材料工程论文范文参考 材料工程毕业论文范文[精选]有关写作资料

目录

1. 第一篇材料工程论文范文参考：岩土材料工程性质数值试验研究
2. 第二篇材料工程论文样文：三维机织复合材料的压缩性能和冲击后压缩性能研究
3. 第三篇材料工程论文范文模板：三维编织复合材料力学性能与工程应用研究
4. 第四篇材料工程论文范例：孔隙类工程材料的静动态力学性能研究和在防护工程中的应用
5. 第五篇材料工程论文范文格式：高性能磷酸镁水泥基材料研究

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第一篇材料工程论文范文参考：岩土材料工程性质数值试验研究

本文选定PFC颗粒流软件作为数值分析平台,fish语言建立了满足一定统计分布的颗粒集聚体,虚拟实现了岩石力学试验.在此基础上,针对岩土材料细观参数的宏观响应、岩土材料内尺度比、尺寸效应、加载率效应、颗粒大小对材料工程性质的影响和岩石材料破裂过程及其分形特性等六个问题设计了专门的数值虚拟试验,分析所得主要结论如下:

1、一个简单的颗粒间力学关系可以反映一个复杂的力学过程.细观参数与宏观参数的关系不是简单求和,是整体与部分的辩证关系,整体的力学行为是部分力学行为的增强和放大.摩擦系数、接触半径乘子、弹性模量等颗粒细观参数对数值试件的影响是全面的,弹性模量的增加,会引起裂纹数量的增加,能量急剧减少,强度没有规律性变化,接触半径乘子的增加会使得材料强度和变形性能均提高,裂纹和能量均有提高,摩擦系数的增加会引起强度和变形性能的提高,裂纹和能量变化不大,但是摩擦能增加明显.细观强度的影响相对独立,只引起了宏观强度的提高,对变形没有影响.

2、通过设计的0.05-2.00mm粒径12种单轴压缩数值试验和巴西圆盘试验计算方案,分析发现岩土材料作为颗粒集聚体,的确存在内尺度比,即最大颗粒与试件直径的比,大于材料固有的内尺度比,则其工程性质出现较大波动,小于该值,则测试结果相对较为稳定.经分析,砂岩的内尺度比约等于0.01.

3、经过用破裂形态、裂纹系统数量和空间位置、应力应变曲线、能量演化等4类手段综合分析设计的不同长径比、不同围压数值试验,发现:通过应力应变曲线、峰值强度、割线模量和试件破坏形态等分析得到岩石几何尺寸最佳长径比在2.5-3.0之间,但存在数据波动和离散问题.而用能量方法分析得到的最佳长径比稳定在3.0.综上,最佳长径比为3.0,能量方法评价尺寸效应稳定性好.端部摩擦效应在低围压下和低长径比下对材料试验结果影响较大,在长径比大于2.5,围压大于10MPa后,端部效应影响相对减弱.低长径比时,材料表现出伪高强度,高长径比时,材料表现出伪高脆性.

4、加载速率越高材料破损过程中不再存在剪切优势带,剪切带等速发展,锥形破坏明显.随着应变速率的提高,岩石的峰值强度提高,变形参数也提高了.材料破损机理在于首先积聚粘结能,克服粘结强度,产生微裂纹,随后在积聚的弹性应变能驱动下扩展贯通,随后摩擦作用开始发挥作用,摩擦能急剧提高.裂纹贯通后,材料本身的强度特性不再起主导作用,局部弱化带主导了材料的后期变形和失稳过程.

5、经过对不同半径、不同数量团簇结构的力学分析发现:团簇数量越多,对材料性质的提高越显著,团簇半径越大、结构体系越稳定,则性质增强效果好.团簇材料的破损机理在于:随着团簇半径的增加,基质所占比例减小,基质中更容易产生微裂纹,但是其绝对数量有限,粘结能地位降低.而应变能则由于团簇强度高,较难以破坏,其主要受力或者传递力,则应变能储能作用增强.破坏经常绕着骨料发生,颗粒越大,越多,由于其竖向密度大,连接较好,侧向连接有限,而且边界作用明显,所以裂纹经常沿垂向发展,径向张开,呈雁行排列.

6、利用数值试验方法,结合图像处理,对不同规格数值试件的破裂体系进行了追踪、描述和研究,发现:岩石破裂体系具有统计自相似性,长径比显著的试件sandbox法测试结果异常值较多,这是方法缺陷.盒计数法对于不同形状数值试件的适应性要比sandbox法好,结果稳定.随着围压增加岩石破裂的分维数减小.加载造成材料劣化,这种性质劣化加剧了初始随机分布损伤的不均匀程度,劣化呈现局部发展,使得裂纹系统变得更为复杂,分数维增加.

