态制冷器件的小型化和大规模应用带来了挑战。本文通过在NiTi形状记忆合金... 详细信息

NiTi形状记忆合金因其优异的弹热效应在新兴固态制冷领域具备广阔的应用前景。然而，该类合金较高的相变临界应力使得其弹热效应需要很高的机械载荷来驱动，对固态制冷器件的小型化和大规模应用带来了挑战。本文通过在NiTi形状记忆合金薄板上引入孔洞，揭示了孔洞体积分数、分布形式对薄板弹热性能的影响。结果表明，孔洞造成的应力集中效应能够在显著降低薄板相变驱动力的同时，有效增加薄板的整体制冷温度和吸热量。薄板在变形过程中的整体力-位移响应和温度演化强烈依赖于孔洞体积分数，孔洞分布形式仅仅影响薄板的局部应力-应变-温度场，而对整体的热-力响应影响较小。进一步地，基于应力对数客观率，在不可逆热力学框架下建立了形状记忆合金有限变形热-力耦合本构模型，并完成了模型的有限元移植。通过与实验结果的对比发现，提出的本构模型能够很好地预测孔洞对NiTi形状记忆合金薄板变形行为和弹热性能的影响，从而为该类合金带孔薄板的设计提供了理论工具。

关键词： NiTi形状记忆合金弹热效应带孔薄板热-力耦合本构模型

带孔形状记忆合金薄板弹热性能的实验和理论研究

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力学学报 2024年第09期56卷 2604-2615页

作者：庞云浩于超阚前华康国政西南交通大学力学与航空航天学院

NiTi形状记忆合金因其优异的弹热效应在新兴固态制冷领域具备广阔的应用前景.然而,该类合金较高的相变临界应力使得其弹热效应需要很高的机械载荷来驱动,对固态制冷器件的小型化和大规模应用带来了挑战.文章通过在NiTi形状记忆合金薄板... 详细信息

NiTi形状记忆合金因其优异的弹热效应在新兴固态制冷领域具备广阔的应用前景.然而,该类合金较高的相变临界应力使得其弹热效应需要很高的机械载荷来驱动,对固态制冷器件的小型化和大规模应用带来了挑战.文章通过在NiTi形状记忆合金薄板上引入孔洞,揭示了孔洞体积分数、分布形式对薄板弹热性能的影响.结果表明,孔洞造成的应力集中效应能够在显著降低薄板相变驱动力的同时,有效增加薄板的整体制冷温度和吸热量.薄板在变形过程中的整体力-位移响应和温度演化强烈依赖于孔洞体积分数,孔洞分布形式仅仅影响薄板的局部应力-应变-温度场,而对整体的热-力响应影响较小.进一步地,基于应力对数客观率,在不可逆热力学框架下建立了形状记忆合金有限变形热-力耦合本构模型,并完成了模型的有限元移植.通过与实验结果的对比发现,提出的本构模型能够很好地预测孔洞对Ni Ti形状记忆合金薄板变形行为和弹热性能的影响,从而为该类合金带孔薄板的设计提供理论工具.

关键词： NiTi形状记忆合金弹热效应带孔薄板热-力耦合本构模型

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多孔功能梯度压电纳米壳中波传播特性

应用数学和力学 2024年第2期45卷 197-207页

作者：王鑫特刘娟胡彪张波沈火明西南交通大学力学与航空航天学院成都611756

基于非局部应变梯度理论,探究了含孔隙的功能梯度压电陶瓷纳米壳中波传播特性.利用Hamilton原理和一阶剪切理论推导了控制方程.结合非局部应变梯度理论和谐波解得到了尺度依赖的特征方程.数值讨论了尺度参数、波数、梯度指数、壳厚、孔... 详细信息

基于非局部应变梯度理论,探究了含孔隙的功能梯度压电陶瓷纳米壳中波传播特性.利用Hamilton原理和一阶剪切理论推导了控制方程.结合非局部应变梯度理论和谐波解得到了尺度依赖的特征方程.数值讨论了尺度参数、波数、梯度指数、壳厚、孔隙率及电压对波传播特性的影响.研究表明:非局部参数和应变梯度参数对波传播频率的影响与波数密切相关,在一定范围内波数越大,尺度参数对频率的影响越大;另外,孔隙和梯度指数对频率具有耦合作用.

