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2025,40(2):143-149 ,DOI: 10.7520/1001-4888-24-052
Abstract:
超材料是当前太赫兹领域的研究热点，针对已有超材料结构组成的应变传感器制造成本较高的问题，本文提出了一种周期性圆孔阵列结构，并通过实验和数值模拟仿真研究了基于该结构的应变传感机理。首先，通过实验方法测量了周期性圆孔阵列结构无载荷状态下的太赫兹透射谱；然后，通过加载实验探究了应变对该结构太赫兹透射谱的影响；最后，通过力学-电磁学耦合仿真，模拟了应变对周期性圆孔阵列结构的太赫兹透射谱的调制作用，以验证实验结果的有效性。实验结果和仿真结果一致表明，周期性圆孔阵列结构可调制太赫兹波，使结构的太赫兹透射谱上出现特征吸收谷，当太赫兹波为线性偏振状态，且加载方向与太赫兹波的偏振方向平行时，应变能够调制特征吸收谷的水平位置，使其产生规律频移。本文通过建立应变与特征吸收谷频移之间的线性关系，实现了应变感知，利用本文提出的周期性圆孔阵列结构今后有望设计一种成本低且具有良好应变感知效果的应变传感器。
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2025,40(2):150-162 ,DOI: 10.7520/1001-4888-24-064
Abstract:
滚动轴承内部的摩擦力矩会加剧滚动体与滚道接触表面的摩擦磨损和疲劳剥落。本文以线张力法为基础，开发了一种适用于大径向载荷下测量滚动轴承摩擦力矩的改进线张力法。该方法通过多对力传感器并联的形式解决了大径向载荷加载和摩擦力矩高精度测试间的矛盾。以圆柱滚子轴承为试验轴承，对轴承座进行特殊的传感器化，并通过设计搭建一套试验系统，完成了该测试方法的实用性和有效性讨论。在不同轴转速、外加载荷及润滑脂类型的工况下对摩擦力矩的影响规律开展分析研究，结果表明：在大多数运行工况下，圆柱滚子轴承摩擦力矩随外加载荷、轴转速及润滑油黏度的增大而增大，然而在打滑工况下，打滑率会成为影响摩擦力矩的主导因素。
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2025,40(2):163-171 ,DOI: 10.7520/1001-4888-24-047
Abstract:
光聚合树脂因具有反应条件简单、易于操作等优点，在3D打印、表面涂层和牙齿修复等领域得到了广泛应用。然而，聚合过程中在材料与基质界面处产生的收缩应力严重影响着光聚合树脂的服役功效，因此，准确测量光聚合树脂的收缩应力对提高其服役质量至关重要。现有收缩应力测试方法仅适用于单轴或轴对称条件下收缩应力的测量，难以实现对实际应用工况下三维应力的测试。本文提出声发射技术结合有限元分析的收缩应力评估方法，并通过该方法证实了声发射事件数与有限元预测应力的正相关性，验证了模型准确性，并精确预测了树脂与基质界面处的应力分布；进一步研究表明，无机填料质量分数对光聚合树脂固化过程中三维收缩应力的影响与基质刚度有关,在低刚度条件下，增加填料质量分数可以有效降低树脂收缩应力，而在高刚度条件下，填料质量分数对树脂收缩应力的影响较小。声发射技术结合有限元分析的方法为光聚合三维收缩应力的评估提供了一种新的测试手段，测试结果可为光聚合材料的工艺优化与功效提升提供科学依据。
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2025,40(2):172-182 ,DOI: 10.7520/1001-4888-24-102
Abstract:
双L形断面高层建筑是一种新颖的建筑形式，此类建筑的立面较多、风荷载相对复杂，相关研究尚不多见。本文通过风洞试验与数值模拟，对双L形高层建筑的风荷载进行研究，分析了风向角、L夹角、长宽比、间厚比等因素对体型系数和风力系数的影响规律，并对各种参数条件下的体型系数和风力系数进行了定量分析总结。结果表明：在全风向角下，双L形高层建筑所有外立面的体型系数均在正交风向角达到最大，所有内侧立面的体型系数均为负值，体型系数最大绝对值显著大于常规断面高层建筑；双L形断面的间厚比和夹角对风力系数的影响较小，而长宽比对风力系数的影响较大，在特定长宽比下，双L形高层建筑的横风向和扭转向风力系数远大于常规断面高层建筑。本文所得结果可为类似高层建筑的抗风设计提供参考。
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2025,40(2):183-192 ,DOI: 10.7520/1001-4888-24-056
Abstract:
为探究喷气对物体在沙土中运动时的减阻效果，通过搭建贯入速度可调、气体流速可控的水平贯入实验系统，研究了气体流速、喷气口数量与分布形式、沙土介质含水率等因素对水平贯入阻力的影响，并与不喷气时的贯入阻力进行对比分析。实验中喷气贯入干沙时，仅喷气口位置及以上的沙颗粒被气流吹散飞扬，下层的颗粒几乎不被扰动。在气流作用下，干沙颗粒出现局部流化现象导致贯入阻力明显减小，且气体流速越大，减阻效果越明显。在湿沙中喷气前进与不喷气时相比有明显的减阻效果。本文实验中石英沙颗粒的含水率为0~20%，无喷气时贯入阻力随含水率增大呈线性增长；有喷气时随着含水率增大，贯入阻力呈指数函数增长。本文实验中，贯入干沙时的最大减阻百分率为63.5%，贯入湿沙时的最大减阻百分率为35.5%(含水率为20%时)。在保持总气压不变的前提下，改变喷气口数量与分布形式，物体喷气贯入干沙时的减阻百分率在20%左右，喷气贯入湿沙时的减阻百分率在10%以内；减阻效果最好的是前端单喷气口的喷气形式。
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2025,40(2):193-207 ,DOI: 10.7520/1001-4888-25-007
Abstract:
镁(Mg)及其合金,因具有良好的机械性能及体内可降解性，受到医疗器械科研人员和医务工作者的广泛关注。但是，镁在生理环境溶液中过快的降解速率限制了它的临床应用，且镁器械作为承载力植入物在生理载荷和腐蚀介质共同作用下，易发生应力腐蚀开裂(Stress corrosion cracking，SCC)，造成材料提前断裂失效。本文采用不同特性的类陶瓷微弧氧化(Micro-arc oxidation，MAO)膜层、生物相容性好且可降解的聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)高分子涂层及化学转化生成的氟化镁(MgF2)层，改善医用镁合金的耐蚀性和SCC行为；采用扫描电镜、光学显微镜、X射线衍射分析AZ31和ZK40镁合金2种基材的显微组织，以及表面改性膜层的微观结构、耐蚀性和物相成分组成；通过动电位极化技术，分析未改性和表面改性后基材的腐蚀行为；在汉克斯平衡盐溶液中采用慢应变速率拉伸测试获得应力-应变曲线，以分析不同试样的断口形貌特征。结果表明：尽管AZ31和ZK40镁合金2种基材表面的相同改性涂层具有相近的腐蚀速率，但抗SCC性能存在明显差异；PLGA涂层虽然耐蚀性最优，但其抗SCC最差，AZ31合金抑制SCC最好的为MAO膜层，而ZK40镁合金抑制SCC最好的是MgF2转化层。
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2025,40(2):208-220 ,DOI: 10.7520/1001-4888-24-063
Abstract:
在非均匀复杂位移场的数字图像相关方法测量中，由形函数欠匹配问题导致的系统误差,与随机噪声、灰度插值等误差相比,常常是主要的误差来源。传统的准高斯点欠匹配优化方法是基于一维位移假设的，而实际测量中的非均匀复杂位移场一般是二维的。基于此，本文提出了一种改进的准高斯点优化算法。该方法基于二维位移下的图像子区欠匹配系统误差场函数，得到二维情况下更具普适性的图像子区内零欠匹配系统误差点位置，并将这些点位作为图像子区的计算点位。通过实验对传统的准高斯点法与本文方法进行对比，结果表明，在对二维复杂位移场欠匹配系统误差的优化中，本文方法具有更好的稳定性与可靠性。
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2025,40(2):221-232 ,DOI: 10.7520/1001-4888-24-023
Abstract:
将不同相态的二氧化碳(CO2)注入难以开采的煤层过程中，会引发复杂的物理与化学反应，由此导致的煤层储层渗流特性变化规律仍存在显著研究空白。为解决这一问题，本文以内蒙古敏东一矿矿区为研究对象，将敏东一矿的煤样放入自制的三轴吸附渗透仪中，通过调控温度和压力进行不同相态CO2对煤样的吸附试验，以模拟复杂地应力条件下不同相态CO2在赋存条件差的煤层中的吸附过程。首先通过测量吸附后煤样的渗透率和波速，得到渗透率与孔隙压力、有效应力间的关系，然后依据裂隙隔断效应，通过波速衰减率表征了CO2对煤样的劣化程度。试验结果表明：1)煤样的渗透率演化受控于吸附CO2相态差异引起的基质膨胀效应，以及有效应力变化导致的裂隙闭合行为的耦合作用。2)随着煤样吸附CO2相态从气态经液态过渡到超临界态，渗透率因基质-裂隙耦合作用的增强而逐渐增大。3)煤样吸附CO2时，内部裂隙扩大并连通，导致煤样的声波传播速度与CO2注入压力呈负相关。4)随相态由气态至液态再至超临界态的转变，煤样的声波衰减率逐渐增大，使煤样内部渗流通道得到改善。
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2025,40(2):233-244 ,DOI: 10.7520/1001-4888-24-015
Abstract:
为了探究导波在玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)锚杆中的传播特性，实现对BFRP锚固锚杆质量的评价，本文通过开展导波检测试验，分析了自由BFRP锚杆及BFRP锚固锚杆结构中的导波波形、导波波速和衰减等特性。试验结果显示：1) 导波在不同直径自由BFRP锚杆中传播时，16 mm锚杆比20 mm锚杆中的导波传播速度更大、能量衰减更小。2) 导波在BFRP锚固锚杆结构中传播时，随着养护龄期的增加，导波的波速和衰减值的变化趋势相近，前7天大幅下降，之后趋于稳定。3) 35~70 kHz频段内的导波在含脱锚缺陷的锚固模型中比在无缺陷的锚固模型中传播的衰减值更大，且缺陷位置越远离激发端，导波衰减值越大。4) 引入衰减差异比值的概念，得到了衰减差异比值与脱锚缺陷位置的指数关系式，通过该关系式可实现BFRP锚固锚杆结构中脱锚缺陷位置的定量评价。
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2025,40(2):245-255 ,DOI: 10.7520/1001-4888-24-035
Abstract:
为了研究冻融循环作用下的混凝土动态力学特性，采用75 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)装置，开展混凝土试样经历0次、5次、10次、15次、20次冻融循环作用下的系列试验，分析材料的裂纹扩展、破碎形态、能量耗散及混凝土损伤程度的表征。试验结果表明：相同冻融循环次数作用下，材料的峰值应力、破碎时吸收的能量均随应变率增大而增大；随着应变率的增大，试件破坏特征由后端面比前端面破坏严重，过渡为前端面比后端面破坏严重；相同应变率下，冻融次数越多，材料的抗压强度越小，损伤程度越大。
2025年第40卷第2期
2025年第40卷第2期
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3D打印PLA构件及表面碳纤维增强改性力学性能实验研究
Abstract:
本文研究了3D打印聚乳酸(PLA)喷丝“纤维”不同方位和表面纤维增强对3D打印试样的力学性能的影响。首先利用材料试验机测得以不同“纤维”方位打印的试样的名义模量，依此利用各向同性和正交各向异性理论建立了3D打印PLA蜂窝板的有限元模型并模拟分析了悬臂蜂窝结构板的振动特性；同时，利用时间平均-实时相减电子散斑图干涉法测得了悬臂3D打印PLA蜂窝板的振动模态和模态频率。结果表明：3D打印PLA蜂窝板具有正交各向异性特性。振动特性测试表明：表面单向碳纤维增强对3D打印PLA蜂窝板弯曲刚度的提升量要大于扭转刚度。
