《上海交通大学学报》2023年“材料科学与工程”专题
为了解决高强度钢方管难变形、易开裂等成形难题,在传统冷成形工艺基础上,引入局部感应加热技术.基于矢量磁位法和物理环境法,利用ANSYS参数化设计语言建立局部感应加热电磁-温度场耦合模型.在不同加热工艺参数下进行数值模拟,并采用优化后参数进行实验研究.模拟结果表明,导磁体通过增大磁场强度,可以明显提升感应加热效率.加热频率越高,外圆角区域加热速度越快,但与内圆角区域之间的温差也越大.加热功率越高,高温区域和温度峰值越大,但外圆角区域更容易过热.实验结果表明,采用优化后的加热工艺参数,可以获得圆角半径极小、角部厚度增加且没有裂纹缺陷的高强度钢尖角方管.加热温度模拟值与实测值的误差均值约为7.57%,说明有限元模型具备良好预测精度.
为了进一步提高碳纤维增强热塑性复合材料与轻量化金属之间的连接强度,提出一种新型超声波自熔铆焊方法.该方法通过超声波焊接将短碳纤维增强尼龙6(CF/PA6)熔化并压入铝合金板上预制的通孔内,从而实现CF/PA6与铝合金的连接,连接机制为机械自锁.实验结果表明,随着孔数增加,焊接的整体力学性能有所增加,最优焊接能量为 2 000 J,最高剪切强度为(58.9±7.1) MPa.依据焊接功率和焊头位移信号,可将超声波自熔铆焊过程分为3个阶段:压紧阶段、导能筋嵌入阶段和充孔阶段.当能量一定时,随着孔数增加,导能筋会更早嵌入CF/PA6中,且焊接时间缩短.相对于焊接能量,孔数对焊接过程的影响更大.得益于机械自锁的连接机制,该方法对金属种类没有限制,具有较为广阔的应用前景.
为探索凹凸棒天然矿物作为隔热材料的应用潜力,采用无压烧结方法制备了凹凸棒块材,研究了烧结温度对样品相组成、表面形貌、孔隙率以及热导率的影响.结果表明:随着烧结温度的升高,凹凸棒块材由以700 ℃时的石英相为主,转变为800~900 ℃时的石英与顽火辉石两相共存以及1 000~1 200 ℃时的石英、顽火辉石和方石英三相共存;微观结构由疏松的纤维形态,转变为以SiO2为基体、MgO·SiO2为第二相的致密结构,孔隙率显著降低.凹凸棒块材的热导率随着烧结温度的升高而增大,700 ℃下烧结的凹凸棒块材具有极低的热导率,室温下热导率为0.16 W/(m·K),且几乎不随测试温度的变化而变化,因此凹凸棒天然矿物作为隔热材料具有很大的潜力.
金刚石具有极高的导热系数,在热管理中具有广阔的应用前景.基于热丝化学气相沉积法,采用多次沉积工艺在碳化硅表面制备了金刚石厚膜.采用扫描电子显微镜和拉曼光谱仪对金刚石膜进行了表征,系统地研究了热丝功率、碳源浓度和反应压力等工艺参数对金刚石生长速率及质量的影响.研究结果表明,当热丝功率为1 600 W、碳源浓度在形核阶段为18/300和生长阶段为14/300、反应压力为4 kPa时制备的金刚石膜质量最佳,此时金刚石膜生长速率约为1.4 μm/h.
为了探究未硫化橡胶的拉伸力学性能,开展了未硫化橡胶不同应变率下的单向拉伸及循环加卸载实验.结果表明,未硫化橡胶具有较为复杂的非线性黏弹塑性力学行为,随着应变率增加,应力水平明显上升,迟滞效应增加,残余应变降低,应力软化增强.为了表征其力学响应,提出了一个三网络(TN)黏弹塑性本构模型,该模型由一个基于八链模型的超弹性网络和两个基于Bergstr?m-Boyce流动模型的非线性黏塑性网络构成,同时考虑了材料的Mullins损伤软化等变形特征,能够较好地表征未硫化橡胶的非线性力学行为.最后,依托于Abaqus有限元软件,完成了本构模型材料子程序的开发,对未硫化橡胶多段松弛加卸载和轮胎胎面胶压入模具过程开展了数值仿真,验证了TN模型的数值有效性以及在复杂变形模式下的数值稳定性.
AS4/PEEK作为一种高性能的热塑性复合材料在航空航天、军事和汽车等领域应用广泛.对不同角度的单向AS4/PEEK层压板进行偏轴拉伸试验,获得了相应的应力-应变曲线、拉伸强度和断裂面角度.在数值模拟中,采用单参数三维塑性模型描述AS4/PEEK的非线性力学行为,模型中的塑性参数使用信任域反射算法得到.结合LaRC05准则和裂纹带理论开发了基于Abaqus的用户材料子程序VUMAT,并将其应用于偏轴拉伸的数值模拟.结果显示该三维弹塑性损伤本构模型能够较准确地模拟AS4/PEEK的塑性效应,且预测的拉伸强度与试验结果吻合良好.本文提出的三维弹塑性损伤模型为热塑性复合材料塑性变形和损伤的综合分析提供了一种准确且有效的方法.
在遭遇暴雨时,坡度比较小的膜面容易积水,准确模拟出此时膜面的变形有助于保障结构安全,现有研究采用的膜材线性本构模型不适用于模拟膜结构在暴雨下的变形.通过在膜结构上进行均布荷载加载试验,模拟膜面遭遇暴雨作用下的力学行为,获得结构积水时的变形形态.采用膜材线性与双折线本构模型,分别建立膜结构有限元模型并进行荷载分析,通过对比有限元模型和实际结构的变形,选取适合模拟膜结构在暴雨下变形的膜材本构模型.数值模拟结果显示:与采用线性本构模型模拟的结构变形相比,采用膜材双折线本构模型模拟出的结构变形更接近试验测得的变形.研究成果可为膜结构在暴雨积水作用下的膜材本构模型选用和分析计算提供参考.
为了揭示碳纤维复合材料(CFRP)与钢板连接设计中,母材厚度和强度对接头失效的影响规律,对CFRP层合板与DC05、HC260Y、DP590、DP780、DP1180、PHS1500钢板组成的胶接、铆接和胶铆混合接头进行单向和正向拉伸试验,分析各接头连接强度和失效模式,提出CFRP/钢接头母材厚度比和强度比的推荐范围.结果表明:CFRP/钢接头失效模式由较弱一侧母材强度和刚度决定,在连接设计中,应尽可能使两母材的强度和刚度相近;CFRP零件与相邻钢件厚度比的推荐范围为1.37~1.91,母材极限承载比的推荐范围为0.9~1.52.
为了进一步控制先进高强钢在冲压成形中的回弹问题,提出了一种无需增大材料成形裕度、通过伺服液压设备增大可变闭合力降低回弹的方法.对冲压成形的1 180 MPa双相钢U形基准零件,利用有限元分析增大可变闭合力控制回弹的可行性,并进行试验验证,从残余应力和位错角度研究增大可变闭合力减小回弹的机理.结果表明:该方法使成形后的材料表面残余应力减小,位错密度降低,从而使非弹性回复增加,达到减小目标零件22.3%的回弹角度效果.由于该方法仅在零件成形瞬间施加,不影响材料成形过程中的塑性流动,所以无需增加额外的材料成形能力和整形工序,改变生产节拍即可应用于实际工业,具有广阔应用前景.
《上海交通大学学报》2023年“材料科学与工程”专题