第二篇材料工程论文样文：三维机织复合材料的压缩性能和冲击后压缩性能研究

由于三维机织复合材料(3D woven composites或者简称为3DWC)整体性能好,且有高的厚向力学性能、较强的抗损伤、抗分层能力和较好的耐冲击性能,所以,三维机织复合材料在航空、航海、土木、医学、装甲、智能结构等领域得到了越来越广泛的应用,特别是在承受多向载荷和抗冲击结构中的应用有着良好的前景.这主要归功于三维机织复合材料：（1）预制件的制造机械化程度高,所以能快速大量生产,从而可降低制造成本、缩短生产周期；（2）纤维束、纱线等可在多方向交织,使其满足不同的力学性能需求；（3）采用熟知的液态成型技术固化成型制成三维机织复合材料,例如：树脂传递模塑（RTM）、真空辅助树脂传递模塑（VARTM）和树脂膜熔渗（RFI）,将三维机织预制件与树脂基体固化成型.

三维机织复合材料又可分为如下几类：三维多轴机织复合材料,斜交三维机织复合材料和正交三维机织复合材料.本文研究涉及正交三维机织复合材料.正交三维机织复合材料（3DWOC）由正交三维机织预制件制成.此类预制件为多层预制件,由机织机将三组纤维束排列、交织而成.第一组纤维束,在机器方向（机织方向）上延伸,称作经纱；第二组纤维束在横向延伸,称为填充物或纬纱；第三组纤维束把在厚度方向上以十字铺层（0/90）形式交替堆放的经纱和纬纱捆绑加固,称为Z向纤维.Z向纤维也被称作经向捆绑纱,因为要达到捆绑的目的,需要一组与经纱方向相同的独立的纤维束.

三维机织预制件可以以单一形式生产,即只使用一种增强材料,也可以采用混合形式,即使用玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维、陶瓷纤维等多种增强材料.混合形式可以存在于层间（层与层）、层内（纤维束与纤维束）、密切混合或是选择性布局.

虽然三维机织复合材料的整体力学性能要比层合板优越,但由于其压缩性能相对较差,所以在压缩强度方面仍然有一定的限制.查阅关于三维机织复合材料的相关文献,如其机织方法、对于力学性能表征、冲击行为表征、耐损伤性能表征的建模策略等,鲜见有关于其压缩性能及耐损伤性能表征的研究报道.其主要原因是压缩性能受多种因素影响而变得十分复杂,甚至用实验也不容易测正确.

由于冲击后的压缩(Compression After Impact或简称为CAI)性能是用来衡量材料耐损伤性能好坏的一种指标,因此,对于一种称为混杂正交三维机织复合材料(3D wovenorthogonal-interlock hybrid composite或简称为3DWOHC)的新材料来说,研究其压缩性能和冲击后压缩性能不但具有重要的理论意义而且也有实际工程应用价值.研究中涉及的3DWOHC的经向为T300碳纤维束和E玻璃纤维束,纬向和Z向均为E玻璃纤维束.拟从试验、理论分析和数值模拟三方面开展研究,通过对试验件进行力学测试,获得其压缩性能和冲击后压缩性能；通过研究建立理论分析模型和有限元预测模型,然后通过分析计算预测其性能.

在压缩性能实验中,对六根混杂正交三维机织复合材料（3DWOHC）的试件进行了准静态压缩试验,确定了其杨氏模量、压缩强度和失效机制.进行压缩实验的试件的长度方向均沿经向,并且保证试件在压缩过程中始终处于压缩实验夹具中.使用单轴应变计来记录试件的宏观应变数据,试验机记录施加的载荷数据.由名义应力和名义应变曲线可获得杨氏模量,其最大名义应力定义为试件的压缩强度.由于试验数据有一定的分散性,使用线性回归法处理所有试样的试验数据,从而得到经向的平均杨氏模量和平均抗压强度.

为了对失效的试件进行微观图像分析从而确定其失效机制,将失效的试样进行打磨,然后通过数码显微镜进行观察.由图像分析可知,所有的试样都是由于传载纤维束的扭折而导致失效.因为Z向纤维同样承受经向载荷,所以Z向纤维束也能观察到扭折的现象.值得一提的是,在力学测试时可观察到,基体首先开裂,然后才会观察到试件破坏性的失效.

