钢纤维聚合物混凝土机床基础件静动态力学性能及损伤机理研究

论文摘要

采用新材料制造静、动态性能优异的机床基础件,对提高机床加工精度及机械制造业整体水平具有重要的理论和实际意义。本文研究了一种新型工程材料——钢纤维聚合物混凝土（Steel-fiber Polymer Concrete缩写为SFPC）的静、动态力学性能及损伤机理,并将其用于制造机床基础件,以达到改善机床静、动态性能,满足机床向高精度、重切削和高效率方向发展的要求。主要研究内容和得出的结论如下:通过试验和理论分析的方法,研究了钢纤维聚合物混凝土组分及各组分配比对其静动态力学性能的影响,确定了适于制造机床基础件的钢纤维聚合物混凝土的最佳组分配比。应用复合材料细观力学理论,对钢纤维聚合物混凝土的界面形成机理、界面力学行为和纤维增强机理进行了研究,建立了该材料承载时,钢纤维的拉应力、界面之间的剪应力、界面粘结系数及钢纤维聚合物混凝土强度和弹性模量的数学模型。得出在制备材料时,为提高其力学性能应遵循如下原则:其一,通过控制钢纤维长径比,尽量使粘结系数为1;其二,通过界面粘结强度的提高,使钢纤维的强度得到充分的发挥;其三,提高聚合物混凝土（Polymer Concrete缩写为PC）的强度,研究配制高强度的聚合物混凝土基体;最后,在界面强度能满足要求的情况下,采用高强度的纲纤维会带来明显的效果。根据损伤力学理论建立了钢纤维聚合物混凝土抗压损伤本构方程,并与实验数据进行了比较,证明了其正确性。根据复阻尼理论,采用自由振动实验方法,研究了钢纤维对聚合物混凝土阻尼的影响,并对其机理进行了微观解释。当钢纤维含量不多时,钢纤维聚合物混凝土阻尼可保持甚至高于聚合物混凝土阻尼,约为铸铁的7倍。研究了钢纤维聚合物混凝土机床基础件的制造工艺流程。与铸铁机床基础件的制造相比,钢纤维聚合物混凝土材料可在室温下成型,不需要熔化加热和时效处理,因而,采用钢纤维聚合物混凝土制造机床基础件的工艺简单,易实现机械化、自动化进而改善劳动条件,减少环境污染同时可大量节省能源,节约钢铁材料。

论文目录

• 摘要
• Abstract（英文摘要）
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国外研究现状
• 1.3 国内研究现状
• 1.4 存在的问题
• 1.5 本文研究内容
• 2 材料设计及其静态力学性能试验研究
• 2.1 聚合物混凝土材料组分的确定
• 2.1.1 骨料
• 2.1.2 填料
• 2.1.3 粘结剂
• 2.1.4 固化剂
• 2.1.5 稀释剂
• 2.1.6 增韧剂
• 2.1.7 聚合物混凝土材料的配比
• 2.2 钢纤维的确定
• 2.3 钢纤维聚合物混凝土的配制及试件制作
• 2.4 钢纤维聚合物混凝土静态力学性能试验研究
• 2.4.1 抗压性能测试
• 2.4.2 劈裂抗拉性能测试
• 2.4.3 抗剪切性能测试
• 2.4.4 抗弯性能测试
• 2.5 试验结果分析
• 2.5.1 钢纤维含量对钢纤维聚合物混凝土静态力学性能的影响
• 2.5.2 钢纤维长径比对钢纤维聚合物混凝土静态力学性能的影响
• 2.6 本章小结
• 3 钢纤维聚合物混凝土的界面应力传递
• 3.1 界面的形成机理
• 3.2 纵向拉伸应力传递的剪滞法
• 3.3 纵向拉伸应力的传递——剪切滑移
• 3.4 压力作用下横向钢纤维与基体间的应力传递
• 3.5 钢纤维聚合物混凝土的界面粘结性
• 3.6 本章小结
• 4 钢纤维聚合物混凝土的增强机理
• 4.1 理想钢纤维聚合物混凝的应力与弹性模量
• 4.2 钢纤维不连续性对理想模型的影响
• 4.3 钢纤维乱向的理论模式
• 4.3.1 乱向短纤维的方向有效系数
• 4.3.2 钢纤维聚合物混凝土中钢纤维的有效系数
• 4.3.3 钢纤维聚合物混凝土的抗拉强度和弹性模量
• 4.4 钢纤维聚合物混凝土的临界体积率
• 4.5 钢纤维聚合物混凝土强度极限和弹性模量公式的进一步修正
• 4.6 本章小结
• 5 基于损伤理论的钢纤维聚合物混凝土抗压本构关系
• 5.1 损伤本构模型发展
• 5.2 损伤本构理论的热力学基础
• 5.3 钢纤维聚合物混凝土单轴受力下的脆弹性损伤本构模型
• 5.3.1 钢纤维聚合物混凝土单轴抗压本构方程
• 5.4 钢纤维聚合物混凝土抗弯性能分析
• 5.4.1 钢纤维聚合物混凝土基体刚阵
• 5.4.2 钢纤维刚阵
• 5.4.3 抗弯损伤本构方程的建立
• 5.5 本章小结
• 6 钢纤维聚合物混凝土的阻尼测试及阻尼机理分析
• 6.1 阻尼的测试
• 6.1.1 阻尼测试原理
• 6.1.2 阻尼测试结果
• 6.2 钢纤维聚合物混凝土阻尼机理的微观解释
• 6.2.1 聚合物混凝土的阻尼
• 6.2.2 聚合树脂的阻尼
• 6.2.3 填料对阻尼的作用机理
• 6.2.4 钢纤维对阻尼的作用机理
• 6.2.5 界面对阻尼的作用机理
• 6.3 本章小结
• 7 钢纤维聚合物混凝土机床床身制造及其静动态性能分析
• 7.1 钢纤维聚合物混凝土机床床身的设计与制造
• 7.2 机床床身静态性能分析
• 7.2.1 机床床身的静力分析
• 7.2.2 机床床身的静刚度分析
• 7.3 机床床身动态性能分析
• 7.3.1 机床床身动态性能的有限元分析
• 7.3.2 机床床身动态性能的实物测试分析
• 7.4 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 发表论文及科研情况
• 致谢