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2022年 43卷 1期
刊出日期：2022-02-28
研究论文
研究简报
研究论文
1
短纤维复合材料的压缩强度
郭威静 黄争鸣
细观力学理论得到的复合材料内应力是均值应力，在进行破坏和强度预报前，必须转化到真实值。对于短纤维复合材料，除了轴向压缩真实应力外，基体其它方向真实应力计算已获解决，等于其均值应力乘以基体应力集中系数。本文基于弹性力学方法得到了短纤维复合材料轴向压缩下基体的应力场，并据此定义基体的轴向压缩应力集中系数。与基体其它方向应力集中系数的定义不同，确定轴向应力集中系数时须将代表性单元分割成三部分，即一个中间部分和两个末端部分，进而获得对任意纤维长径比都适用的基体轴向压缩应力集中系数。纤维和基体的均值应力则由桥联模型解析公式计算。只需提供组分材料的几何和力学性能参数，任意长径比短纤维复合材料的压缩强度皆可方便预测。预报结果与实验值吻合合理，证实了本文所建理论的有效性。
2022 Vol. 43 (1): 1-15 [
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16
应力诱发界面扩散下夹杂演化的有限元模拟
井亚彬 黄佩珍
应力作用下内连导线中的夹杂等缺陷会迁移和变形，从而影响电子器件的可靠性。本文基于应力诱发表面扩散机制下的弱解描述，推导了固-固界面在界面扩散机制下的有限单元控制方程，并数值分析了应力诱发界面扩散下金属内连导线中夹杂的形貌演化。研究结果表明：在拉压应力下，夹杂会发生分节或者圆形化；在双向等值拉应力下，夹杂存在着沿长轴生长和圆形化两种分叉趋势。并且存在着临界应力、临界形态比和临界线宽。形态比、应力越小或线宽、模量比越大，夹杂越易演化为圆形。
2022 Vol. 43 (1): 16-27 [
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28
45号钢氢致脆断试验与GTN模型数值模拟研究
陈波 张光 岑成贤 张克实
摘要 采用电化学方法对试样充氢后再进行单轴拉伸，在此基础上研究45号钢的氢致脆断问题。试验观察到，随充氢时间增加，试样的延伸率和平均断裂应变减小，断口韧窝数目减少，准解理区域增加。但该变化是逐渐减缓的，充氢144h后试样延性和断裂应变基本不再变化。根据试验观测，将HEDE机制和受氢影响的材料微孔洞演化机制引入GTN本构模型；考虑了氢浓度增加微孔洞形核体积分数增加、且形核和聚合的起始都将提前的现象。利用该模型对不同充氢试样的拉伸断裂进行有限元数值模拟，结果表明，随氢浓度增加断裂时试样延伸率和断裂收缩率下降，而且试样启裂点的位置受氢浓度分布变化而变化，它们可合理解释和再现试验观测到的现象。
2022 Vol. 43 (1): 28-39 [
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40
基于三维模型的蜂窝材料有效弹性性能研究
徐耀玲 龙晓彭
采用三维模型预测了传统六角形蜂窝材料和带圆环结点六角形蜂窝材料的有效弹性性能。利用有限元法并结合周期边界条件计算了材料代表性体积单元的平均应力，进而由平均场理论获得了两种蜂窝材料全部的有效弹性常数。将传统蜂窝材料的计算结果与已有梁模型的计算结果和试验数据进行了对比，结果表明三维模型比梁模型具有更高的精度，分析了梁模型误差产生的原因。带圆环结点蜂窝材料的计算结果表明，在保持材料相对密度不变的前提下，通过调整结点圆环壁厚和蜂窝壁厚的比值可显著提高蜂窝材料的面内刚度。
2022 Vol. 43 (1): 40-49 [
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热电材料孔边周期裂纹问题的热电弹分析
刘庆楠 马园园 张晨熙 丁生虎
本文研究了均匀电流和能量流作用下，热电材料中带个周期径向裂纹的圆形孔口问题. 考虑非渗透型电和热边界条件，运用复变函数理论和保形映射方法，得到了热电材料中电流密度、能量密度和应力场的精确解. 依据断裂力学理论，运用Cauchy积分公式得到了周期裂纹的电流、能量和应力强度因子. 数值结果分析了场强度因子随各个参数的变化规律，结果显示：强度因子分别与所施加的远场载荷成比例，同时这些场强度因子与圆孔半径和裂纹长度密切相关. 本文的研究结果对建立热电材料断裂力学理论体系具有推动作用，同时可为热电元器件的可靠性设计和优化提供技术支撑.