冲击后压缩实验的目的是确定低速冲击下受损的混杂正交三维机织复合材料（3DWOHC）的剩余压缩强度.该实验分为两个阶段进行：在第一阶段,六块试验件在无仪表的落锤冲击试验台上受到低速冲击.在落锤冲击实验中,为了确定各级初始冲击能量对混杂正交三维机织复合材料冲击损伤程度的影响,采用不同的初始冲击能量对每个试件进行冲击.在冲击测试中使用了分别为5.0J、10.0J、13.3J、15.0J、16.7J和20.0J的能量作为初始冲击能.

借助数码显微镜可确定每个试件的冲击损伤区域.结果表明,冲击损伤面积随着初始冲击能量的增加而增大,并且冲击损伤区域的形状为带圆角的长方形,长边沿经线方向,说明损伤主要沿经线方向扩展,因为在纬线方向上由于Z向纤维的捆绑作用抑制了损伤的扩展.为了进一步观察冲击损伤试件的层间分离,对试件进行了C扫描,由于Z向纤维的捆绑机制,冲击损伤试件内没有发现有层间分离现象.

在冲击后压缩性能实验的第二阶段,为了确定三维机织复合材料的剩余压缩强度,采用自行设计的试验夹具对受冲击后损伤的复合材料试验件施加准静态压缩载荷.由于条件限制,使用的混杂正交三维机织复合材料（3DWOHC）试件的厚度仅为2.4mm,小于用于冲击后压缩试验试件的标准厚度（4-6mm,目标厚度为5mm）,所以当对未损伤的试件进行试验时,试件发生了屈曲而失效.因此,基于对混杂正交三维机织复合材料板屈曲分析,改进了自行设计的冲击后压缩试验实验夹具.最终,采用改进后的自行设计的试验夹具成功地对含冲击损伤的试件施加准静态压缩载荷直到破坏,获得了其剩余压缩强度.

通过对实验数据的分析,可发现当冲击能量在10.0J以下时,冲击对混杂正交三维机织复合材料的剩余强度没有影响；当冲击能量在10.0J到20.0J之间时,尽管冲击损伤面积随冲击能量的提高而增大,但是冲击损伤试件的剩余强度相同.这要归功于Z向纤维抑制了损伤在纬线方向上扩展,由于冲击损伤主要沿经线方向扩展,所以余下的未受损的承载截面积基本保持不变.

共研究了五种预测模型：（1）几何模型,（2）刚度模型,（3）压缩强度模型,（4）冲击损伤模型,（5）冲击后压缩强度模型.由于混杂正交三维机织复合材料（3DWOHC）具有周期性结构,所以几何模型、刚度模型以及压缩强度模型的建立都基于代表性体单元（RVE）.

先建立了一种新颖的几何模型,称为通用几何模型(Generic Geometric model或简称为GG模型).建立该模型的目的是：（1）为了方便的描述混杂正交三维预制件的内部几何形状；（2）为了确定不同的机织参数对于混杂正交三维预制件的几何参数的影响；（3）为了确定材料杂交对于混杂正交三维预制件的几何参数的影响.对于不同的三维机织预制件和三维机织复合材料的几何表征,GG模型适用于多种横截面形状的纤维束、多种杂交增强系统以及不同的模型（理想模型或者实际模型）.

在通用几何模型中,提出了一种称为“通用形状函数”（Generic Shape Function或简称为GS函数）的新颖形函数,以参数形式描述多种多样的纤维束的横截面几何特性.这种方法的好处在于它能够转化成许多离散的形状函数,诸如六角形、菱形、椭圆形、圆形、矩形、椭圆环形、圆环形、椭圆弧双曲形以及圆弧双曲型.此外,所提出的通用形函数还能被应用于任何一种二维或三维机织复合材料的几何公式中.

建立几何模型时,由于采用了混杂增强方法和通用形函数,使得通用几何模型可以灵活地用于采用不同材料、数量以及纵横纤维束都不相同材料的几何描述.基于干性预制件的几何实体建立了模型,并且着重关注了纤维的截面形状以及Z向纤维的精确路径.这么做主要是为了准确估计预制件的参数,诸如：三个相互正交方向上纤维的体积和体积百分比、面密度、预成型体的厚度.此外,通用几何模型还能适用于混杂斜交三维机织复合材料（3DWAHC）.