关键词：压电纳米壳波动特性非局部应变梯度理论功能梯度

基于机器学习的增材制造合金材料力学性能预测研究进展与挑战

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力学学报 2024年第7期56卷 1892-1915页

作者：胡雅楠余欢吴圣川奥妮阚前华吴正凯康国政西南交通大学力学与航空航天学院成都611756 西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室成都610031

增材制造是现代高端装备制造领域的革命性突破技术之一.其中,增材构件的大批量生产和高可靠应用,关键在于制造可重复性、质量可靠性与性能可预测性.而在各向异性组织、广域分布缺陷、深部残余应力和复杂表面粗糙度等诸多因素的共同影响... 详细信息

增材制造是现代高端装备制造领域的革命性突破技术之一.其中,增材构件的大批量生产和高可靠应用,关键在于制造可重复性、质量可靠性与性能可预测性.而在各向异性组织、广域分布缺陷、深部残余应力和复杂表面粗糙度等诸多因素的共同影响下,基于传统经验模型和有限数据的增材制造金属力学性能预测效率与准确性面临着严峻挑战.近年来,作为大数据与人工智能发展到一定阶段的必然产物,机器学习(machine learning,ML)方法为有效处理高维物理量之间的复杂非线性关系提供了契机,在增材制造合金材料力学性能预测领域得到持续关注.文章综述了机器学习在增材制造材料及构件力学性能预测中的国内外研究进展.首先简述了常见的机器学习算法和通用的机器学习流程,重点分析了融合物理信息的机器学习(physics-informed machine learning,PIML)方法的特点与构造方式;然后概述了增材制造合金材料力学性能4大影响因素的形成原因及机器学习在这些影响因素预测中的应用现状;重点介绍了ML和PIML在拉伸性能和疲劳断裂性能预测中的代表性研究成果;最后指出当前机器学习在力学性能预测中的局限性,并探讨了发展趋势和技术前景.

关键词：数据驱动机理驱动微观组织缺陷演化疲劳寿命

氢影响下纳米晶体晶界滑移和晶界三叉点裂纹形核模型

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应用数学和力学 2024年第7期45卷 875-885页

作者：赵可可朱云蝶张吉鼎江晓禹西南交通大学力学与航空航天学院

在远场均匀拉伸载荷下，裂纹尖端会产生应力集中，与裂纹尖端相邻的晶界会承受较大的切应力，此切应力会导致晶界滑移.该文研究了氢和纳米晶界滑移对晶界裂纹形核、临界应力强度因子以及屏蔽效应的影响.应用连续分布位错方法给出了模型... 详细信息

在远场均匀拉伸载荷下，裂纹尖端会产生应力集中，与裂纹尖端相邻的晶界会承受较大的切应力，此切应力会导致晶界滑移.该文研究了氢和纳米晶界滑移对晶界裂纹形核、临界应力强度因子以及屏蔽效应的影响.应用连续分布位错方法给出了模型的理论解.结果表明：由于位错在晶界三叉点和滑移带尖端处的塞积，楔形裂纹会优先沿着晶界三叉点DC方向和晶界BD向上萌生，而且氢会使得裂纹萌生的总能量降低，氢浓度每增加1%,萌生最稳定裂纹的总能量大约降低1.86%.虽然晶界滑移会使得裂纹尖端的临界应力强度因子和屏蔽效应增大，但是氢使得临界应力强度因子降低.最后根据弱键理论，研究了氢对表面能的影响，氢浓度每增加1%,表面能降低5%.这一理论工作提供了氢和晶界滑移对材料微观断裂力学的新信息，有助于解释金属断裂的微观机理.

关键词：晶界滑移晶界三叉点裂纹氢临界应力强度因子屏蔽效应

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渗透氢对BCC金属裂纹扩展行为的影响

原子与分子物理学报 2024年 51-58页

作者：朱云蝶赵可可张吉鼎江晓禹西南交通大学力学与航空航天学院

在氢环境下,氢原子会吸附在金属材料表面.随着时间推移,氢原子会渗透进入金属内部占据空隙位置.氢原子的聚集会导致应力集中,最终进一步影响材料的力学行为.本文通过分子动力学方法研究氢在裂纹尖端行为的力学响应.研究结果表明,裂纹尖... 详细信息

在氢环境下,氢原子会吸附在金属材料表面.随着时间推移,氢原子会渗透进入金属内部占据空隙位置.氢原子的聚集会导致应力集中,最终进一步影响材料的力学行为.本文通过分子动力学方法研究氢在裂纹尖端行为的力学响应.研究结果表明,裂纹尖端吸附的氢降低了原子间的键合力,导致局部应力集中所需的临界外加载荷减小;使得材料在较低的断裂强度条件下发生破坏,并在很大程度上促进了裂纹的扩展.模拟观察到在外加载荷下吸附氢在裂纹尖端的渗透过程,氢原子会聚集在高应力区域,造成材料塑性降低.另外,渗透进材料的氢原子数目会随着计算时间的增加达到一个最大临界值.当施加应变增大,裂纹尖端渗透氢原子数最大临界值和达到临界值的时间会增加.

