基于“环形试样”测试材料力学性能的理论研究与数值模拟

摘要

随着材料科学的飞速发展，各种性能优良的新材料不断涌现，如纤维增强复合材料、表面涂层材料和功能梯度材料，并广泛应用于航空、航天、电力、船舶、石油化工等工程领域。
　　多样的材质，繁多的加工工艺，导致材料的特性存在很大差异。为充分发挥各种新型材料的功效，材料的性能实验和构件的结构试验成为材料设计和结构设计的关键。然而，迄今为止，对各种新材料力学性能的研究还没有成熟的性能评价标准与测试方法。迫切需要改进现有材料力学性能测试方法及设备，以满足更广泛的实验与工程方面的需求。
　　本文基于环形试样和径向加载，建立一套新的实验理论，提出一种新的实验方法，来克服传统实验的不足。通过新的实验方法，只需测量环形试样的径向位移，即可得到各向同性和正交异性材料的所有材料常数，特别是常规材料实验难以测量的垂直于纤维方向的横向弹性模量。通过分析测量误差对实验结果的影响规律，证明了新的试验理论具有很大的实用性。可以使用现代先进的测量技术减小测量误差，使新的试验方法具有较高的测试精度。同时，在加载机构的设计过程中，对加载方式、加载范围、加载块尺寸等因素进行了详细分析，进一步降低了试验中观测点位移误差对结果的影响。以位移平均值代替均匀位移值，以压力观测值代替均匀内压力值来计算材料常数，大大减小了测试过程中数据的观测难度，可有效地提高新实验方法的实用性与经济性。
　　该实验方法还可用于模拟各种压力管道所受的内压以检验不同规格和用途的管材，可大大缩短检验周期和降低检测费用。因此，本文的研究对提升我国新材料的力学性能实验和管材结构试验水平具有较大的现实意义。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．1．1 研究背景

1．1．2 国内、外新型材料的研究现状

1．2．1 传统测试试验及理论基础

1．2．2 传统测试试验的不足

1．3 材料参数测试实验的最新进展

1．4 本文研究的主要内容

第2章 测试理论的建立

2．1 各向同性材料受均匀径向压力作用

2．2 正交异性材料受均匀径向压力作用

2．3 小结

第3章 试样尺寸与测量误差对试验结果的影响

3．1 试样有限元模型

3．2 误差分析

3．2．1 误差分析时试样最佳内、外半径比值的确定

3．2．2 内、外半径测量误差对结果的影响

3．2．3 内、外壁位移测量误差对结果的影响

3．2．4 接触面压力测量误差对结果的影响

3．3 小结

第4章 加载样机的结构设计

4．1 加载装置的初步设计方案

4．2 加载方式对实验结果的影响分析

4．2．1 加载机构的有限元模型

4．2．2 单点集中力加载

4．2．3 多点集中力加载与均布加载的对比分析

4．3 不同加载方式下施加载荷范围的分析

4．3．1 单点集中加载时的荷载范围

4．3．2 多点集中加载时的载荷范围

4．4 加载块环向尺寸对实验结果的影响分析

4．4．1 单点集中加载时加载块环向尺寸

4．4．2 多点集中加载时加载块环向尺寸

4．5 加载块径向尺寸对实验结果的影响分析

4．5．1 单点集中加载时加载块径向尺寸的优选

4．5．2 多点集中加载时加载块径向尺寸的优选

4．6 加载机构和加载方式的改进

4．6．1 加载块与试样间加设柔性垫层

4．6．2 加载块与试样间加设刚性垫层

4．7 小结

第5章 压力观测与加载过程控制

5．1 接触面压力观测误差分析

5．1．1 载荷大小对压力观测值的影响分析

5．1．2 加载块环向尺寸对压力观测值的影响

5．1．3 加载块径向尺寸对压力观测值的影响

5．2 加载过程控制

5．3 小结

第6章 新实验方法在管材试件检验中的应用

6．1 管材性能试验方法、设备现状

6．2 新实验方法在管材试件性能检测中的应用

6．2．1 内压试验

6．2．2 材料性能实验

6．2．3 环刚度(环柔性)试验

6．3 小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况