为确定混杂正交三维机织复合材料（3DWOHC）的工程弹性常数,基于体积平均和各向同性应变边界条件,提出了一种新的刚度分析模型,称为通用刚度模型(Generic StiffnessModel或简称为GS模型).这种通用刚度模型使用了增强纤维和基体的工程弹性常数,并且可获得混杂正交三维机织复合材料的工程弹性常数.该模型中计及了杂交增强效应和z-向纤维的起伏效应,利用该模型可方便地确定三维机织复合材料的工程弹性常数.该模型也适用于混杂斜交三维机织复合材料（3DWAHC）和混杂复合材料层合板的工程弹性常数的确定.

为了研究混杂正交三维机织复合材料（3DWOHC）中各种组分材料的承载机理并确定其力学性能,在前面提出的分析模型的基础上,建立了相应的有限元模型.在对复合材料试件进行抛光和电子显微镜分析,获得了纤维束和整个试件的几何细节后,通过Pro/E建立了三维实体模型,并将实体模型导入有限元软件ABAQUS建立了有限元模型.有限元模型采用了三维线性四面体单元C3D4.同时,为了体现混杂正交三维机织复合材料所具有的周期性特性,有限元分析时施加了基于纵向和横向上的平移对称特性的周期性边界条件.为了计算工程弹性常数,在有限元模型上施加一个单位宏观应力（1MPa）,计算该宏观应力下的宏观应变,最终由所加载的宏观应力和计算所得的宏观应变获得工程弹性常数.通过分析计算,由通用刚度模型和有限元模型获得了材料的工程弹性常数,预测结果与实验结果比较吻合验证了这两个模型的正确性.此外还对材料的混杂效应进行了研究,确定了在纵向增加T300碳纤维对于混杂正交三维机织复合材料（3DWOHC）的工程弹性常数的影响,发现随着纵向T300碳纤维数量的增加,纵向的杨氏模量也随之增加.

基于验证过的有限元模型,进一步研究了混杂正交三维机织复合材料（3DWOHC）的压缩性能.在混杂正交三维机织复合材料（3DWOHC）中,纵向承载纤维是纵向T300碳纤维和纵向E玻璃纤维.以前的数据表明：当复合材料受到压缩载荷时,一般由于传载纤维束的扭折而导致材料失效,而这种扭折失效的主要原因是传载纤维束存在的初始几何缺陷所造成的.基于在纯基体内的纵向纤维束的第一阶屈曲模态,提出了一个可描述传载纤维束的初始几何缺陷的数学模型.纯基体可视为弹性支撑,而纵向纤维束则视为受弹性支撑约束的圆柱杆.对于纯基体内的纵向纤维束采用有限元法进行了屈曲分析,发现该纵向纤维束的第一阶屈曲模态含有两个半波.因此,在所提出的几何缺陷模型中也假设含有两个半波.在分析过程中,通过ABAQUS中的用户定义子程序“ORIENT”来引入几何缺陷,其中“ORIENT”为ABAQUS的可选选项.

对于纤维束结构损伤的初始形成及后续演化,采用了基于三维应力的失效准则-Hashin准则；各向同性基体材料采用了J2流动理论并结合von-Mises失效准则进行建模.基于三维应力准则来降低已失效材料的工程弹性常数,通过用户定义子程序“UMAT”引入该失效准则和刚度折减模型.对于有限元模型,在纵向,一端施加约束,另一端施加位移载荷.每一计算步后都需求出约束端节点的累积支反力.将最大累积节点支反力除以截面积,就可确定出混杂正交三维机织复合材料（3DWOHC）的压缩强度.采用这样的模拟策略,利用ABAQUS预测了材料的压缩强度特性,并通过与实验结果的比较,验证了该模型和模拟策略的正确性.同时,通过材料的混杂研究,确定了在增加纵向碳纤维对于混杂正交三维机织复合材料（3DWOHC）压缩强度的影响.研究结果表明,由于T300碳纤维的压缩强度与玻璃纤维几乎相同,所以复合材料的整体压缩强度并未提高.

为了确定混杂正交三维机织复合材料（3DWOHC）低速冲击后所引起的损伤并了解损伤的产生机理,通过ABAQUS/Explicit建立了一种基于有限元的冲击损伤模型.该有限元模型由混杂正交三维机织复合材料（3DWOHC）板（和试验件相同）和一个圆冲头组成.为了节省计算资源,利用关于平行于纵向和横向中面的几何、材料和载荷对称性,仅取正交三维机织复合材料板的四分之一进行建模；圆冲头采用三维实体建模,用刚体模拟； Z向纤维束被模拟成矩形截面,并具有理想的纤维方向.整个混杂正交三维机织复合材料（3DWOHC）有限元模型采用C3D8R三维线性六面体单元进行建模.