2022 Vol. 43 (1): 50-59 [
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60
粘性基底上溅射薄膜褶皱的边界效应研究
余森江 郭永杰 赵晓宇 卢晨曦 李领伟
复杂的表面微结构在自然界中普遍存在，它们赋予生物组织优异的物化功能．受此启发，各类仿生结构在工程领域（如微机电系统、能源材料、生物传感等）得到了广泛应用．本文利用磁控溅射技术在粘性的胶体基底上沉积金属铁薄膜，研究了薄膜中自发形成的褶皱结构，重点分析了约束边界和膜厚梯度边界对褶皱形貌的调控效应．实验发现，随着膜厚的增加，薄膜表面由网状折叠逐渐演变为迷宫褶皱，褶皱波长先是略微下降，随后保持不变．约束边界附近，褶皱波长连续变化，表现为多级褶皱的特征．膜厚梯度区域，褶皱具有明显取向，而波长基本不变．基于应力理论，对粘性基底上薄膜褶皱的形貌特征、演化规律和物理机制进行了深入分析．该研究将有助于加深对粘性基底上金属薄膜的溅射效应的理解，并有望通过设计图案化结构实现可控的表面微结构．
2022 Vol. 43 (1): 60-70 [
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同轴圆柱壳流固耦合附加质量研究
刘强
摘要：本文根据堆本体内窄间隙同轴设备支承筒的结构特征、边界条件和窄间隙环腔内流体流速，将结构简化为一端固定一端自由的同轴圆柱壳，将圆柱壳内外的流体简化为无旋、无黏、不可压缩流体。地震工况下同轴圆柱壳通过流体压力场实现耦合，其径向位移模态决定了窄间隙流体域的压力场，故采用级数形式的圆柱壳径向正交位移模态构建既满足一端固定一端自由边界条件，又满足波动方程的压力场基函数,并由此基函数推导一端固定一端自由同轴圆柱壳由间隙流体耦合时自由振动且出现梁、壳复合振型的附加质量理论公式。随着基函数级数项的增加由该公式计算的附加质量结果快速收敛，基函数项数大于50时附加质量计算精度满足要求。当该公式中n=1即仅考虑同轴圆柱壳的梁式振型时，本文推导的公式退化为Au-Yang M K[3]推导的同轴圆柱壳梁式振型附加质量公式。为方便工程应用，参考俄罗斯标准《核动力装置设备和管道强度计算规范》定义附加质量系数，以设计曲线形式给出本文推导的同轴圆柱壳流体附加质量结果。为验证以上理论公式，本文首先建立了不同高径比、不同间隙量和不同壁厚的同轴圆柱体流固耦合有限元模型，通过对比理论公式计算结果和包含窄间隙流体域的同轴圆柱壳有限元模型的模态结果可知，当圆柱壳高径比≤2.0时，主振型的频率误差在5%以内；同时笔者设计了双层同轴圆柱筒的流固耦合试验，通过对比模态试验的频率和振型结果进一步验证了本文推导理论公式的正确性。
2022 Vol. 43 (1): 71-80 [
摘要
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研究简报
81
基于扩展有限单元法的短纤维/橡胶复合材料裂纹扩展分析
林晓珊 杨晓翔 高剑虹
为了研究短纤维/橡胶复合材料裂纹在拉伸载荷作用下的扩展演化规律，应用扩展有限元法对预制裂纹的短纤维/橡胶复合材料的裂纹扩展进行了数值模拟。采用随机顺序吸附算法在ABAQUS软件中生成短纤维分布模型，分析了失效准则参数（最大许用主应力和裂纹表面能）、短纤维细观参数（体积含量、长度和取向角）对裂纹扩展行为的影响规律，探究了短纤维的增韧机理，数值结果与试验结果吻合。研究结果表明：降低基体材料的损伤阈值可以实现裂纹的扩展，而不改变裂纹扩展特征；短纤维增强相的存在会改变裂纹的扩展方向，使裂纹的扩展路径呈现复杂性从而提高材料抗撕裂性能；裂纹扩展路径曲折度随短纤维含量、长度和取向角的增加而增大，试样拉断时所需要消耗的功增大，抗撕裂性提高。
2022 Vol. 43 (1): 81-94 [
摘要
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95
T应力对立方准晶中含十字交叉型裂纹的影响
索亚茹 周彦斌 刘官厅
论文研究了立方准晶中含十字交叉型裂纹尖端附近的T应力。采用了积分变换法，将相关边值问题转换为求解奇异积分方程，得到声子场和相位子场的T应力，且可以表示为裂纹张开位移和施加在无穷远处的载荷之和。裂纹张开位移在确定声子场和相位子场的T应力中起着主导作用。同时强调了T应力在立方准晶脆性断裂中的作用。此外，还研究了裂纹臂长度比b/a对十字型裂纹T应力的影响。
2022 Vol. 43 (1): 95-110 [
摘要
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111
面向不锈钢地铁整车结构的显式拓扑优化设计
林鹏 于洋洋 田洪雷 户迎灿 陈书杰
受限于制造要求和较大的计算规模，整车级的列车拓扑优化为列车设计阶段的难点之一。本文面向不锈钢地铁整车结构设计，开展基于可动变形组件法（Moving Morphable Component, MMC）的显式拓扑优化研究。根据某不锈钢地铁车体结构设计需求，依据EN 12663标准，建立了地铁车体结构MMC拓扑优化数学模型，同时给出了适用于列车的拓扑优化设计流程，搭建了完整的显式拓扑优化框架下的地铁车体结构优化算法平台。基于MMC方法，可以直接获取不锈钢地铁车体整车级传力路径，数值算例验证了本文算法的优势。
2022 Vol. 43 (1): 111-120 [
摘要
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编辑部公告
Acta Mechanica Solida Sinica入选2021年国际影响力TOP期刊榜单
祝贺！AMSS和《固体力学学报》编委清华大学张一慧教授喜获第三届“科学探索奖”
祝贺！《固体力学学报》编委湖南大学姜潮教授喜获第三届“科学探索奖”
2020年度Acta Mechanica Solida Sinica 影响因子达到2.161
重要通知
固体力学学报2020年第2期和第3期刊出《固体材料的多尺度与多场耦合力学》专辑
Acta Mechanica Solida Sinica (AMSS) 入选“2019中国最具国际影响力学术期刊”
余寿文教授、黄玉盈教授获得AMSS特别贡献奖（Special Contribution Award）
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