【摘要】：隨著工業(yè)科技的迅猛發(fā)展,各個領(lǐng)域?qū)Σ牧戏蹢l件下力學(xué)行為測試手段的需求越來越急切。通過模擬服役條件下材料的應(yīng)力狀態(tài)及周圍物理場環(huán)境,從而進行力學(xué)性能測試,由此獲得的材料力學(xué)性能參數(shù)將是材料先進制備成型加工、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電子信息通訊、航空航天等領(lǐng)域中材料應(yīng)用的重要理論依據(jù),此種測試手段具有重要意義,也將對社會和經(jīng)濟效益產(chǎn)生正面積極的作用。由于材料在服役過程中的工作環(huán)境較為復(fù)雜,不可避免地會受到多種外部機械載荷(如拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲等)的同時作用,且材料在不同外部載荷作用下會表現(xiàn)出截然不同的力學(xué)性能。同時,服役過程中材料也會受到熱、電、磁等多外場耦合作用,這也會誘發(fā)材料力學(xué)性能發(fā)生改變,進而導(dǎo)致力學(xué)行為的變化。在實際工程應(yīng)用中,開展接近服役條件下材料的力學(xué)性能測試試驗是重要的質(zhì)量保障手段。而現(xiàn)有材料力學(xué)試驗機,如拉伸試驗機、三點彎曲試驗機等大部分都只能提供單一載荷測試功能,且無法對材料表面形貌特征進行原位監(jiān)測,也不能施加熱、電、磁等物理場。因此,傳統(tǒng)的材料力學(xué)試驗機已經(jīng)不能滿足當前材料測試領(lǐng)域?qū)y試裝置的需求。所以,能夠開展復(fù)合載荷多物理場作用下材料力學(xué)性能進行原位(In-situ)測試的測試裝置設(shè)計分析和試驗研究成為本文研究的重點。本文面向材料服役性能測試領(lǐng)域的國家重大需求和國際發(fā)展動態(tài),結(jié)合材料服役性能測試領(lǐng)域復(fù)合載荷多物理場力學(xué)性能測試技術(shù)的研究現(xiàn)狀,設(shè)計提出了能夠?qū)崿F(xiàn)拉伸-懸臂彎曲-扭轉(zhuǎn)復(fù)合載荷加載以及熱、電、磁物理場同時加載的材料力學(xué)性能原位測試裝置,并在測試裝置功能設(shè)計分析,測試裝置性能測試與分析,復(fù)合載荷加載軌跡規(guī)劃,應(yīng)力狀態(tài)理論分析,形狀改變比能理論分析和銅鋅鋁合金力學(xué)性能測試試驗方面開展了系統(tǒng)工作。本文的主要研究工作如下:(1)基于多軸并聯(lián)機構(gòu)載荷施加及空間運動軌跡規(guī)劃原理,提出了拉伸/壓縮、扭轉(zhuǎn)、懸臂彎曲多種載荷復(fù)合加載的材料力學(xué)性能測試新技術(shù)。所提出的測試技術(shù)實現(xiàn)了復(fù)合載荷的協(xié)同精密加載和控制,克服了串聯(lián)式載荷施加方法對復(fù)合載荷測試精度的影響,依托空間位置控制方法,達到了較高的測試精度,豐富了復(fù)合載荷材料力學(xué)試測試方法;以風力發(fā)電機為例,分析了拉伸-扭轉(zhuǎn),拉伸-懸臂彎曲,扭轉(zhuǎn)-懸臂彎曲,拉伸-扭轉(zhuǎn)-懸臂彎曲復(fù)合載荷作用下材料所處的復(fù)合載荷應(yīng)力狀態(tài);同時針對本文提出的復(fù)合載荷試驗方法,推導(dǎo)了并聯(lián)驅(qū)動加載單元的空間位置反解方程;進而對空間運動軌跡進行了規(guī)劃,設(shè)計了兩種空間加載軌跡:笛卡爾坐標系下的螺旋線軌跡和空間坐標系下的懸臂彎曲軌跡;(2)基于大幅值、多波形、非接觸式的電場、磁場、熱場加載原理,提出了電熱磁多物理場耦合材料力學(xué)性能測試新技術(shù)。構(gòu)建了接近材料實際服役工況下的多物理場環(huán)境,實現(xiàn)了相關(guān)試驗參數(shù)的大量程、高精度、快速響應(yīng)的控制與檢測;采用大電流、非接觸式輻射、電磁線圈實現(xiàn)熱電磁多物理場加載,解決了多物理場加載時的空間干涉問題,最終實現(xiàn)多物理場的結(jié)構(gòu)設(shè)計和協(xié)同精密加載;針對多物理場加載單元進行功能擴展,物理場可以實現(xiàn)波形加載;(3)提出了采用數(shù)字圖像相關(guān)及光學(xué)顯微成像相結(jié)合的材料力學(xué)行為與變形損傷的動態(tài)原位監(jiān)測技術(shù)。結(jié)合空間圓柱坐標系內(nèi)定位方法和多線程、高精度的定量/持續(xù)運動控制,實現(xiàn)了大范圍、長焦距、徑向可調(diào)的全場原位監(jiān)測結(jié)果的高精度采集;結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)了復(fù)合載荷試驗條件下的三維非接觸式應(yīng)變測量,屬于應(yīng)變的非接觸式直接測量,減少應(yīng)變間接測量方式帶來的繁瑣誤差修正工作;提出了多種功能模塊在空間圓柱坐標系內(nèi)定位方法,可實現(xiàn)試件全表面的原位監(jiān)測,在同一次試驗中可以觀測試件表面不同區(qū)域的形貌變化;(4)在上述工作的基礎(chǔ)上,研制開發(fā)了復(fù)合載荷多物理場材料力學(xué)性能原位測試裝置;針對接近材料服役狀態(tài)下的拉伸、扭轉(zhuǎn)、懸臂彎曲復(fù)合載荷應(yīng)力狀態(tài),結(jié)合兩種理論開展了相應(yīng)的理論分析工作,進而得到了材料在復(fù)合載荷應(yīng)力狀態(tài)下材料力學(xué)性能理論變化規(guī)律。針對銅鋅鋁合金(Cu-Zn-Al)開展復(fù)合載荷多物理場下的力學(xué)性能原位測試試驗,試驗結(jié)果規(guī)律與理論分析得出的材料力學(xué)性能變化規(guī)律相吻合,理論分析與試驗結(jié)果得到了良好的相互驗證。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH87
【圖文】：