横向各向同性纤维束定义为无损的线弹塑性材料,基体材料采用J2流动理论进行建模.对于横向各向同性纤维束,采用了基于三维应力的Hashin失效准则；而对于各向同性基体材料,采用了von-Mises失效准则.纤维束的力学特性由Chamis微观力学理论计算得到.采用基于三维应力的失效准则来降低已失效材料的工程弹性常数.通过用户定义子程序“VUMAT”引入上述失效准则和刚度折减模型.对于冲击的数值模拟,采用了与试验一致的不同初始冲击能量.

为了确定受冲击损伤后的混杂正交三维机织复合材料（3DWOHC）的剩余压缩强度,建立了冲击后压缩模型.在建立混杂正交三维机织复合材料（3DWOHC）平板模型时采用了无损材料和含损伤的材料（有损材料）,并使用C3D20三维六面四边形体单元进行建模.无损材料由传载的E-玻璃纤维复合材料和T300碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料构成,其力学特性可由前面建立的方法确定.在纵向,采用基于Hashin准则的纤维失效模型来判断单元是否失效.对无损材料的工程弹性常数进行折减,就可得到有损材料的工程弹性常数,并且该折减系数与无损材料失效时的折减系数相同.

对于无损材料,通过编写用户定义子程序“UMAT”就可引入失效准则和折减模型.有限元模型一端完全约束,另一端施加位移载荷.每一计算步后都要求出约束端节点的累积的支反力,将最大累积节点支反力除以截面积,就可确定有效剩余压缩强度,并可确定有效剩余强度和强度折减系数.通过将预测参数与实验结果进行比较对比,发现预测结果与试验数据相吻合,验证了所建立的模型的正确性.

论文最后是全文的总结和展望,总结了全文的研究工作,指出了有创新意义的研究成果,并给出了需要进一步研究的一些内容.下面简要地给出主要研究工作和有创新性的研究成果：

1.建立了可用于如渗透模型、微观力学模型之类的预测模型的新几何模型.提出了一种新颖形函数-GS函数,该函数可以参数形式描述多种多样的纤维束的横截面几何特性,能够用于任何机织复合材料的几何建模.同时,还建立了一种新颖的适用性广泛的通用几何模型(GG模型),除能够用于本文研究所涉及的三维机织预制件/复合材料的几何表征外,也适用于其他三维编制件的几何表征.

2.提出了一种新的刚度分析模型(GS模型),该模型中计及了杂交增强效应和z-向纤维的起伏效应,利用GS模型可方便地确定三维机织复合材料的工程弹性常数.

3.通过电镜分析获得复合材料纤维束和整个试件的几何细节,然后建立实际材料/试件的几何模型和代表体的有限元模型,有限元分析时施加周期性边界条件以体现混杂正交三维机织复合材料的周期性特性.通过分析计算,确定了各组份的承载机理及其力学性能,并由建立的GS模型获得了材料的工程弹性常数.预测结果与实验结果吻合验证了所建立的模型的正确性.

4.基于验证过的有限元模型,研究了混杂正交三维机织复合材料的压缩性能.根据试验和电镜分析先确定了一般的压缩失效机理：即当复合材料受到压时,传载纤维束的初始几何缺陷使其发生扭折,从而导致材料失效.由此提出了一个可用于描述传载纤维束初始几何缺陷数学模型,并通过用户定义子程序“ORIENT”引入；对于纤维束结构损伤的初始形成及后续演化,通过用户定义子程序“UMAT”引入基于三维应力的失效准则；各向同性基体材料采用了J2流动理论并结合von-Mises失效准则进行建模.采用这样的模拟策略,最终利用A

第三篇材料工程论文范文模板：三维编织复合材料力学性能与工程应用研究

复合材料的三维编织技术是从20世纪80年*始发展起来的一种新型复合材料成型技术,它将古老的编织技术与现代复合材料成型技术有机地融于一体,形成了一种具有独特结构的复合材料.应用三维编织技术制造复合材料,从编织、复合到成品,不分层,无机械加工,或仅做不损伤纤维的少量加工,从而保持了材料的整体性,克服了层合板复合材料层间强度和刚度不足的缺陷,显著地提高了材料的整体强度和刚度,也极大地提高了材料的综合性能.目前编织结构复合材料已广泛应用于许多高科技领域,例如体育用品、工业设备、医疗器械、汽车结构以及国防和航空航天等.本文对三维编织复合材料的编织工艺、力学性能和高科技工程应用等方面的问题进行了全面系统的研究.