关键词：分子动力学裂纹扩展氢渗透塑性损失

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轴对称粗糙圆杆的扭转变形

力学与实践 2024年第2期46卷 435-442页

作者：李志浩李翔宇朱志武李鹏龚晖李映辉西南交通大学力学与航空航天学院成都610031

本文旨在研究轴对称表面粗糙圆杆的扭转变形。通过微元法,推导了轴对称表面粗糙圆杆的控制微分方程。结合摄动法和离散傅里叶变换,获得了粗糙圆杆的扭转角摄动解。对比典型粗糙圆杆的材料力学解析解或有限元解,验证了本文摄动解的有效... 详细信息

本文旨在研究轴对称表面粗糙圆杆的扭转变形。通过微元法,推导了轴对称表面粗糙圆杆的控制微分方程。结合摄动法和离散傅里叶变换,获得了粗糙圆杆的扭转角摄动解。对比典型粗糙圆杆的材料力学解析解或有限元解,验证了本文摄动解的有效性。通过系统计算,探究了粗糙面的统计参数对于扭转角的影响规律并建立了经验公式。本文的研究成果拓展了材料力学中扭转问题解的范围,并为数学物理方法提供了具体的力学实践。

关键词：轴对称表面粗糙圆杆摄动法离散傅里叶变换扭转角扰动值

列车轮对简化模型重力刚度与滚动半径的计算方法

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力学与实践 2024年第2期46卷 427-431页

作者：谢建华西南交通大学力学与航空航天学院成都610031

在建立列车轮对简化模型动力学方程中,如果假设侧移和摇头角是微小量,及质心高度保持不变,可以较简便地求出重力刚度和滚动半径等量的近似表达式。本文用几何方法给出了轮对质心高度和滚动半径与侧向位移之间的函数关系,从而可以获得这... 详细信息

在建立列车轮对简化模型动力学方程中,如果假设侧移和摇头角是微小量,及质心高度保持不变,可以较简便地求出重力刚度和滚动半径等量的近似表达式。本文用几何方法给出了轮对质心高度和滚动半径与侧向位移之间的函数关系,从而可以获得这些量的解析表达式;另外还通过运动学方法,证明了重力刚度和滚动半径等量的简便计算方法是正确的。

关键词：轮对重力刚度滚动半径几何和运动学方法

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基于车辆动力学的铁路轨道曲线啸叫时域模型

铁道标准设计 2024年第5期68卷 36-43页

作者：李午垚刘奔龙刘洋江晓禹西南交通大学力学与航空航天学院成都611756

曲线啸叫是轮轨切向黏滑接触、轮轨动力学和通过曲线时车辆运行状态的综合结果。为综合研究曲线啸叫的影响因素,基于整车车辆多体动力学,并采用改进的轮轨接触力计算方法,建立了曲线啸叫时域模型。在接触力计算中,使用了离散接触模型,... 详细信息

曲线啸叫是轮轨切向黏滑接触、轮轨动力学和通过曲线时车辆运行状态的综合结果。为综合研究曲线啸叫的影响因素,基于整车车辆多体动力学,并采用改进的轮轨接触力计算方法,建立了曲线啸叫时域模型。在接触力计算中,使用了离散接触模型,为引入下落摩擦机理,在切向力计算中使用迭代方法确定摩擦系数和接触力,使用模态叠加法计算车轮振动响应,采用无限元方法计算车轮声辐射。研究不同曲线半径和通过速度下,曲线段轮轨间接触力的变化及接触区的黏着-滑动状态,对车轮振动特性进行分析,并研究了车轮声学响应。研究发现,在下落摩擦和整车车辆运动状态的共同作用下会出现啸叫现象;曲线段轮轨间的法向力和切向力均会出现振荡,接触区呈现黏滑振荡状态;车轮振动速度谱的峰值频率与车轮特征模态相近,车轮轴向和径向模态的高幅振动是高频啸叫的原因之一。啸叫现象主要出现在前轮上,相同工况下,前后轮声压级相差近20 dB,车辆速度和曲线半径对啸叫程度有明显影响,当车辆的曲线通过速度为60 km/h时,小曲线半径会出现严重啸叫现象;当曲线半径由200 m增大到400 m时,最大声压级降低34 dB;曲线通过速度由60 km/h降至40 km/h时,最大声压级下降13 dB。

关键词：铁路轨道轮轨噪声曲线啸叫离散弹性接触车辆动力学