第 1 章 緒 論1.1 引言從古至今，材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，并且在整個人類的發(fā)展歷史長河中扮演著不可替代的角色。進入 21 世紀，材料作為眾多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支撐與先導(dǎo)，與信息、能源一道成為當代文明的三大支柱。各種新型材料[1-18]如雨后春筍般涌現(xiàn)于各個應(yīng)用領(lǐng)域，圖 1.1 所示是近年來獲得學(xué)術(shù)界高度關(guān)注的部分新型材料。

圖 1.1 近年來學(xué)術(shù)界高度關(guān)注的部分新型材料[1-18]值得注意的是，任何材料在服役過程中，都不可避免地受到外部載荷作用現(xiàn)形變、損傷和破壞，這類問題在實際生產(chǎn)生活中不勝枚舉。尤其在一些的應(yīng)用場合，材料的失效將會帶來巨大的經(jīng)濟損失。例如：美國每年 119經(jīng)濟損失就是因為材料斷裂；英國因腐蝕疲勞失效使得海上開采石油產(chǎn)業(yè)%；我國同樣每年因此蒙受 4900 億人民幣的經(jīng)濟損失。上述情況發(fā)生的材由于材料內(nèi)部在微觀尺度下已經(jīng)出現(xiàn)了微觀損傷破壞，如微裂紋等，如圖進而在接下來的服役狀態(tài)下不能承受與預(yù)期匹配的應(yīng)力狀態(tài)，使得微觀缺連接（聚合），最終形成宏觀裂紋。

圖 1.3 材料科學(xué)與工程四要素常表現(xiàn)為材料的強度指標、剛度指標、硬切模量、抗拉強度、抗剪強度等參數(shù)。這驗測定的，每一種試驗都需要通過相應(yīng)的概要如表 1.1 所示，具體詳細理論計算公表 1.1 常規(guī)力學(xué)性能測試方法概要測試原理簡圖 理論計算依據(jù) 胡克定律胡克定律
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本文編號：2875913