本文所做工作和创新主要表现在以下几个方面:

在深入分析三维编织工艺和预制件细观结构的基础上,首次提出了一种固定网格法对三维编织工艺进行计算机仿真.采用MATLAB+3DMAX+AutoCAD VBA组合开发平台,绘制了三维编织预成型件的空间网格图和实体图,动态模拟了三维编织工艺全过程.

在对三维编织复合材料基本的单胞力学模型进行分析的基础上,运用三细胞模型,对圆形截面三维编织复合材料的工程弹性常数进行了理论预测,通过数学推导和数值计算,首次提出了一种准横观各向同性材料的概念.这种材料的本构关系中有6个弹性常数,其特性介于横观各向同性材料和正交各向异性材料之间.圆形截面三维编织复合材料即可以看作准横观各向同性材料,这样可以简化三维编织复合材料力学分析.

以Tsai-Wu强度准则的二阶表现形式为基础,提出了一种计算三维编织复合材料矩形截面梁纵向拉伸强度的理论方法.该方法把三维编织复合材料看作横观各向同性材料,从而在确定Tsai-Wu强度准则的各阶强度张量系数时可以进行简化,使Tsai-Wu强度准则能较好地应用于三维编织复合材料的强度计算.

以单向复合材料轴向拉伸强度的统计模型为基础,首次提出了一种计算三维编织复合材料轴向拉伸统计强度的新方法.根据这种方法进行数值计算的结果表明,该方法能较好地预测三维编织复合材料的轴向拉伸统计强度.

首次导出了三维编织复合材料剩余刚度和疲劳寿命的威布尔概率分布函数的表达式,并给出了上述两个分布函数中有关参数的确定方法,为以后进一步研究三维编织复合材料疲劳寿命试验和寿命预测提供一定的理论依据.

通过对三维编织复合材料圆柱壳进行屈曲和应力分析,首次对三维编织复合材料高压储气瓶的临界载荷、强度和应力分布等技术指标进行了数值计算,其结果表明屈曲对三维编织复合材料高压储气瓶使用性能的影响是毋庸置疑的.基于圆形四步法三维编织工艺及上述理论分析,提出了三维编织复合材料高压储气瓶的结构优化设计数学模型,为气瓶在CNG汽车工业中的应用提供了重要的技术保证.

分别用解析法和有限元方法,首次对三维编织复合材料高速飞轮进行了动力学分析和固有频率的计算,给出了飞轮极限转速和固有频率的理论计算公式.由于三维编织复合材料构件具有极高的比强度和比模量,因此三维编织飞轮能够在保证强度的前提下,大幅度地提高飞轮的极限转速,并具有极高的固有频率,满足了飞轮的使用性能.

第四篇材料工程论文范例：孔隙类工程材料的静动态力学性能研究和在防护工程中的应用

研究既有良好吸能消波效果又有较高强度的新型材料及其相应配置防护层在防护工程中具有重要应用价值,也具有重要的学术价值.本文以成层式防护工程为研究背景,结合含孔隙材料中的空穴对应力波的绕射隔离效应和消波效应,研究制备了一种新型的硅铝质泡沫陶瓷材料,在此基础上研制了具有母体材料微孔隙-壳体内穴-壳间空穴的三重空穴隔离效果的空壳颗粒材料,并将其应用到成层式防护工程的分配层中,考察该种新型材料对爆炸波的削弱作用.首先采用理论分析、动静态力学实验和数值计算等方法来对孔隙率为75%的硅铝质泡沫陶瓷材料的动静态力学性质和本构模型进行分析和讨论；然后再将空壳颗粒材料应用到成层式地下防护结构的分配层中进行化爆模拟试验,并与传统黄沙分配层的消波效果进行对比,并揭示了新材料和防护层的优势；最后以对非均质复杂防护层进行“等效本构模拟”的思想,对化爆试验进行数值模拟,并分析了有关参数的影响,说明了方法的工程适用性.以实验结果为基础,提出了三种不同的函数来描述混凝土材料的应变率效应,并以长杆弹侵彻混凝土靶板试验为依据进行了抗侵彻数值模拟.研究成果对于新型的泡沫陶瓷材料和混凝土类材料在民用和军事领域的研发和推广具有一定的参考价值.本文的主要研究内容和成果如下：