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头型对水平高速入水弹体弹道及空泡特性影响研究
Abstract:
本文设计了一种基于火炮的水平发射射弹入水装置，研究了高速水平入水条件下弹体头型对弹道及空泡特性的影响规律。开展了5种不同头型弹体的高速水平入水试验，采用高速相机记录了弹体入水全过程，分析得到了空泡形貌、弹体轨迹以及弹头偏转数据。结果表明：对于实验所采用的5种头型的弹体，在约330m/s速度入水条件下，弹体的柱段均不影响空泡的形成；5 °切角头型弹体在入水过程中弹头偏转强烈，甚至产生了尾拍；弹头锥角和入水速度相同情况下，弹体头部端面圆的直径与空泡形貌尺寸成正比关系。研究结果对于武器装备的头型优化设计具有重要借鉴意义。
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FPP与DIC融合系统中的高精度三维位移及变形测量方法
Abstract:
栅线投影轮廓术(FPP)与数字图像相关(DIC)相融合的系统可以结合两种方法分别在时空域的高精度测量特性。但是，散斑图像噪声会严重影响系统测量精度。为此，本文提出了一种逐像素点的散斑图像噪声迭代抑制方法，通过理论推导详细分析了噪声抑制的机理。利用数值仿真模拟，分别研究了图像序列数量及噪声水平对本方法的影响。进行了楔形块纯平移实验与亚克力梁的四点弯实验，并与常规三维数字图像相关(3D-DIC)方法相比，证实了该方法可以有效降低散斑图像噪声引起的误差，实验结果表明本文所提出的方法可有效提高位移和应变测量精度。
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基于数据驱动的主动式红外缺陷检测方法研究
朱建国, 安国立, 李超逸, 卓立军, 金恩泽, 龚晓冬, 刘宏瑞
Abstract:
主动式红外热成像技术可实现大面积、快速和非接触检测，然而横向热扩散导致的边缘模糊问题给缺陷的定量检测带来困难。本研究通过长脉冲红外热成像无损检测技术，对带有平底盲孔圆形缺陷的氧化铝陶瓷材料进行了定量检测研究，提出了“三高宽”时序特征方法，并构建了基于数据驱动的长短时记忆网络深度学习模型。该算法首先在仿真数据集上完成训练与测试，随后通过实验数据集进行有效性验证。结果表明，本算法在在缺陷直径范围是1~10 mm的仿真数据中，平均绝对误差低于0.05 mm，具有2%以内的相对误差，实验数据中平均相对误差5%，具有较高的精准度和泛化性，为红外热成像技术的工程应用提供了重要技术支撑。
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深层缝洞型碳酸盐岩储层岩石物理力学特性试验研究
赵海涛, 张银涛, 徐彦龙, 熊昶, 李静, 许艳超, 徐国金
Abstract:
深层缝洞型碳酸盐岩油藏资源量丰富,勘探开发潜力巨大,岩石物理力学特性是储层精确评价的基础。为此,以塔里木盆地富满地区满深A井区一间房组储层为研究对象,通过扫描电镜、铸体薄片实验、物性测试和三轴压缩实验等开展储层岩石物理力学特性研究,研究结果表明,研究区储层整体发育生屑、砂屑滩相等灰岩类有利储集相带,储集性好；储集空间主要以孔洞和裂缝为主,溶蚀孔洞,粒间溶孔、微孔、微裂缝较发育,且孔喉相对比较粗大,连通性较好；储层有效孔隙度为1.8%~5.2%,渗透率为0.1×10-3~1×10-3μm2,中高渗储层占比约65.7%,整体连通性好,非均质性极强；岩石弹性模量为38.98~61.29 GPa,泊松比为0.213~0.353,随着围压的增大,岩样峰值强度增大,但增幅逐渐减小,弹性模量则呈现先增大后减小的趋势。研究成果可为深层碳酸盐岩油气高效勘探开发提供岩石物理力学数据基础。
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微波烧结过程中AlN密度均匀性的原位实验研究
Abstract:
氮化铝凭借高导热性和优异热稳定性，成为电子封装领域理想散热材料，但其强共价键特性导致低温烧结致密化困难。采用同步辐射计算机断层成像技术对纯氮化铝在微波作用下的微观结构演化进行研究。实验发现微波烧结后氮化铝样品致密度分布不均匀：竖直方向致密度由下至上梯度递减，水平方向均匀分布。提出"库仑力"驱动机制，解释了微波电场对致密度分布的调控作用——竖直方向的氮化铝颗粒间形成异种电荷吸引的正反馈循环，加速局部致密化；水平方向的颗粒则受多种电荷作用的排斥力，实现间距均匀化。该机制为微波烧结制备密度均匀分布的氮化铝陶瓷提供方案，对高导热电子封装材料工艺优化有参考意义。
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基于正交设计的软岩相似材料配比试验研究
林荔榕, 任小朋, 魏涛, 张迎宾, 俞强山, 陈强, 刘永航
Abstract:
为了能够选择合理的软岩相似材料配比以确保模型试验结果的可靠,考虑软岩强度低、亲水性强,在地震降雨等外部荷载作用下易导致滑坡形成的特性,在传统相似材料的基础上加入膨润土模拟软岩亲水特性,基于三因素四水平的正交设计开展了相似材料配比试验,对16组不同配合比的试样进行了密度、抗压强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角5项物理力学性能指标测试,通过极差和方差分析法对上述物理力学参数进行了敏感性分析。研究结果显示：不同配合比的相似材料物理力学参数分布范围广,能够基本满足滑坡模型试验对软岩相似材料的需求；相似材料密度对膨润土掺量和甘油含量的敏感程度高,抗压强度和弹性模量都受到甘油含量的显著影响,黏聚力随甘油含量和膨润土掺量的改变发生明显的变化,内摩擦角随甘油含量增加而减小,随骨胶比增大呈现先增大后减小趋势。研究结果可为滑坡模型试验中的软岩相似材料配比提供参考。
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植筋锚固对新老混凝土粘结斜剪性能的影响研究
司政, 杨晨, 黄灵芝, 杜晓奇, 张南科, 杨砾, 付登辉
Abstract:
在大坝加高工程中，新老混凝土的粘结质量直接关系到整个大坝结构的稳定和安全。混凝土斜剪试验能够模拟植筋锚固对新老混凝土粘结面在实际工作状态下受到的斜向剪切力。本文通过对植筋新老混凝土粘结试件进行斜剪试验，分析了植筋深度、植筋率和植筋方式对新老混凝土粘结试件斜剪性能的影响规律。结果表明：无植筋试件破坏属于脆性破坏，植筋试件破坏属于延性破坏；试件斜剪强度随植筋率和植筋深度的增加而增大；四种植筋方式下试件斜剪强度大小关系为：倒三角排列方式植筋＞上下排列方式植筋＞正三角排列方式植筋＞水平排列方式植筋。水平排列植筋方式和倒三角形排列植筋方式的斜剪强度比无植筋试件分别提高了73.38%和210.24%。将摩擦抗剪理论与斜截面承载力计算公式结合，得到植筋锚固新老混凝土粘结斜剪承载力计算模型，为评估不同植筋状态下新老混凝土粘结斜剪强度提供理论参考。
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含裂隙岩石动态力学性质及破坏模式尺寸效应研究
Abstract:
为探究含裂隙岩石动态力学性质及破坏模式尺寸效应,以不同尺寸含预制裂隙类岩石试样为研究对象,通过相同冲击强度的SHPB试验,得到试样尺寸效应、应变率效应的关联性及关联程度,在多组验证性SHPB试验的基础上,获得相同应变率条件下的不同尺寸试样力学性质及破坏模式特征。研究结果表明,尺寸效应和应变率效应对试样的动态强度产生耦合影响。相同应变率条件下,试样动态强度随尺寸的增大呈增加趋势,与相同冲击强度试验结果相比,控制应变率相同会明显减弱预制裂隙倾角对动态强度的影响。相同应变率下,试样首条新生裂纹一般在预制裂隙端部萌生,本文应变率条件下,随试样尺寸增大试样裂纹种类由拉伸、剪切及混合型裂纹向以拉伸裂纹为主转变。试样破碎块度与裂纹扩展类别有关,试样平均破碎块度是随试样尺寸变化的敏感变量,随试样尺寸的增加,试样碎块分形维数逐渐增加,不同预制裂纹倾角对分形维数的影响不同,这与试样裂纹类型及数量关系密切。
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深层致密储层压裂裂缝导流能力实验研究
李静, 于纪军, 葛祥, 孙鑫, 季运景, 李明智, 裴晨阳
Abstract:
储层压裂裂缝导流能力是影响油气田增产的重要因素。对于深层致密储层而言，受储层特征、高闭合压力及支撑剂类型等因素影响，导流能力下降较快，严重影响采收率。选择合适的支撑剂对于深层致密储层的压裂设计至关重要。本文选取多种不同类型陶粒支撑剂，开展裂缝导流能力评价实验。结果表明，在高闭合压力下，粒径越大，破碎率越高，导流能力下降幅度也越大，高强度支撑剂在压裂中表现出更好的性能；大粒径支撑剂在组合中所占的比重越大其导流能力就越高，40/70、70/140目陶粒组合比例为2:1时，裂缝导流能力最优；增加铺砂浓度可提高压裂缝导流能力并降低支撑剂嵌入的影响；影响深层致密储层压裂裂缝导流能力的因素按重要性依次排序为支撑剂粒径、强度、粒径组合、铺砂浓度及支撑剂嵌入。在高闭合压力下，基于实验测定，优选40/70目、70/140目陶粒混合比例为2:1，铺砂浓度为9.0 kg/m2，强度为103 MPa的支撑剂进行现场压裂。研究成果可为提高深层致密储层压裂效率提供技术支撑。
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剪切增稠材料增强涂覆的高灵敏抗冲击光纤
钟翔, 刘珂, 郭文博, 马孟超, 邓华夏, 刘冰, 龚兴龙
Abstract:
本文针对通感一体光网络中对光缆性能相互矛盾需求，提出了一种基于剪切增稠材料涂覆的创新解决方案。通感一体光网络要求光缆同时具备优异的抗冲击能力以确保通信稳定性，以及高灵敏度以实现微小动态应变的精确测量。为解决这一矛盾，本文采用在光纤表面交替涂覆剪切增稠液（STF）和剪切变硬胶（SSG）的方法，经过6次涂覆后，光纤直径从240.599μm增加至279.032μm。实验结果表明，涂覆剪切增稠材料的光纤平均灵敏度是未涂覆光纤的175.1%，同时抗冲击性能提高了40.6%。该方法有效平衡了光纤设计中抗冲击性能与测量灵敏度之间的冲突，为通感一体光网络的进一步发展提供了可行的技术路径，具有重要的应用潜力。
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中性盐雾腐蚀对AerMet100钢与TC18钛合金冲击疲劳寿命的影响研究
Abstract:
航空金属结构在服役过程中常面临海洋腐蚀环境与反复冲击载荷的联合作用，导致材料表面发生腐蚀损伤并显著劣化其冲击疲劳性能。为深入探讨这一现象，本文对航空领域关键结构材料AerMet100钢与TC18钛合金在中性盐雾腐蚀不同时长作用下对其冲击疲劳寿命的影响进行了系统地研究。通过中性盐雾腐蚀试验、落锤冲击疲劳寿命测定试验及扫描电子显微镜（SEM）表征技术，系统揭示了腐蚀时长对两类缺口三点弯曲试样冲击疲劳寿命的影响及其损伤机制。结果显示：随着盐雾腐蚀时长的增加，AerMet100钢的U/V-90°缺口试样和TC18钛合金U型缺口试样的疲劳寿命均呈现近似线性的衰减趋势，AerMet100钢在腐蚀240小时后疲劳寿命降至未腐蚀试样的约50%，而TC18钛合金的U型缺口试样在腐蚀480小时后降至未腐蚀试样的约50%。相比之下，TC18钛合金的V-90°型缺口试样由于缺口处较高的应力三轴度，其疲劳寿命主要受应力状态影响而非腐蚀损伤。另外，SEM结果分析表明，随着腐蚀时间的延长，AerMet100钢试样表面的腐蚀产物和点蚀坑数量显著增加，并伴随表面龟裂，促进了疲劳裂纹的萌生与扩展；而TC18钛合金因表面氧化膜对腐蚀介质的屏蔽效应，有效阻止了腐蚀介质的深入侵蚀，限制了裂纹的扩展路径，保持了较高的疲劳寿命。
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表面裂纹深度定量检测的红外成像方法研究
李超逸, 刘佳居, 朱建国, 卓立军, 金恩泽, 龚晓冬, 刘宏瑞
Abstract:
红外热成像无损检测技术以其非接触、快速、低成本和高精度等优势，在复合材料结构检测领域得到广泛应用。本研究针对复合材料表面裂纹检测难题，提出了一种线性激光热成像无损检测方法，并建立了基于表面最大温度梯度差的裂纹深度表征模型。通过热传导理论分析，深入揭示了表面裂纹对线性热源温度场的扰动机制；结合有限元数值模拟，构建了裂纹深度与最大温度梯度差之间的定量关系模型；最后通过实验验证了该方法在纤维复合材料表面裂纹深度识别中的有效性。实验结果表明，该方法具有较高的测量精度，裂纹深度识别的相对误差小于5%。本研究提出的基于表面最大温度梯度差的裂纹深度表征方法，为工程结构表面裂纹的定量检测提供了一种可靠的新方法，具有重要的工程应用价值。
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面向3D打印的聚合物非均质材料参数反演（实验力学反问题专辑）
Abstract:
目前，3D打印的聚合物被广泛应用于航空航天、生物医学等领域，在现代工业中有着至关重要的作用。受工艺参数波动和环境干扰等因素影响，3D打印过程中易产生孔隙、层间结合不良等缺陷，进而引发构件内部材料沉积均匀性下降问题。针对这一问题，本文提出一种基于优化的非均质材料参数反演的方法，并且基于3D打印物体的结构特征对反演算法进行改进，从而实现对3D打印缺陷的识别。本文利用该方法对3D打印物体的模拟算例进行反演，在测量位移场加入3%随机噪声下的反演结果误差仍能保持在2.1%以下，验证了方法的可行性及鲁棒性；利用实验测量的位移场对3D打印的真实物体进行反演，重建了被测物体的等效剪切模量和相对剪切模量分布，等效剪切模量重建结果相对参考值误差26.79%，表明该方法对复杂结构力学性能评估具有工程适用性。
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锂离子电池寿命预测参数的实验研究
张子龙, 谢海妹, 宋海滨, 张茜, 仇巍, 王毅泽, 亢一澜
Abstract:
精确预测锂离子电池寿命对于保障设备用电安全至关重要，本文针对电池寿命预测中的间接参数选取这一关键环节开展实验研究。设计了电池充放电循环、电化学阻抗和声发射一体化实验方案，获得了容量、阻抗和损伤随循环圈数的非线性演化规律。分析了电荷转移阻抗RCT和固态电解质界面膜阻抗RSEI通过影响电池内部电荷的传输和转移从而影响电池寿命衰退的机理，阐述了电池容量-阻抗-损伤的内在定性联系，并采用皮尔逊相关系数量化了RCT和RSEI与声发射累积撞击次数的关联，结果显示RCT和RSEI与声发射累积撞击次数的相关性系数均高于0.9，证明了阻抗与电极损伤关系紧密，其既包含电化学因素又能反映电极损伤信息，并且经由不同充放电倍率和不同电极材料的实验进一步得到验证。本文实验研究表明阻抗是考虑了力-电化学衰退内在机理的间接参数，为电池寿命预测的间接参数选择过程提供了理论支撑。
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透镜成像模型约束的大视场图像测量相机成像参数标定方法研究*
Abstract:
图像测量技术因其全场、非接触的特点而被广泛应用于航空、航天、航海和轨道交通等领域。图像测量过程中需要通过相机标定来确定二维图像与三维场景之间的转换关系,可以说,标定精度直接决定了图像测量精度。为了保证标定精度,标定中通常要求标定物视场占比不低于1/2。然而,在一些大视场测量场景中,标定物尺寸受限而无法满足视场占比要求,导致相机标定精度不足。为此,需要研究大视场相机成像参数标定方法,以保证图像测量技术在大视场测量场景中的有效应用。本文实验研究了不同物距对成像参数标定结果的影响,并通过透镜成像模型分析了影响的机制,据此提出了一种透镜成像模型约束的大视场相机成像参数标定方法。实验结果和分析表明：物距变化对等效焦距标定结果存在显著影响；透镜成像模型约束下,本文所提标定方法在近距离小视场下获得成像参数初值后,在远距离大视场下仅需拍摄单幅标定物图像即可获得高精度的成像参数标定结果,且标定物视场占比要求可降至1/8。
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岩石力学参数对致密砂岩水力压裂缝扩展影响研究
丁然, 林柏华, 任涛, 袁一平, 李静, 赵兴禹, 王志成, 宋懋良
Abstract:
准噶尔盆地永进地区齐古组储层埋藏深、储层致密、渗透率低，需要通过压裂改造才能形成工业油流，而厘清岩石的物理力学性质、压裂裂缝扩展影响因素，有助于提高致密油气开发效率。为此，开展了岩石力学实验，研究了基于损伤模型的致密砂岩水力压裂缝扩展力学机理。研究结果表明，稳定扩展压力随着弹性模量的上升而略微上升，水力压裂缝延伸长度随着弹性模量的增大而增大，但水力压裂缝宽度随着弹性模量增大而减小；稳定扩展压力与破裂压力随着泊松比的增大而减小，水力裂缝的宽度也随着泊松比的增大而减小，但泊松比的影响远低于弹性模量的影响；注液点峰值压力和稳定扩展压力均随着抗拉强度的增大而增大；水力压裂缝的宽度也随着岩石抗拉强度的增大而增大。
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VTOL飞行器动力学/控制一体化地面实验研究
Abstract:
由于对飞行器开展飞行实验的风险及代价较大，因此依据相对性原理模拟实际飞行的地面风洞实验是一种重要的研究方法。本文自主设计了可将动力学与控制一体化的地面风洞实验平台，能实时监测飞行器的气动特性，并对位置、姿态、速度的变化进行等效反馈，模拟实际飞行。以F450型号飞行器为实验对象进行性能研究，确定了其悬停状态下不同电机功率的载荷与续航时间，找到了不同飞行速度下载重、动力与续航的匹配关系并确定最佳飞行效率范围，通过特定载重飞行器变风速实验确定了飞行器的最大飞行速度等效最大抗横风极限，研究了飞行器应对风切变的操纵特性。研究结果表明，该平台能有效观测并分析飞行器的飞行效率、飞行极限、飞行控制及抗横风性能，为飞行性能研究提供了一种高效、低成本且低风险的测试方案，有效减少了实际飞行实验的成本和风险。
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基于小孔成像的偏振三维成像模型研究
Abstract:
偏振三维成像法可以仅通过一台相机实现全场法向量的测量，因而在许多领域得到了广泛的应用。现有的偏振三维成像模型通常假设从目标表面反射到相机的所有光都平行于相机的光轴，这与实际情况不符从而导致系统误差。为了解决该问题，本文提出一种能够准确描述成像光路的偏振三维成像小孔成像模型，该模型首先考虑了光的入射方向，并分析了法向量、反射光分量和反射率之间的关系；再利用偏振度和偏振角计算反射率和反射光分量与成像平面之间的角度；最后通过逆方法求解法向量和反射光分量和反射率之间的方程，实现了法向量的精确测量。通过一系列实验验证了该方法的准确性。结果表明，与传统模型相比，该模型具有应用范围更广、测量精度更高等优势。
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水泥沥青砂浆循环加卸载特性及其蠕变疲劳耦合损伤演化研究
Abstract:
水泥沥青砂浆(Cement Asphalt Mortar，CA砂浆) 在高速铁路无砟轨道中起着支承、传载、减振隔振等重要作用，但在无砟轨道自重和列车荷载作用下往往过早发生损伤或破坏，严重影响高速铁路的运行安全和效率。因此，分析CA砂浆在循环加卸载作用下的力学特性，进而研究其在蠕变疲劳载荷耦合作用下的损伤演化和寿命预测具有实际意义。本文实验研究了CA砂浆在循环加卸载作用下的能量耗散特性，并提出了基于耗散能量累积的损伤演化方程，据此对CA砂浆在无砟轨道自重蠕变荷载和列车脉冲疲劳荷载作用下的耦合损伤及寿命预测进行了研究。实验结果和分析表明：CA砂浆在循环加卸载下的滞回特性和塑性应变累积特性具有典型的曼辛效应和棘轮效应；采用循环加卸载中CA砂浆的能量耗散定义损伤，能较好地描述CA砂浆损伤演化行为；在蠕变与脉冲疲劳耦合损伤的长期作用下，CA砂浆的寿命大幅降低，仅为无砟轨道自重蠕变荷载作用下的十分之一。
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激光散斑干涉法面内及离面变形同步测量与全场应变分析技术研究
Abstract:
为满足激光电子散斑干涉方法对不可重复变形中所有变形及应变的同步测量需求，本文提出了三波长激光干涉技术同步测量三维全场变形，并直接使用数值差分计算方法快速确定全场全应变值的技术。利用红、绿及蓝三色激光同步传感试样表面的离面和两个面内变形，并由一个3CCD相机记录彩色散斑干涉图；通过色彩分离和四步相移技术获取三维变形的定量信息，对包含变形信息的图像进行滤波处理后，直接采用数值差分确定出全场全应变分量值。文中通过对典型试样的变形测量与应变分析展示了该方法的处理过程及其有效性。
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点阵夹芯结构局部振动特性分析及其在无损检测中的应用
Abstract:
点阵夹芯板因其多功能性和可设计性而受到广泛的研究。然而，对其动力学特性的研究大都采用均匀化方法，往往忽略了局部点阵桁架对动力学特性的影响。本文对点阵夹芯板中点阵桁架对结构中导波传播的影响进行了全面研究。数值模拟结果表明，波传播结果上会引起点阵夹芯结构产生稳定的局部高频振动，并通过傅里叶分析和小波分析，研究了点阵桁架局部振动对面板波信号的影响。结果表明，点阵桁架的振动模态，尤其是拉伸模态，对点阵夹芯板中波信号的频域局部特征有显著影响，并设计实验对这一结论进行了验证。本文最后，根据上述结论，提出了一种针对点阵桁架的损伤识别方法，并通过数值模拟进行了验证。结果表明，该方法能有效地检测和定位桁架的损伤。
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不同粗糙度花岗岩-混凝土试件剪切声发射特性研究
Abstract:
为研究粗糙度对花岗岩-混凝土粘结试件的剪切力学性质影响，采用劈裂法制得结构面并使用三维形貌仪扫描获得其粗糙度系数JRC后，在结构面上浇筑混凝土制成粘结试件后进行剪切试验并同步记录声发射参数。试验结果表明，不同粗糙度的花岗岩-混凝土粘结试件剪切应力应变曲线大致趋势差别不大，但随着粗糙度的增大，试件的剪切软化特征越来越明显且峰值剪切强度随着粗糙度的增大而增大。此外，由于不同粗糙度试件结构面起伏形态不同，会使试件的剪切破坏模式发生变化。声发射能量及振铃计数都随着粗糙度的增大呈增大趋势，不同粗糙度试件的累积声发射振铃计数及能量的数值可以反映出试件的剪切破坏相对强度。对声发射b值的分析可以发现，粘结面的破坏伴随着内部裂纹的发育贯通，且粗糙度越大，其声发射b值越小。研究结果可为工程中花岗岩-混凝土界面剪切破坏行为分析提供参考。
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单轴压缩条件下含真三维双裂隙脆性试样次生破坏规律与声学特征分析
Abstract:
复杂产状的二维和三维断裂结构对岩石次生破坏的萌生、扩展与断裂具有重要影响。本文制备含非平行双裂隙的脆性类岩石石膏试样并进行单轴压缩试验，辅以声发射和数字图像技术监测试样次生破坏过程，得到以下主要结论：1）试样在单轴压缩工况下，二维裂纹扩展表现出典型的模式，即随着压应力增加，翼裂纹沿弯曲路径增长后逐渐平行主应力方向扩展，形成“机翼裂纹”的拉裂破坏，主导表面应变场和次生裂纹分布，同时三维裂隙的局部破坏出现较早且保持隐伏；2）AE监测分析表明，第一次AE爆发以高烈度拉裂破坏为主；最终爆发阶段，拉裂略多于剪切破坏，总体上拉裂破坏在试验中占主导；3）b值计算时选取的采样窗口和步长直接影响其评价结果，敏感性分析结果表明精细分组能更好保留极值，便于预测瞬时的剧烈破坏；4）以往裂隙二维简化研究的结论不适用于裂隙三维环境，对断裂结构的存在和密度的低估会高估岩石强度，从而在实际工程中存在安全隐患。
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基于神经网络的金属塑性参数球形压入学习及反演识别
Abstract:
传统的力学测试方法需将试样加工成特定形状尺寸，不能满足特定应用工况下的测试需求，压入法则可实现原位测试且试样加工方便；而压入测试的局部作用方式使得其在获取材料力学参数时存在理论分析及表征上的复杂性，基于压入测试响应与神经网络算法可提供一种有效获取材料力学参数的新途径；本研究采用Instron万能材料试验机开展了紫铜、低碳钢的拉伸与球形压入测试，对所得压入载荷-深度曲线进行特征提取以作为后续数据基础；利用abaqus二次开发自动模拟不同塑性参数组合下的压入过程并获取压入载荷-深度曲线用于神经网络训练，对比不同寻找最优参数策略、激活函数、初始化神经网络参数方法并得到了具有良好学习效果且可用于有效反演金属塑性参数的神经网络结构；通过学习后的神经网络及实验所得压入载荷-深度曲线特征得到紫铜、低碳钢的相关塑性力学参数，将其与拉伸测试表征所得相应塑性参数予以对比，验证了本研究结合球形压入载荷-深度曲线与神经网络算法反演金属塑性参数方法的有效性，给出了一种有效获取金属/合金力学性能参数的新方法。
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基于偏振相机的自动相移光弹测量系统
Abstract:
相移光弹法是一种数字化光弹测量技术，十步相移法由于具有较高的测量精度，在相移光弹法中得到了广泛应用。然而，该方法在测量过程中需采集十幅相移图像，且在采图过程中需要人工转动镜片和切换光源，操作繁琐，测量效率低。本文提出一种基于偏振相机的自动相移光弹测量系统，该系统利用偏振相机采集图像，白光和滤波片组合作为光源，通过电控系统控制镜片转动和光源切换，自动高效地实现了相移图像的采集。结果表明，本文测量系统在5秒内即可完成十幅相移图像的采集，相对于传统的测量系统有效提升了测量效率。此外，实验结果证实了本文系统测量的准确性。
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煤层气井围岩形变可视化真三轴物理模拟试验装置
Abstract:
自主研发了一套煤层气井围岩形变可视化真三轴物理模拟试验装置，其主要由试件夹持与应力加载机构、温度加载系统、孔隙压力加载系统、钻井模拟系统和数据采集系统组成。装置特点如下：1）可模拟煤层气储层真三轴应力、地层温度和孔隙气体压力等地质力学环境；2）可采用钻杆注水模拟钻井液柱压力，开展煤层钻进过程中井周煤岩力学行为动态监测试验；3）可采用针孔摄像头伸入井眼实时监测井眼变形破坏过程；4）集成试样制备和试验功能，简化应力加载系统，功能全面且轻便简洁；5）可实现储层井周应力、温度、孔隙压力、局部应力、井眼变形可视化等多信息并行监测。采用装置进行应力和温度变化条件下煤层气井眼变形模拟试验，结果显示：随着钻井液与试件温度差增大，井眼变形破坏加剧，尤其在试件温度高于钻井液温度时更明显；随着主应力差增大，井眼变形分三个阶段，中间阶段变形速率最显著。该装置的研制为煤层气储层井壁失稳机理分析提供了良好的试验平台。
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基于数字图像相关的柔性屏显示层应变测量分析
Abstract:
近些年来可折叠的柔性屏幕在消费电子领域大放异彩，这得益于有机发光二极管和柔性薄膜电子加工工艺的成熟。柔性屏幕是由基底层、显示层、保护层等多层结构堆叠而成，在设计上是希望变形能力较弱的显示层处于弯折中性层，以减少因弯折产生的应力对显示层的影响。现有的研究多集中在理论仿真或实验研究显示屏表面变形，难以准确反映显示层在弯折过程中的变形情况，因此实验研究柔性屏显示层在弯折条件下的变形场具有重要意义。本文基于三维数字图像相关法(3D-DIC)提出了一种柔性屏幕弯折变形测量方法，该方法采用屏内显示与屏外喷制散斑相结合的新方式，实现了对柔性屏幕显示层和表面保护层的同时测量。实验结果表明，在一定弯折角度下，屏幕的显示层受到压应变比表面保护层的更小。发生局部脱胶时，显示层会受到更大范围压应变影响，这会导致屏幕损坏。所提出方法为折叠屏无损检测、设计参数优化和生产工艺改进提供新的实验方法和思路。
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表面张力对液滴撞击旋转壁面影响的实验研究
Abstract:
液滴撞击旋转壁面现象在工程实践中非常常见，例如过冷水滴撞击航空器旋转部件产生的结冰现象会对飞行安全造成威胁，因此研究液滴撞击旋转壁面的动力学行为具有重要意义。本文借助高速摄像机捕捉不同表面张力液滴撞击旋转壁面的运动过程，重点研究了液滴撞击过程中出现的铺展飞溅现象及表面张力、惯性力、切向力对液滴周向无量纲润湿长度变化规律的影响。实验观察到,对表面张力为σ=0.024N/m的液滴，惯性力的增加会产生环周飞溅现象，而切向力的增加更容易形成尾部飞溅现象；对于表面张力为σ=0.048N/m及σ=0.072N/m的液滴，切向力的增强会促进液滴沿切线方向铺展，而惯性力会促进液滴回缩。惯性力和切向力的增加促进周向无量纲润湿长度的增加，但表面张力的增大会抑制润湿长度的增加。
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基于单应力小冲杆方法研究轧制TC4钛合金各向异性拉伸性能
Abstract:
钛合金广泛应用于航空航天、核工程、石化装备等。为了避免传统单轴拉伸试验测试钛合金各向异性力学性能需要大尺寸试样的缺点，本文基于微试样的测试方法，提出使用单应力小冲杆测试方法研究轧制TC4钛合金的各向异性拉伸性能。为了验证单应力小冲杆测试方法的精度，还进行了标准单轴拉伸试验以及标准小冲杆试验。标准单轴拉伸试验表明，该轧制TC4钛合金具有明显的各向异性。与拉伸试验对比发现，标准小冲杆试验由于双向应力的作用其结果不能明显表征钛合金各向异性力学性能。对比标准单轴拉伸试验，单应力小冲杆测试方法能够测试该轧制TC4钛合金的各向异性且具有较高的精度，其中I方向屈服强度两者平均偏差2.14%，Ⅱ方向两者平均偏差3.57%，Ⅲ方向两者平均偏差2.14%；I方向抗拉强度两者平均偏差3.60%，Ⅱ方向两者平均偏差3.53%，Ⅲ方向两者平均偏差5.34%。因此使用单应力小冲杆测试方法能够较准确地测试该轧制TC4钛合金不同方向的拉伸性能。
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大开口复合材料层合板局部屈曲的实验研究
Abstract:
复合材料结构广泛应用于航空航天、航海、交通、能源等工程领域。一些复合材料壁板结构由于装配、功能布局和维修等原因，往往需要设置大开口。然而，大开口复合材料壁板结构在受载时产生局部屈曲失稳问题的相关研究还比较缺乏。本文针对碳纤维增强复合材料大开口层合板在单向拉伸加载下的局部屈曲问题，进行相关实验研究。在实验中，主要采用了电阻应变片电测法和数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）光测法，分别进行复合材料层合板开口孔边应变和离面位移的测量，研究开口孔边的局部屈曲失稳行为。实验结果表明，大开口复合材料层合板在整体结构发生强度破坏失效前有可能发生孔边局部屈曲失稳，且局部屈曲的产生和屈曲临界载荷的大小会受到层合板铺层方式、开口尺寸的影响。
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高温后全取代率再生混凝土三轴受压性能演化规律分析
Abstract:
为研究高温后全取代率再生混凝土的三轴受压性能演化规律,设计制作了20个100%取代率再生混凝土试件,并对其进行不同高温后的三轴受压试验。结果表明：全取代率再生混凝土经不同高温后的单轴应力-应变曲线有明显下降段,随着侧向应力增加,曲线逐渐丰满,当侧向应力超过10MPa后,曲线已无明显下降段。全取代率再生混凝土的三轴受压强度及峰值应变随着侧向应力增加分别呈幂函数与线性函数的增长趋势,侧向应力的存在能有效抑制全取代率再生混凝土内部损伤发展,提升试件耗能性能,并能降低高温对试件三轴受压强度及峰值应变的影响。经600℃高温后,全取代率再生混凝土的三轴受压强度出现显著下降,试件发生明显软化。随着温度上升,全取代率再生混凝土的耗能性能呈现出先上升后下降的变化趋势。基于试验数据,构建了高温环境下全取代率再生混凝土三轴受压强度与峰值应变的通用计算公式,与试验结果吻合良好。
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基于迁移学习的DIC-2D位移测量方法研究
胡佳梁, 张展飞, 马晓桐, 李祥, 谢惠民, 贾亚雷, 刘战伟
Abstract:
数字图像相关(DIC)是一种非接触式光学测量技术,以散斑为变形载体进行物体表面位移和变形的测量,然而,DIC计算需要专用软件和大量计算资源和时间。随着人工智能技术的发展和广泛应用,深度学习为DIC方法提供了新的发展机遇。在实际应用中,为了建立一个有效的深度学习网络,常常需要构建庞大的数据集,这一过程不仅增加了数据采集的成本,还可能在面对不同应用场景时出现的泛化能力不足等问题。为了解决相关问题,本文提出了一种基于迁移学习的数字图像相关的2D位移测量方法,该架构将多层级特征提取器、注意力机制和深度可分离卷积与U-Net相结合,从不同的散斑图像中提取特征来预测位移,首先,我们使用数字模拟散斑图像进行网络预训练,随后引入迁移学习,在用少量的真实散斑图像微调网络,以提高网络在实际应用中的泛化能力。由于位移测量过程中涉及的特征在网络不同采样层上存在显著差异,我们针对这些差异采用了细化的迁移学习优化策略。具体而言,我们分析了不同的微调策略对位移测量的影响,结果表明,全层微调策略在位移预测中表现最佳。在这种策略下,仅需使用原有数据集的0.5%的训练数据,即可显著提高DIC的性能。这种方法不仅保证了网络的泛化能力,还大幅减少了训练时间和数据采集成本。总体而言,本研究提出的基于迁移学习的DIC方法在有限数据条件下展现了较好的性能和广泛的应用潜力,为DIC技术在大数据处理中推广和应用奠定了基础。
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高温-冲刷-振动环境下陶瓷基复材结构动态性能退化测试平台开发及应用
Abstract:
为了实现复合材料结构在高温、冲刷、振动耦合环境下动态性能退化的测试,对高温-冲刷-振动环境下先进复材结构退化测试平台设计进行了研究。介绍了测试平台各部分的功能设计及实现原理,完成了该平台的组建。利用所开发的测试平台,以石英纤维陶瓷基复合材料薄板试件为例,对其在不同温度、退化时间及冲刷时间条件下的退化现象进行了一系列测试,获得了相应的固有频率和共振响应的退化曲线。结果表明：在高温振动环境下,随着温度和退化时间的增加,前两阶固有频率分别减小,而前两阶共振响应呈现明显的上升趋势；火焰冲刷会导致试件的第一阶固有频率下降和共振响应增大。相关测试结果能够达到预期的材料性能退化实验效果,该测试平台可为多种先进陶瓷基复材结构在极端苛刻载荷环境下的动态性能退化试验提供重要的测试数据。
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方钢管型钢再生混凝土组合柱地震损伤性能及计算模型研究
Abstract:
为了探究地震作用下方钢管型钢混凝土组合柱的破坏形态和损伤性能,本文设计制作了9根组合柱试件,通过低周反复荷载试验分析了组合柱的地震损伤特征及滞回性能指标,并对组合柱的滞回性能和地震损伤性能进行了试验参数分析,主要包括方钢管宽厚比、配钢率、轴压比以及再生骨料取代率等参数。考虑到最大位移变形和滞回累积耗能对组合柱地震损伤性能的影响程度,本文对原有Park-Ang地震损伤模型进行了修正调整,通过反演法确定了方钢管宽厚比和再生骨料取代率等主要参数影响下的组合系数,提出了符合方钢管型钢再生混凝土组合柱地震损伤特征及规律的计算模型,深入分析了不同设计参数下组合柱地震损伤指数的发展规律。基于上述研究,将组合柱的性态水平分为正常使用、暂时使用、修复后使用、生命安全和防止倒塌五个等级。结合组合柱的性态水平和地震损伤指标,确立了组合柱的地震损伤破坏状态、性能水平、可修复程度、界限位移角和界限损伤指标之间的关系。研究成果将为评估该类型组合柱在地震作用下的损伤性能提供参考。
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塔里木盆地富满地区深层碳酸盐岩储层岩石力学特性实验研究
刘永福, 张承泽, 袁晓满, 孙冲, 李静, 裴晨阳, 吴明扬
Abstract:
缝洞型碳酸盐岩储层孔隙度、渗透率、弹性模量等岩石物理力学参数是影响油气开采效果的关键因素。为此，本文以塔里木盆地富满地区奥陶系缝洞型碳酸盐岩储层为研究对象，通过单轴、三轴压缩实验、声发射实验和应力敏感性实验等，系统研究储层岩石力学参数，明确原位条件下储层受力状态。研究结果表明，1）随着围压的增加，岩石的抗压强度和弹性模量逐渐增大，岩石从脆性转变为塑性，表现出应变硬化特性；2）碳酸盐岩储层渗透率随着围压的增大而逐渐降低，且在围压30 MPa 以下变化显著；（3）研究区最大水平主应力为186.14MPa，最小水平主应力为150.82MPa，垂向应力为172.89MPa，表现出走滑断层应力特征。研究结果可为深层缝洞型碳酸盐岩储层高效勘探开发提供技术支撑。
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叶片挠度摄像测量与力学诊断方法研究
Abstract:
本文提出基于双目视觉的非接触测量技术和叶片故障诊断方法。首先针对大视场相机标定难题，在相机参数标定中使用逆深度化的BA算法对双目视觉系统的外部参数进行非线性优化，提高在户外大视场应用场景下的三维空间位置测量精度。然后，探索了基于挠度测量的叶片损伤识别方法。通过拟合叶片的旋转平面进行坐标系转换，提取旋转叶片的法向变形信息，通过比较含裂纹和不含裂纹叶片的峰峰值差异，可确定叶片损伤裂纹的位置。在长度为2.15 m的叶片实验模拟系统中，实现了叶片三维位移的测量，对预制裂纹进行了定位检测，获得了满意的测量结果，初步验证了所提出方法的可行性。
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油滴撞击结构壁面油膜的形态以及动力学特性研究
Abstract:
在轴承空腔内进行油、气润滑时，会产生一种油滴与壁面油膜碰撞的现象，这种现象会对轴承腔的润滑和传热产生重要的影响。因此本文采用高速摄像机对油滴撞击结构壁面油膜进行可视化实验研究，通过改变壁面粗糙度、韦伯数对撞击后形态以及动力学特性进行研究。实验结果表明：根据无量纲壁面粗糙度以及韦伯数的关系，将撞击过程中的形态划分为4种模态。同时，分析出飞溅现象是由K-H不稳定性以及P-R不稳定性共同作用下导致的。无量纲壁面粗糙度和韦伯数的增加会使冠状边缘不稳定性增强，从而导致飞溅现象剧烈，因此得出撞击后冠状结构的演变以及飞溅现象与二者密切相关的结论。
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腐蚀钢筋预应力混凝土梁抗弯性能试验研究
Abstract:
预应力混凝土结构在服役期间会受到环境腐蚀的作用，造成钢筋腐蚀，使结构受到不同程度损伤，导致结构承载力下降。为了探究钢筋腐蚀对预应力混凝土梁抗弯性能的影响，制作了5根后张法预应力混凝土T型梁，对普通钢筋和预应力钢绞线进行通电加速腐蚀，随后进行四点弯曲试验。研究表明：普通钢筋腐蚀对预应力混凝土梁的开裂荷载和极限荷载影响较小，但对屈服荷载影响比较明显；当普通钢筋腐蚀率为3.8%时，试验梁屈服荷载下降了15.6%。钢筋腐蚀率对试验梁的屈服挠度影响较小，但对极限挠度影响较为明显；当钢筋腐蚀率为11.5%时，极限挠度下降8.6%。预应力钢绞线腐蚀对试验梁的开裂荷载和屈服荷载影响显著，是影响预应力梁承载能力和变形能力的主要因素；当钢绞线腐蚀率为7.6%时，试验梁的开裂荷载下降了32.9%。采用有限元软件ABAQUS对各腐蚀梁进行有限元模拟计算，模拟值与试验值吻合较好。考虑腐蚀对钢筋、钢绞线力学性能劣化及面积折减的影响，提出了普通钢筋腐蚀和钢绞线腐蚀预应力混凝土梁承载力计算方法，计算值与试验值结果吻合良好，证明此计算方法具有一定的可行性。
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裂隙几何参数对岩体波速及动态力学性能影响的试验研究
Abstract:
为研究裂隙几何参数(长度、角度)对岩石波速及动态力学特性的影响,利用RSM-SY5智能声波检测仪和SHPB装置,对不同角度和长度的预制裂隙砂岩试样进行了波速测试和冲击试验,并借助数字图像相关技术(DIC)分析试样在冲击载荷下的变形过程,揭示了不同角度和长度裂隙试样的波速变化规律、动态力学特性以及能量耗散规律。研究表明,裂隙角度与试样纵波波速及初始损伤呈指数关系,裂隙长度与试样纵波波速及初始损伤呈线性关系,且不同裂隙试样纵波波速与其动态抗压强度和动态弹性模量有很好的正相关性。裂隙角度和长度的变化对砂岩的动态力学特性有显著影响,随着裂隙角度和长度的增加,动态抗压强度和动态弹性模量减小,峰值应变增大。α=20°~40°时,试样的动态抗压强度显著下降。试样在受到动载后首先在预制裂隙附近产生剪切裂纹,再产生拉伸裂纹,最后发生拉剪复合破坏；试样表面会出现高应变集中区,在峰值应力附近形成应变局部化带,该局部化带多在裂隙结构面产生。砂岩能量反射率和吸收率随着裂隙角度和长度的增加而增大,能量透射率则减小。研究成果能够更好地预测和评估岩石的破坏行为,为工程灾害的防控与治理提供科学依据。
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应变片的强化效应与热效应对YBCO 带材的影响探究
Abstract:
应变片由于灵敏度高、操作简单等优点,被广泛应用于以YBCO为代表的二代高温带材(简称：YBCO带材)的力电特性的研究及超导设备的失超检测系统中。为了获取准确的应变测试结果,应变片需与YBCO带材粘贴牢固,且测量过程需对应变片通电,因此对于YBCO带材在低温下的测试和运行,其强化效应和热效应无法避免。本文首先基于虚拟引伸计对YBCO带材单轴拉伸过程中的应变片强化效应进行了实验定量研究,通过对两种方法下得到的杨氏模量进行分析,发现基于应变片测试数据得到的杨氏模量明显偏大,且相对于虚拟引伸计测得的结果偏差达10%以上；此外,在77 K 及更低温度时,通过温度传感器发现应变片粘贴位置样品的温度升高,镀铜带材的温升较小,为1.9 K,而镀银带(无铜稳定层)的温升超过20 K,同时发现带材温度越低,其温度变化速率越大。在YBCO带材的实验测量及应用中,应变片的强化效应和热效应不仅会对实验测试结果有显著影响,同时其热效应也使得其成为工业应用中潜在的热失控源。以上研究为在工程应用中应变片测量YBCO带材变形时出现的强化效应和热效应提供了研究基础。
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基于角度校正的三维形貌拼接方法
Abstract:
转动扫描投影云纹方法适用于大面积、高分辨率的三维形貌测量。在转动测量过程中，转轴与转动角度的精确性是确保拼接精度的关键。现有方法主要关注转轴标定，转动角度则由机械转台确定。然而在高分辨率测量中，机械转台的角度精度不足以满足测量需求。本文提出一种基于角度校正的三维形貌拼接方法，该方法结合数字图像相关的匹配技术，利用两个视场公共区域内物体的自身形貌构建相关函数，并采用反向高斯牛顿方法迭代出精确的转动角度，从而实现了转动扫描测量的精确拼接。在系统标定完成后，本文方法只需测量系统对物体进行简单的多角度扫描测量。实验结果表明所提方法在精确校正转动角度的同时，具有简便、灵活等优点。
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镍基单晶高温合金薄壁试样的高温超高周振动疲劳实验研究
Abstract:
本研究以国产第二代镍基单晶高温合金DD6为研究对象，针对航空发动机涡轮叶片薄壁特征对DD6合金超高周疲劳性能的影响开展实验研究。首先，自主设计了分别适用于室温和高温条件下的3种厚度（0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm）的薄壁试样，然后，建立了针对单晶薄壁试样的高温超高周振动疲劳实验系统，分别开展了薄壁试样在室温和850℃条件下的超高周振动疲劳实验，获取了最高循环数达109周次的疲劳S-N曲线，并和相同温度下的旋转弯曲疲劳实验结果进行了对比，最后开展了厚度和温度对薄壁试样疲劳性能影响的分析。结果表明：室温条件下0.5mm薄壁试样的疲劳强度相较于其他2种厚度试样的疲劳强度并未见明显弱化；而在850℃时，0.5mm薄壁试样的疲劳强度明显低于其他2种厚度试样的疲劳强度，表现出明显的薄壁效应，且在超高周疲劳循环区间内表现尤为显著。另外，1.0mm和1.5mm薄壁试样疲劳性能与相同温度下旋转弯曲疲劳性能接近。
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基于变跨距法曲面夹芯板抗弯刚度近似试验方法研究
Abstract:
为研究腹板增强曲面夹芯板在横向外载荷下的弯曲性能，本文以玻璃纤维腹板增强泡沫曲面夹芯板为研究对象，提出了一种变跨距弯曲试验方法测量抗弯刚度。该方法基于腹板增强曲面夹芯板在三点弯曲加载下的载荷-跨中挠度关系，改变跨距对同一试样进行多次试验得到相应坐标点，通过线性拟合得到其等效抗弯刚度，并通过理论研究和有限元分析验证了该方法的可行性。利用有限元参数分析对该方法适用范围进行了研究，结果表明，在跨高与计算半径H/R≤0.12时，变跨距法能够测量腹板增强曲面夹芯板的等效抗弯刚度，为腹板增强曲面夹芯板在工程上的应用提供参考。
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石墨烯涂覆PBO纤维在潮湿环境下的抗老化行为
Abstract:
聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维被称为“21世纪超级纤维”,因其优异的力学性能、高热稳定性和阻燃性等而受到广泛的关注,在航空航天、交通运输、新能源等领域拥有广阔的应用前景。然而,PBO纤维在潮湿环境下的老化行为严重影响了材料的长期服役性能,限制了其在高新技术领域的发展和应用,因此如何提升PBO纤维在潮湿环境下的抗老化特性是亟待解决的问题。本研究探索了石墨烯涂层对于PBO纤维在潮湿环境下的防护作用。研究发现,将共价交联氧化石墨烯涂覆于PBO纤维表面能够显著增强其力学性能,通过高温热解还原氧化石墨烯能够进一步有效改善PBO纤维的耐湿性,在50%相对湿度下的强度保留率接近98%,在80% 相对湿度下的强度保留率高达96%。
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扩孔对摩擦型高强度螺栓连接抗滑移性能影响的研究
Abstract:
为研究扩孔位置和槽孔长边尺寸对摩擦型高强度螺栓连接抗滑移性能的影响，进行了6个试件的抗滑移承载力试验，其中螺栓孔型分别为标准圆孔和槽孔。试验研究了连接件的荷载-滑移关系、抗滑移承载力、荷载折减系数、摩擦面抗滑移系数及接触面孔周磨损形态。研究结果表明：槽型孔对摩擦型高强度螺栓连接件抗滑移承载力有显著影响，相较于标准螺栓圆孔试件的抗滑移承载力降低了12％~29％；与芯板扩孔相比，盖板扩孔对螺栓连接件抗滑移承载力影响更大；连接件的刚度随着槽孔长边尺寸增大而降低。M24摩擦型高强度螺栓抗剪承载力设计时，建议荷载垂直槽孔长边尺寸45mm~72mm的试件仍可采用GB50017-2017规范给出的孔型系数0.7。有限元模型模拟的荷载-滑移曲线与试验曲线基本吻合，该模型可以用于分析摩擦型高强度螺栓扩孔连接件的抗滑移性能。
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图像相对法快速评价材料的高温能量耗散率与高温硬度
Abstract:
利用高温原位显微摄像与高温试验机相结合进行高温压痕实验,简单而方便获得不同温度下载荷和压入深度的关系,提出图像相对法概念,攻克了高温下测量固体材料的能量耗散率、弹性恢复率和硬度的难题。提出同温相对法和异温相对法两种试验分析模型,前者用于同一温度下不同载荷形式的变形图片比较分析,获得材料在实验温度下的能量耗散率和弹性恢复率等高温性能；后者用于相同载荷不同温度之间的图像比较,快速获得不同温度下硬度与常温硬度的比值,根据温度增量自动照相而得到材料硬度随温度的变化规律。高温原位照片的场景和焦距固定,分辨率约为1 um。对氧化锆和高温合金K419的高温压痕试验显示,其能量耗散率随着温度升高而增大,硬度随着温度升高而不断下降。氧化锆在1000℃高温下能量耗散率达到88.5%,硬度为6.73 GPa。高温合金K419在1100℃的高温下能量耗散率达到96%,硬度只有常温硬度的三分之一。