利用MTS (Material Test System,材料试验机),对硅铝质泡沫陶瓷材料进行不同应变率下准静态一维应力压缩实验,得到了应力应变曲线、屈服强度和杨氏模量等力学参数,结果显示其屈服强度和屈服应变均随着应变率的增加而增大.通过对应力应变曲线进行最小二乘法拟合,提出了一种形式简单的单参数唯象学本构模型,实验结果与拟合结果符合良好.同时对该种材料进行低应变率下含卸载的准静态一维应变单轴压缩实验,直接测得了应力应变曲线、屈服强度、屈服应变和轴向弹性模量,发现材料的屈服应力随着应变率的增加而增大.从广义胡克定律出发,根据一维应力和一维应变加载下测得的轴向弹性模量计算得到了材料的泊松比.最后根据应力应变曲线对材料在不同应变率下的压缩吸能效果进行了对比分析,结果显示材料的能量吸收值随着应变率的而提高而增加.

利用SHPB (Split Hopkinson Pressure Bar,分离式霍普金森压杆)对硅铝质泡沫陶瓷材料进行了较高应变率(0s-100s-1)下的冲击压缩实验,实验直接测得了应力应变曲线、屈服强度和杨氏模量等力学参数,并探讨了屈服强度的应变率效应.对脆性泡沫材料的SHPB实验技术作了针对性的研究,并通过使用大尺寸压杆、橡胶质波形整形器和半导体应变片来改进脆性泡沫材料的动态压缩实验技术.结果显示,新方法能更好地保证动态压缩实验过程的等应变率特性、试件的应力均匀性和实验结果的一致性.最后简单分析了冲击加载下材料应力应变曲线的特征.

以分层式防护结构的消波减震性能为研究背景,将具有三重空穴隔离效应的空壳颗粒材料应用到成层式防护结构中.首先对野外化爆缩尺比试验的相似律问题进行了理论分析,并对应力波在层状介质中的传播规律进行了推导.将一种由硅铝质泡沫陶瓷材料烧结而成的球形中空空壳颗粒材料应用到防护结构的分配层中,通过大尺比野外化爆试验对比分析了传统的黄沙分配层和空壳颗粒材料分配层在爆炸载荷下对爆炸波的消弱效果.结果显示,空壳颗粒材料比黄沙具有更强的消波耗能效应,前者所构建的分配层对应力波峰值的衰减幅度比后者要高出40%以上,而且空壳颗粒构建的分配层在二次爆炸加载过程中也能够大幅削弱爆炸波强度.最后以对爆炸载荷应力波衰减效果为目标提出了一种对非均质复杂防护层进行等效本构模拟的思想,利用等效本构模型和有限元计算软件ANSYS/LS-DYNA对集中药包爆炸条件下爆炸波衰减效果进行数值模拟,结果显示所选材料本构能较好地描述空壳颗粒材料在防护结构中的消波效应.

在对混凝土类材料的几种常用的本构模型进行对比分析的基础上,根据高低应变率下的单轴压缩实验结果对C40混凝土单轴压缩屈服强度的应变率效应进行了研究,经拟合得出了屈服强度与应变率之间的分段线性表达式、连续过度的幂次型函数表达式和双对数平面内的指数函数表达式.以长杆弹侵彻钢纤维混凝土靶板的模拟试验为依据,利用有限元计算软件ANSYS/LS-DYNA对素混凝土和钢纤维混凝土的抗侵彻力学行为进行了三维数值模拟,重点分析了长杆弹的剩余速度、剩余动能和靶板的开坑形态.长杆弹在侵彻前后速度的降低幅值会随着入射速度的增加而增加,但是降低幅值的百分比却随着入射速度的增加而降低.通过对弹体侵彻前后速度的变化、动能的变化和靶板开坑形态的分析,结果显示钢纤维含量为3.0%的钢纤维混凝土比素混凝土具有更好的抗侵彻能力.

第五篇材料工程论文范文格式：高性能磷酸镁水泥基材料研究

磷酸镁水泥(Magnesia-Phosphate Cement MPC)基材料是一种通过酸-碱反应及物理作用而凝结硬化的新型水泥基材料,该材料具有水化迅速、早期强度高和环境适应性广等特点,有着非常重要的军事应用价值,在高速公路与市政主干道的快速修补及有害物质固化等方面也有着广阔的应用前景.已有的研究主要集中在水泥的基本性能、水化机理及水化产物等方面,且研究工作也不够系统,针对磷酸镁水泥基材料工程应用的基础研究较少,特别是对磷酸镁水泥基材料快硬早强以外的一些特殊性能研究更少.论文围绕磷酸镁水泥基材料的大规模应用所涉及的一些基础问题展开研究,在解放*后勤部《军事工程快速抢修材料技术》和重庆市科委《新型磷酸盐胶凝材料的研制及在路面修补工程中的应用》项目资助下开展有关研究工作.

论文首先对磷酸镁水泥凝结时间及强度进行研究,确定适用的磷酸镁水泥配方并研究水泥在不同环境下的存放性能,然后针对军事工程用抢修抢建材料的要求,对影响磷酸镁水泥基材料工作性和强度的因素进行系统研究,以达到工作性与强度的有机统一,特别针对磷酸镁水泥基材料可负温水化硬化的特性,研究其负温下强度发展规律及性能改善途径.最后,对磷酸镁水泥的耐化学侵蚀性、收缩性能、抗钢筋锈蚀性、粘结等性能及工程应用进行研究.论文研究以宏观性能的试验研究为主,同时采用X射线衍射分析、SEM、能谱分析等技术手段进行物相分析,观察水化产物的形貌及界面结构,以分析磷酸镁水泥结构与性能之间的关系.

论文研究取得了以下几方面的成果:①成功利用工业级原材料制备出快硬高强磷酸镁水泥,指出控制磷酸镁水泥凝结速度与早期强度的关键在于调整MgO颗粒的溶解速度,且缓凝剂、MgO比表面积、NH4H2PO4与MgO比值(P/M)是影响磷酸镁水泥凝结时间与强度的主要因素.粉煤灰降低磷酸镁水泥强度的主要原因在于其吸附作用、改变溶液水化环境(pH值)及杂质影响.首次对磷酸镁水泥的存放性能进行研究,结果表明采取一定的包装方式可使水泥具有良好的存放性能.②研究发现,适用于普通硅酸盐水泥的木钙、FDN、聚羧酸盐类、氨基磺酸盐类等减水剂对于磷酸镁水泥砂浆流动性改善效果并不明显,甚至还会降低流动性.在理论分析和对比试验的基础上,配制出适合磷酸镁水泥水化体系的复合减水剂,该复合减水剂对磷酸镁水泥基材料的流动性有明显改善作用,同时还可明显提高磷酸镁水泥基材料的强度,解决了工程应用对磷酸镁水泥要求同时具备高工作性与高强度的难题.③采用氨水防冻剂真正实现了磷酸镁水泥完全负温条件下的成型和硬化,强度发展可以达到快速抢修的要求.针对负温条件下磷酸镁水泥砂浆强度改善途径,采取的预养护、降低水胶比和缓凝剂掺量、提高拌合用水温度措施,可明显提高负温条件下磷酸镁水泥砂浆的强度,研究结果还显示氨水是磷酸镁水泥基材料较为理想的防冻剂,而K_2CO_3、NaCl和NaNO_2不适于用作磷酸镁水泥基材料防冻剂,采用同时掺入氨水和复合减水剂的技术途径可显著提高磷酸镁水泥砂浆在负温环境下的强度.④磷酸镁水泥砂浆收缩与耐久性研究结果表明,磷酸镁水泥砂浆收缩率在水化28d前增长迅速,28d之后则基本稳定,降低水泥比表面积和缓凝剂掺量、降低水胶比和胶砂比以及掺入粉煤灰可减少砂浆的收缩,系统研究了磷酸镁水泥基材料在不同侵蚀溶液下的强度损失及重量损失,指出了磷酸镁水泥基材料耐化学侵蚀性与水化产物MgNH_4PO_4·,6H_2O在各溶液中的稳定性密切相关,为该材料的使用范围提供了理论依据.研究结果还表明磷酸镁水泥基材料具有良好的抗渗性能、护筋性能、抗盐冻性能以及良好的界面粘结性能和耐磨性能.

论文在对磷酸镁水泥基材料基本性能展开研究的同时,还对磷酸镁水泥基材料可能应用领域进行探索性研究.研究了采用海水与海砂配制磷酸镁水泥混凝土的可行性,研究了玻璃纤维在磷酸镁水泥基材料中的腐蚀情况,还研究了磷酸镁水泥粘结性能以及与硫铝酸盐水泥对比在负温条件下强度发展情况,并进行实际工程应用试验研究.

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