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基于深度学习的摩擦电法向切向载荷解耦测量方法
Abstract:
基于摩擦电的多向力柔性薄膜传感器件不依赖于外部供电,在机器人触觉感知等领域应用中具有微型化、便携性、持续性等优势。然而,现有的标定方法主要依赖力-摩擦电特性曲线的线性区间来实现法向切向载荷的解耦表征,面临线性区间较短的问题,限制了测量范围。本文提出了一种基于深度学习的摩擦电法向切向载荷解耦测量方法。首先,研制了基于差分阵列的摩擦电多向力柔性薄膜传感器件,采用自研的多方向力电测试台开展了力-摩擦电标定实验。随后,采用卷积神经网络方法学习原始的力-摩擦电标定数据,对法向切向载荷进行解耦预测,特别是针对极端数据引入了注意力机制。结果表明,相较于传统标定方法,卷积神经网络方法将法向切向载荷测量范围从0 N ～ 8 N拓展到0 N ～ 28 N,外力倾角测量范围从0° ～ 30°拓展到0° ～ 50°,法向切向载荷预测均方根误差分别为1.0851和0.7448。
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高温冷却后超高性能混凝土残余力学性能研究
Abstract:
为研究不同冷却方式对高温后超高性能混凝土（UHPC）单轴受压力学性能的影响，以冷却方式、受热温度为变化参数，设计制作了45个100mm×100mm×300mm的试块进行高温后的单轴抗压试验。观察了高温后试块的表观特征、质量损失及破坏形态，分析冷却方式及受热温度对抗压强度的影响规律。结果表明：随着受热温度升高，试块表面裂纹增多，不同冷却方式下质量烧失率均增大，自然冷却时较大，浸水冷却时近似呈线性增长；抗压强度均呈现先小幅增大后减小的趋势，与常温工况相比，自然冷却、浸水冷却时最大抗压强度分别提高了18.3%和13.4%；受热温度800℃时，自然冷却、浸水冷却抗压强度分别降低至常温下的20.8%和18.8%；受热温度超过600℃时，试块表现出较好的轴向变形能力；相较于自然冷却，浸水冷却下峰值应变发展较快，但800℃时基本趋于一致，自然冷却、浸水冷却下峰值应变分别增大至常温工况下峰值应变的2.22倍、2.24倍；与自然冷却相比，浸水冷却下弹性模量相对较小，且均经历慢降、快降、慢降三个阶段。基于试验，提出了浸水冷却后的UHPC残余强度计算公式，可为建筑消防灭火后混凝土承载能力评估提供依据。
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基于多尺度时空窗主成分分析的结构智能损伤识别方法
Abstract:
时空窗主成分分析（Double-Window Principal Component Analysis，DWPCA）算法在传统PCA算法的基础上同时引入了时间窗和空间窗，通过移动的时间窗来有效区分不同的结构状态，通过空间窗剔除对损伤不敏感的数据。然而，在DWPCA算法中，时间窗口的尺寸是固定的，一般取为响应最大周期的1-2倍。考虑不同类型的损伤，如何确定时间窗尺度及其对损伤识别能力的影响仍有待探讨。本文首先将不同尺寸的时间窗（年/季/月）引入到DWPCA中，探究PCA特征在不同时间窗下随时间的演化规律；其次，将不同时间窗对应的PCA特征作为机器学习（Machine Learning，ML）输入，结合ML算法对结构进行损伤定位和量化任务；最后，使用双跨连续梁的仿真模型和Benchmark模型验证了方法的有效性。结果表明，以年为尺度的时间窗对损伤具有较好的鲁棒性，以月为尺度的时间窗对损伤具有较高的灵敏性；三种时间窗协同作用，能充分发挥各自的优势，进一步提高了ML的损伤定位和定量能力。
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钬激光消融凝胶结石组织的模型实验研究
Abstract:
为探究钬激光消融人体内结石的动力学过程及对周遭组织的附带伤害,使用凝胶与石膏块模拟真实人体的软组织和结石,基于自主研制的钬激光器开展一系列钬激光消融凝胶-人造结石组织的模型实验,实验变量包括激光能量、光纤芯径和光纤距离人造结石的高度。首先通过消融过程的动态高速阴影成像观察,发现加载区域及附近的凝胶组织中出现葫芦状的空化气泡,并讨论了不同加载工况下空泡形态演化的不同机制。其次通过光学成像与扫描电子显微成像开展了回收凝胶与人造结石样品的表征,发现凝胶组织遭受的附带伤害主要来自烧蚀、空化、破碎和人造结石碎片溅射。另外发现人造结石消融坑内壁侧面与底部形貌显著不同,这与坑内不同区域经历的材料失效机制不同有关。最终通过白光干涉扫描获取了高精度的消融坑几何参数,并讨论了不同实验变量对消融坑几何参数的影响。通过能量分析归纳了消融过程中激光能量的去处,并发现消融坑体积与激光能量呈线性正相关。
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基于数字图像相关方法的混凝土微裂纹识别研究
Abstract:
及时识别微裂纹对混凝土结构的安全控制十分重要。本研究对玄武岩纤维混凝土试件进行了四点弯曲实验，并结合数字图像相关方法获得了加载过程中试件表面的应变场信息。在水平应变场中，选择应变较大的300个点作为兴趣点（Points of interest，POI），基于POI在应变场中坐标的标准差计算聚集因子，并利用聚集因子的在加载过程中的分布演化提出了仅与单一应变场相关的识别微裂纹方法。这种方法可以排除人为判断微裂纹产生的误差，但不足以识别多个微裂纹。该方法的准确率超过95%，适合工程应用。
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布里渊振荡频率的应力调制效应研究
Abstract:
随着材料科学和光电子技术的快速发展，精确测量材料的界面应力成为研究热点。时域布里渊散射作为一种基于超快激光和皮秒超声的非接触式全光学实验技术，可用于产生和检测位于透明介质中由于声光作用产生的布里渊振荡，其在应力分析方面展现出了巨大潜力。本研究旨在深入探讨单轴应力对高硼硅玻璃中布里渊振荡频率的调制效应。通过建立布里渊振荡测量系统，完成了在两种不同单轴应力下布里渊振荡的测量，研究结果表明，随着压应力的增大，布里渊振荡频率呈现减小的趋势。基于布里渊振荡频率的理论表达式和对实验信号的精确测量，发展了应力和布里渊振荡频率之间的理论关系，得到了应力-布里渊振荡频率调制系数。此研究为理解布里渊振荡频率与应力的关系提供了新的视角，未来，这项研究成果有望在精确测量材料界面应力方面提供重要的理论和实践参考。
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分体式超导磁体绕制及降温励磁过程中的力学性能测试
Abstract:
由超导磁体、杜瓦及低温系统以及力学试验机搭配组成的测试平台可实现超导体的力-热-电-磁多场测试，其中超导磁体的功能是提供背景磁场。分体式低温超导磁体可在中心处产生均匀的横向磁场，且其半开放式的结构为测试提供了便利和空间。该超导磁体运行于低温、强磁场、大电流环境中，其所承载的复杂的电磁力、热应力及装配力等可能会降低其电磁性能和稳定性，因此需对磁体结构及其性能进行核验。本文使用低温应变片、低温热传感器及霍尔片等工具并基于无线应变测试方法等对超导线圈的动态绕线过程、线圈组件的降温及励磁过程开展了实验研究。结果表明：动态绕线时线圈内积累的应变与绕线层数基本呈线性关系，且应变随时间略微回落；通电时线圈组件的应变及其周围的磁场与加载电流有较高的同步性。相关测试为磁体研制和运行状态分析提供了可靠数据，有助于大科学装置的设计和制作。
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热辐射场与风场耦合作用下风冷式PEMFC性能实验研究
Abstract:
为研究热辐射和风环境对风冷式PEMFC（Proton exchange membrane fuel cell,质子交换膜燃料电池）性能的影响，文章针对20片单电池组成的风冷式PEMFC，分别采用风速仪、辐射热流计测量环境风速、热辐射强度，K型热电偶、电子负载测量电堆温度、负载电流和输出功率。实验结果表明：施加热辐射场与逆风场，电堆的平均温度升高，且与负载电流、热辐射场强度、逆风场风速之间呈较好的正相关关系。距离辐射热源最近的单电池温升最为显著，靠近电堆中部的单电池温升逐渐递减。低负载电流下，电堆的输出功率随负载电流、热辐射场强度的增加而提升；高负载电流下，电堆中间部位的单电池的温度会超过运行阈值导致电堆无法正常运行。施加热辐射场与顺风场，电堆温度升高，随着顺风场风速的增加，单电池温度升高更加均匀，电堆的平均温升越小。电堆输出功率始终呈现衰减趋势，在高负载电流下增强电堆的散热能力并不能有效的提高其输出功率，而将反应气体加湿后输送进入电堆可以有效减少在热辐射与风环境下电堆输出功率的衰减。
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可溶性硅酸盐对电石渣-Na2CO3-矿渣基地聚物强度改善机理研究
Abstract:
电石渣作为电石水解后的工业固体废产品，主要成分为Ca（OH）2，因其高碱度而有潜力作为碱激发剂制备碱激发材料。然而，电石渣单独激发矿渣的强度较低（7d强度为21.3MPa），故本项研究中添加了Na2CO3共同激发矿渣，当掺加8%电石渣和12% Na2CO3时的7d强度达到最大的46.8MPa，但掺加Na2CO3后的28d强度均出现了不同程度的下降。本文通过XRD、NMR、SEM、微量热等测试方法，研究了可溶性硅酸盐掺入对电石渣-Na2CO3-矿渣基地聚物后期强度的改善机理。结果表明：2%硅酸钠替代矿渣时有最佳的28d强度为64.48MPa,硅酸钠的掺入一方面能有效促进结构中硅酸盐单体和低聚体的合成；另一方面能减少体系中的Ca（OH）2的碳化，促进凝胶的缩合过程。
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基于光学显微的原位高温力学测量系统的研制及其应用研究
Abstract:
材料高温性能测试与表征是当前高温固体力学发展所面临的挑战之一，开展原位高温力学实验对于研究其显微变形以及微结构演化具有重要意义。本文基于光学显微成像建立了一套原位高温力学测量系统，可进行室温至1000℃的常压或真空环境下的原位拉伸、疲劳和蠕变的力学性能测量。首先，采用标准7075铝合金进行了单轴拉伸和疲劳实验，验证了该测量系统加载的稳定性。其次，采用镍基单晶合金开展了原位高温成像实验，进行了热源温度特性以及原位高温成像质量的分析。结果表明，该测量系统能够实现对被测试样的稳定加载以及光学显微的原位清晰成像。最后，借助该测量系统在900℃下完成了镍基单晶合金的原位单轴拉伸和疲劳实验，实时观察了加载过程中的裂纹萌生、扩展以及微孔洞的演化行为，为揭示高温合金的宏观力学性能与其微结构演化之间的关联机制提供了有效的实验平台。
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基于先验边缘结构引导的动态原位力学CT稀疏角度重建方法
Abstract:
动态原位力学CT实验是一种利用先进光源无损非接触式测量手段，实时捕捉材料在外场作用下内部结构演化三维图像的方法，其结合了原位力学实验和计算机断层扫描技术（Computed Tomography，CT），对于研究材料内部演化力学机制具有重要应用。然而原位实验中材料内部结构演化速率与CT扫描时间存在矛盾，导致往往仅能进行稀疏角度采样；同时，稀疏角度采样导致的重建噪声，会影响力学指标的判断和提取。针对上述问题，本文提出一种基于先验边缘结构引导的动态原位力学CT稀疏角度重建方法（Directed Total Variation，DTV），该方法引入卷积神经网络噪声学习方法获得先验边缘结构信息，从而引导全变分去噪方向，提高动态原位力学CT表征的重建质量。
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基于偏振相移的面内和离面变形测量技术研究
Abstract:
激光散斑干涉方法是一种利用散斑信息测量物体表面变形的高精度光学方法。其中，相移技术是高精度变形测量的关键。针对目前相移技术的局限性，文章提出了一种偏振同步相移方法，基于偏振相机构建了面内和离面变形测量系统，通过对标准试件的测量，实现了基于变形前后单帧图像的面内-离面变形测量，验证了所提测量技术的有效性。同时基于偏振相机成像系统探究了散斑颗粒尺寸对成像质量的影响，通过实验获得了不同散斑颗粒尺寸下的干涉结果图像，通过分析给出了最佳散斑颗粒尺寸范围。
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基于同步辐射原位显微CT的铝基复合泡沫变形破坏过程研究
Abstract:
本文基于上海同步辐射光源BL16U2线站及自主研发的材料试验机搭建了一套原位显微CT系统，研究了掺空心微珠的新型铝基复合泡沫材料在准静态单轴压缩下的三维结构变形破坏过程。原位显微CT系统获得了目标试样在准静态压缩下的宏观工程应力-工程应变曲线及数个应变处的三维结构模型。基于三维数字图像分析手段，量化表征了目标试样内孔洞形貌参数的演化历程，追踪了数个典型胞元的坍塌过程。预坍塌阶段，试样内存在少量空心微珠破碎，试样不完全是弹性变形。进入平台阶段后，基体中的空心微球被大量压缩破坏并形成斜向剪切带，应变持续增加而应力保持稳定，直至大部分胞元破碎崩溃，碎块在胞元坍塌后的缝隙间填充，试样整体逐渐致密化。跟踪单个胞元的坍塌，球形度越高的孔抗压能力越强，最长轴朝向垂直于加载方向的孔最容易被破坏。周围分布有密集小型孔洞的胞元率先破裂，并诱导临近胞元塌陷。
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基准船型尾流场TRPIV实验研究
Abstract:
通过实验对船舶尾流场进行测量可以为船舶的优化设计和数值仿真提供数据支撑。以日本散货船（Japan Bulk Carrier, JBC）基准船型为原型，采用高时间分辨率粒子图像测速技术（Time-resolved Particle Image Velocimetry，TRPIV）在低湍流度回流式风洞中对流法向尾流场进行了精细测量。重叠模型缩比为1：150，基于船模垂线间长L_PP的雷诺数为2.56×10^6，获得了设计工况下尾流场的流法向平均速度场、雷诺应力、瞬时涡量场，并且通过多个流法向平均速度场构建了其展法向剖面的平均速度场。测量结果表明了尾流场中存在大范围的低速区，在展法向视场中低速区呈明显的“钩状”分布，尾流场中具有明显的较大涡结构特征，并直接影响尾流场的速度分布。涡结构主要存在于螺旋桨凸台的上下两侧，并随视场的外移法向位置逐渐升高，大范围的涡结构中含有许多小的涡结构。最后通过本征正交分解（Proper orthogonal decomposition, POD）的模态能量分布和大小尺度速度场重构结果，尾流场中存在不同尺度的结构，在螺旋桨凸台的下侧大尺度结构对湍流能量的贡献较大。
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基于移动相位偏折术的连续镜面反射结构全场三维形貌测量
Abstract:
镜面反射结构的高精度全场形貌测量是众多高端制造领域中不可或缺的重要环节。本文提出一种移动相位偏折术法实现了镜面形貌的高精度测量。该方法以单目单屏为基础,建立了完整的条纹相位-梯度-高度关系模型,并通过表面连续性假设建立了模型中的基本约束条件。提出了一种模型参数的求解方法,解决了传统相位偏折术中存在的二义性问题,能够通过对显示器的简单、任意移动实现被测结构形貌以及位姿的测量。开展一系列验证试验,分别讨论了被测表面梯度、高度变化对方法形貌测量能力的影响,验证了方法的形貌测量综合能力。实验结果表明,在镜面反射结构形貌测量中,该方法相较于传统方法的测量精度显著提升。
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多相机数字图像相关中的相机布置方式研究及应用
Abstract:
为了探究力学研究中梁、板、柱等基本研究对象的力学性能，往往需要使用光力学方法对其进行变形测量。这些结构通常具有高长宽比、大尺寸，以及表面曲率较大的特点，常规的三维数字图像相关方法（Three-dimension digital image correlation，3D-DIC）无法满足高精度和全范围的测量需求，因此需要使用多相机DIC方法。针对不同的测量需求，多相机DIC方法需要使用不同的相机布置方法。本文分别提出适用于为梁、板、柱的一字型、矩阵型、圆周型的多相机布置方式，并通过实验测量验证上述布置方式的可行性及有效性。使用多相机DIC方法，通过工字梁四点弯曲试验、板的热翘曲变形测量试验以及薄壁圆筒抗压实验，得到了全场的高精度变形结果。由此证实了多相机DIC可以通过不同的相机布置方式实现力学研究中全方位的测量需求。
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Anand Asundi, Vijay Raj Singh*, Pinghua Zhong
2006,21(1):1-10
Abstract:
Digital Holography (DH) has brought a new impetus to the field of holography. The fields of imaging, microscopy and metrology have all benefited from these developments. In this paper some of these developments will be described with some applications in the fields of color imaging, amplitude and phase microscopy and dynamic metrology. It is envisaged that this field will rapidly advance in the next couple of years and become an expected imaging and measurement modality especially in the field of micro, nano and bio sciences.
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2020,35(6):1060-1070 ,DOI: 10.7520/1001-4888-19-189
Abstract:
玄武岩纤维混凝土在我国工程领域应用越来越广，本文为研究其在氯盐环境下的耐腐蚀性及力学性能的退化，共设计10种配合比，置于浓度5%的氯化钠溶液中进行腐蚀试验。试块尺寸为100mm×100mm×100mm，每30d测定表观裂缝、有效孔隙率、吸水率及质量等；每90d进行材料强度试验，对受压性能变化进行研究。结果发现：玄武岩纤维可有效抑制氯盐侵蚀裂缝的产生和发展，降低氯离子迁移速率。与普通混凝土相比，添加适量的玄武岩纤维能较好提升混凝土抗压强度及变形能力，当纤维体积掺量为0.1%时，最为有利；当掺量超过0.2%后，性能反而降低。另外发现，添加粉煤灰在降低玄武岩纤维混凝土的有效孔隙率、减缓氯离子迁移等方面并不理想。氯盐侵蚀环境下，建议玄武岩混凝土保护层厚度不宜低于30mm。最后，基于试验结果，提出了玄武岩纤维混凝土氯盐侵蚀强度退化模型。本文研究结果可为玄武岩纤维混凝土在氯盐环境下的工程应用提供一定技术支持。
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2021,36(4):429-439 ,DOI: 10.7520/1001-4888-21-039
Abstract:
基于图像和视觉的非接触运动跟踪是目前光测力学中一个活跃的研究领域，在科研和工程测量方面都得到了广泛的应用。本文基于立体视觉原理介绍了一种远程多点三维实时运动测量仪，该系统由2个可独立工作的测量站构成，每个站具备完整的高速图像采集、距离测量、姿态感知、运动控制和数据处理功能。为了实现远程测量，站点之间通过网线或者无线传输的方式进行通讯和数据交互，形成“主站+辅站”的协作测量模式。在三维计算上，利用场景特征实现双站相机的自动标定，并基于高效的数字图像相关原理进行立体匹配和时序跟踪，实现了多点三维运动的实时测量。通过室内刚体平移实验评估了该测量系统的精度；对实际风电叶片运动轨迹的测量，证明了该测量系统在远程大视场测量中的可行性。
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2020,35(1):159-166 ,DOI: 10.7520/1001-4888-18-146
Abstract:
通过对3个足尺性能增强再生混凝土(EC-RAC)框架中节点进行低周反复加载试验，分析其结构模型地震损伤演化过程，确定其震后实际损伤状态与损伤指标。同时，针对传统钢筋混凝土Park-Ang双参数损伤模型无法准确描述加载位移大于100mm后EC-RAC框架节点模型的损伤演化与累积行为的缺点，本文提出了一种修正的Park-Ang双参数损伤模型，并基于前述试验结果，拟合了纤维项系数、位移项系数、能量项系数。最后，利用所提出的损伤模型，以HF-RAC2为例进行损伤指标误差分析，结果表明：平均误差在6%以内，即所提出的双参数损伤模型能够适用于EC-RAC框架节点地震损伤与评估分析。
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2016,31(1):119-126 ,DOI: 10.7520/1001-4888-15-069
Abstract:
为分析液氮注入对含水煤层裂隙疲劳增扩的影响,分别取干燥煤样、50%水饱和煤样和100%水饱和煤样,在室内开展了周期疲劳液氮浸泡试验,利用激光显微镜和声波测试仪测试液氮作用前后煤样表面裂隙结构和波速的变化。结果表明：1)经过液氮浸泡后,干燥煤样裂隙扩展效果不明显,10个浸泡周期后煤样仍完整;2)含水煤样的裂隙主要在垂直节理方向发生扩展;3)饱水程度越高,煤样裂隙扩展越显著;4)饱水程度越高,煤样液氮浸泡破坏所需的浸泡周期越短。煤样的饱水程度对液氮致裂效果影响显著。
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2020,35(2):225-233 ,DOI: 10.7520/1001-4888-18-263
Abstract:
为揭示聚氨酯泡沫的微观结构性能关系，本文依靠自主研发的微型材料试验机，在美国APS光源2BM线站上搭建了原位CT系统，对闭孔硬质聚氨酯泡沫在准静态压缩加载下的变形损伤行为进行了三维实时表征，分辨率可达0.87μm。通过原位CT试验获取了硬质聚氨酯泡沫的应力应变关系，以及三个变形阶段(弹性、平台、压实)的三维结构演化过程。三维图像显示，在平台段会观察到局部压缩带从样品两端向中间传播的过程，且压缩带传播速度会超过压头速度。同时，利用数字体图像相关技术精确计算了聚氨酯泡沫的三维变形场，表明压缩变形主要集中在变形带内部。通过追踪胞元变形过程并利用表面曲率场来量化胞壁变形，发现胞元坍塌主要源于包壁屈曲形成的褶皱。
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2019,34(6):1061-1067 ,DOI: 10.7520/1001-4888-18-073
Abstract:
通过7根锈蚀槽钢构件的受弯试验，研究了锈蚀对槽钢梁受弯性能的影响。试验研究表明：锈蚀槽钢梁的承载力与残余翼缘厚度具有良好的线性关系，残余翼缘厚度可以用来表征锈蚀程度的大小。锈蚀槽钢梁的荷载-挠度曲线和弯矩-曲率曲线可大致分为两个阶段：弹性阶段和弹塑性阶段；有些试件的曲线在加载初期有较小的斜率。在试验研究的基础上，提出了锈蚀槽钢梁基于残余翼缘厚度和锈蚀率的承载力计算公式；计算公式具有较好的可靠度。
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张艳博*, 李昆, 刘祥鑫, 田宝柱, 姚旭龙, 梁鹏, 孙林
2018,33(6):902-910 ,DOI: 10.7520/1001-4888-17-099
Abstract:
为探究声发射传感器对岩石破裂监测效果的影响，本文开展了含孔花岗岩双轴加载实验，选择R6α(窄频)和Nano30(宽频)两类传感器同时监测岩石破裂过程，分析两种类型传感器接收信号时频特征的异同点。从工作频段及灵敏度讨论两类传感器的适用性，继而提出岩石破裂监测中声发射传感器的选取原则。研究结果表明，在时域方面，两类传感器接收的声发射信号能量演化规律体现出一致性。在频域方面，R6α传感器接收信号主频集中分布在33~110kHz，Nano30接收信号主频在0~500kHz内均匀分布。R6α窄频传感器接收信号的强度较高、数据量较大，能够隔绝其他频段内噪声信号干扰，适合分析岩石破裂的时序规律；Nano30宽频传感器从频率上能保证信号的完整性，可用于分析岩石声发射信号波形和频率特征。
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2020,35(4):659-668 ,DOI: 10.7520/1001-4888-18-249
Abstract:
针对高速列车转向架舱的几何外形特点，提取5个设计变量，设计了6种方案，对1∶8比例3编组带路基、轨道及转向架舱的高速列车模型进行了0°及-19.8°侧偏角风洞试验研究，分析了转向架舱不同设计变量对应的高速列车气动阻力特性，得到了各设计参数的减阻效果。研究表明：转向架舱内顶面采用曲面过渡，前后壁面采用倾斜壁，裙板采用全包裙板，减小内壁纵向长度等措施，可以减小列车的气动阻力。通过不同设计变量对列车气动阻力的影响度分析，表明0°及-19.8°侧偏角2种情况下内顶面倒角及内壁纵向长度均对列车气动阻力有重要影响，上述研究结果对列车局部减阻及外形优化具有参考意义。
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2019,34(2):275-283 ,DOI: 10.7520/1001-4888-18-118
Abstract:
飞行器飞行过程中气动加热造成的“热障”具有瞬态(短时)高温的特征，在这一瞬态高温环境下，由于温度和时间因素的共同参与，使飞行器结构材料的强度问题变得极其复杂，常规的稳态(长时)高温力学性能已不能体现材料“热障”环境下的特征。本文提出了一种气动热环境下的材料力学性能测试技术，并以GH3039合金为例，对测试技术进行了系统性验证。该技术能够模拟飞行器飞行过程中的实际气动热环境，开展飞行器结构材料瞬态高温条件下的力学性能测试，获得材料“热障”服役环境下的真实强度信息，为飞行器结构材料高温力学性能测试提供了一个新的思路和发展方向。
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2019,34(4):563-573 ,DOI: 10.7520/1001-4888-18-243
Abstract:
剪切增稠液浸渍柔性织物是防弹织物进行表面改性的潜在方法，利用剪切增稠液剪切率与粘度的极端非线性关系可显著提高纱线拔出力与拔出能量，从而增加柔性织物的抗冲击性能。本文以SiO2为分散相、乙二醇为分散剂配置剪切增稠液，来浸渍Kevlar49平纹织物进行表面改性。对坯布与浸渍布进行纱线拔出测试，其载荷-位移曲线呈现相似趋势，均分为静摩擦与动摩擦两个阶段；与坯布的极限拔出载荷出现在静摩擦阶段不同，浸渍布的极限拔出载荷出现在动摩擦阶段，且明显大于坯布。另外，浸渍布的纱线拔出能量和面内剪切变形均有明显的提升，且与剪切增稠液的质量分数和纱线拉拔速率相关。
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陈兵, 时训先, 张国文, 王文秀, 于巧燕, 赵会军, 袁雄军, 周宁*
2019,34(2):267-274 ,DOI: 10.7520/1001-4888-18-131
Abstract:
基于气云燃爆实验平台，开展了不同长度弯曲管道内丙烷-空气预混气体燃爆实验测试与分析，探索管道长度对弯曲管道内可燃气体燃爆特性及爆炸冲击波对管道薄壁加载效应的影响。实验分别采用光电传感器、压力传感器和应变传感器对管道内爆炸参数和管道薄壁的应力应变规律进行了测试，结果表明，管道越长，弯曲段两侧壁面超压和管壁最大应变越大，压力时程曲线与管道薄壁应变时程曲线具有良好的一致性；弯管一定程度上激励了火焰加速传播，火焰传播速度在90°拐点处降至最低；管道长度对管道内火焰燃爆规律的影响是整体的，管道长度越长，管内压力和火焰速度越大，最大爆炸压力出现在管道末端，冲击波对管壁的加载属于动态加载。
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2018,33(6):979-986 ,DOI: 10.7520/1001-4888-17-107
Abstract:
针对超千米深井巷道围岩大变形破坏的难题，通过相似模拟实验，分析了巷道周围的应力应变演化规律和倾角对巷道稳定性的影响，揭示了超千米深井巷道变形破坏时空演化规律。实验结果表明：由于岩层倾角的存在，巷道底板两角出现应力集中现象。随外界载荷的增大，巷道拱部左上角与底板右下角首先发生破坏，随后向围岩深部扩展，且出现大范围变形破坏，巷道左帮和右帮应力集中现象加剧；巷道围岩各位置处产生的位移量差别较大，巷道拱部与底板产生位移量较大，两帮位移量相对较小，巷道变形量最大的位置达到30mm以上；超千米深井巷道围岩变形破坏特征分为3个阶段：缓慢变形阶段、剧烈变形阶段和严重变形破坏阶段，巷道围岩产生大变形非对称性破坏，且破坏范围较大，顶底板最大破坏深度达到34mm，巷道围岩失去承载能力，巷道空间完全封闭。将上述实验结果应用于工程实践，提出华丰煤矿超千米深井巷道全断面高强预应力锚网支护，特殊部位加强支护的方案，达到了理想的效果。
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2019,34(1):157-165 ,DOI: 10.7520/1001-4888-17-111
Abstract:
对两种苯基硅橡胶材料的航空发动机隔振器的动力特性参数进行了试验研究。建立了试验测试方法的理论模型，分析了工程近似公式在计算隔振器动力特性参数时的误差，并给出了精确计算公式和迭代求解算法。用振动台扫频试验测得了两种隔振器系统常温下三个轴向的动刚度和阻尼比，以及两种隔振器在不同环境温度下X方向的动刚度和阻尼比。试验结果表明，常温下两种隔振器X方向的动刚度都远大于Y、Z方向的动刚度；随着环境温度的升高，两种隔振器X方向的动刚度都逐渐减小；加入阻尼助剂的改进型隔振器的动刚度和阻尼比都大于普通型隔振器。
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2019,34(1):88-94 ,DOI: 10.7520/1001-4888-17-192
Abstract:
通过室内试验的方法，研究了碳酸钙(CaCO3)含量变化对钙质砂的颗粒破碎和宏观力学特性的影响。试验结果表明：取自南海海域的钙质砂样碳酸钙含量为95.8%，并表现出高孔隙、棱角明显等特征。钙质砂颗粒破碎本质上是颗粒间应力集中的表现，随着碳酸钙含量的增加、粒径的增大，钙质砂的内摩擦角和相对破碎率明显增加；颗粒破碎导致级配曲线向良好的方向发展，同时，引起较高应力条件下的强度包线具有非线性的特征。相对破碎率随正应力和碳酸钙含量的变化规律可用一组二元双曲线函数关系式表示。
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2020,35(1):41-57 ,DOI: 10.7520/1001-4888-19-121
Abstract:
节理岩体摩擦普遍存在于地震孕震、板块滑动等自然现象中。目前研究的重点主要集中于大位移下滑动摩擦特性的揭示，很鲜少有人对摩擦滑移初期阶段的相关特性进行研究。本文基于改进的分离式霍普金森压杆装置(SHPB)建立了多点声发射和红外测温等实验装置，研究了5种角度节理表面在摩擦滑动初期的声发射和产热特性。结果表明，与节理摩擦滑移相关的信息位于声发射信号的高频域中，对于所研究的花岗岩样品，其频率范围为78.1~312.5kHz,低于该频率范围的信号源于撞击界面的扰动；与节理摩擦滑移相关的产热信息位于红外测温信号的低频域中，5种节理面摩擦滑移产热对应的温升明显较低。为了揭示这些测量信号的内在规律，基于数值方法建立了合理的分析模型。计算结果表明,随着节理角度的增大，节理面越易滑移，节理表面温升幅值越大，但都低于0.1℃，与实验结果相一致。
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2019,34(3):526-536 ,DOI: 10.7520/1001-4888-18-189
Abstract:
针对铁尾矿库水土流失和库区生态环境的修复问题，通过开展水力侵蚀室内试验，研究了高羊茅、星星草、野牛草和裸坡4种工况下尾矿库边坡的径流模数时变规律、侵蚀模数时变规律、入渗与植被截流率和植被全截流规律。通过开展根-尾矿砂复合体的室内直剪试验，研究在不同含根量和不同生长时间的情况下野牛草根-尾矿砂复合体黏聚力和内摩擦角的变化规律，分析野牛草根系含量和生长时间对铁尾矿砂抗剪强度的影响，进而分析野牛草根系含量和生长时间对铁尾矿砂抗侵蚀能力的影响。确定了提高铁尾矿砂抗剪强度和边坡抗侵蚀能力的最佳含根量及根系最佳生长时间。结果表明：野牛草是铁尾矿库无土植被护坡工程中的优选草种，野牛草根作为铁尾矿砂的加筋材料能够明显提高尾矿砂的抗剪强度和边坡的抗侵蚀能力；根-尾矿砂复合体的黏聚力随根系的生长时间和含根量的增加先逐渐增大，后逐渐减小，但均高于未加野牛草根时的黏聚力；野牛草的最优生长时间为3个月、最优含根量为0.20%，野牛草根系的生长时间和含根量对铁尾矿砂内摩擦角的影响很小。
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2020,35(4):557-566 ,DOI: 10.7520/1001-4888-19-066
Abstract:
钨是目前聚变堆偏滤器及第一壁结构中首选的面向等离子体材料，其服役条件下的力学性能在聚变工程中具有重要参考价值和研究意义。本文采用数字图像相关测量设备在真空高热流综合实验平台上，开发了基于碳化钽的散斑材料及制备工艺，设计和实现了基于外加光源和自身辐射光源的测量光路方案，测量了钨材料试件在25℃至2000℃温度范围的热膨胀变形，所得结果与文献提供的钨材料热膨胀应变结果吻合，误差小于1%，验证了测量技术方案的准确性和可行性，为进一步发展聚变工程材料在高热流冲击工况下的观测技术打下了基础。
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2020,35(2):343-348 ,DOI: 10.7520/1001-4888-18-153
Abstract:
为了研究页岩天然层理倾角及强度等对水力压裂裂纹扩展的影响，采用室内水力压裂实验，通过监测孔直接对裂纹扩展的实时监测和注水压力信息及试件压裂后的剖切，分析层理倾角、强度等对压裂裂纹扩展的影响。实验结果表明：水力压裂过程中，垂直最小地应力稳定扩展的主裂缝遇层理时，层理面与主裂缝初始扩展方向夹角越小，主裂缝越易沿着层理面方向扩展，层理面与主裂缝初始扩展方向夹角越大，主裂缝遇层理面时越易贯穿层理面沿原方向扩展；层理方位，地应力及基质抗拉强度不变，层理的抗拉强度远弱于基质抗拉强度时，主裂缝与层理面相遇后越易沿着层理面方向扩展，层理抗拉强度与基质抗拉强度越相近，主裂缝遇层理时越易贯穿层理沿原方向扩展；层理方位和强度不变，地应力及应力差越大，主裂缝遇层理后越易贯穿层理面沿原方向扩展。
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郭保桥*, 陈鹏万, 谢惠民, 戴福隆, Fabrice PIERRON
2011,26(5):565-572
Abstract:
光测实验技术在现代力学研究中得到了广泛的应用。对于材料力学参数如杨氏模量和泊松比的测量,可利用典型加载试验如拉伸试验、弯曲试验并结合光测方法(如云纹和数字图像相关技术)得到位移值,利用载荷信息和应变场信息通过计算获得相关的力学参数。本文利用虚位移场方法测量石墨材料的力学参数。结合石墨材料的三点弯曲实验,由数字图像相关法测量得到试件表面的非均匀变形场。通过选择两组不同的虚位移场,可以反算出材料的力学参数：杨氏模量和泊松比。结果表明这种方法可以有效测量石墨材料的弹性参数。该方法可望在材料力学行为检测中得到推广应用。
