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(工学)高分子材料加工计算机模拟第二章 材料科学研究中的数学模型
利用45钢试样的一组残余应力数据对式(9)进行拟合,从而求得K=2.3x10-6(MPa)-1; b=2.16x108(MPa/m),将所得的k,b数据代入公式(9)得到激光冲击强化残余应力的一般估算经验公式: ?x=2.3x10-6EPmaxe-2.16x10 x/E ?y=2.3x10-6 Pmaxe-2.16x10 x/E 8 E? ?-1 式中:?y-残余应力 E-材料弹性模量 x-沿激光冲击波方向的深度 Pmax-激光冲击波的峰值压力 第三节 材料科学的数学建模方法 在材料科学中常用的数学建模方法有理论 分析法 、模拟方法 、类比分析法 、数据分析 法。 一、理论分析法 理论分析法指应用自然科学中的定理和定律, 对被研究系统的有关因素进行分析、演绎、归纳,从 而建立系统的数学模型。在工艺比较成熟,对机理比 较了解时,可采用理论分析法。根据问题的性质可直 接建立模型。 例:在渗碳工艺过程中通过平衡理论找出控制参量与炉气碳势之间的理论关系式。 二、模拟方法 模型的结构和性质已经了解,但其数量及其求 解却相当麻烦。如果有另一种系统,结构和性质与其 相同,而且构造出的模型也类似,就可以把后一种模 型看成是原来模型的模拟,而对后一个模型去分析或 实验并求得其结果。 分为:实验模型来模拟理论模型和简单理论模型来 模拟分析较复杂理论模型。 例如,研究钢铁材料中裂纹在外载荷作用下尖端的应力、应变分布。 步骤: 1)采用环氧树脂(EP)制备出同样结构的模型,并加工出裂纹。 2)将环氧树脂放入恒温箱内,对环氧树脂模型在冷冻温度下加载,并在室温和不变的条件下缓慢冷却到室温卸载。 3)将已冻结应力的环氧树脂模型在平面偏振光场或圆偏振光场下观察,环氧树脂模型中出现一定分布的条纹,这些条纹反映了模型在受载时的应力、应变情况。 4) 用照相法将条纹记录下来并确定条纹级数,再根据条纹级数计算应力。 5)根据相似原理,材料等因素确定一定的比例系数,将计算出的 应力换算成钢铁材料中的应力,从而获得裂纹尖端的应力,应变 分布。 三、类比分析法 若两个不同的系统,可以用同一形式的数学 模型来描述,则此两个系统就可以互相类比。类比 分析法根据两个(或两类)系统某些属性或关系的 相似,去猜想两者的其他属性或关系也可能相似的 一种方法。 例 在聚合物结晶过程中,结晶度随时间的延续不断增加,最后趋于该结晶条件下的极限结晶度,现期望在理论上描述这一动力学过程。 采用类比分析法。聚合物结晶过程包括成核和 晶体生长两个阶段,这与下雨时雨滴落在水面上生 成一个个圆形水波并向外扩展的情形相类似,因此 可通过水波扩散模型来推导聚合物结晶时的结晶度 与时间的关系。 在水面上任选一参考点,根据概率分析,在时 间从?0到t时刻的范围内通过该点的水波数为m的概 率P(m)符合Poisson分布(假设落下的雨滴数量大 于m, t时刻通过任意点P的水波数的平均值为E)。 (1) 显然有 (2) 把水波扩散模型作为结晶前期的模型来讨论薄层熔体形成“二维球晶”的情况。雨滴接触水面相当于形成晶核,水波相当于二维球晶的生长表面,当m=0时,意味着所有的球晶面都不经过p点,即p点仍处于非晶态。根据式(1)可知其概率为: 设此时球晶部分占有的体积分数为 ,则有 (3) 下面求平均值E,它应为时间的函数。 (a) 先考虑平面内一次性同时成核的情况,它对应所有雨滴同时落入水面,到t时刻,水波前进的距离为 ,那么,以 为半径的圆面内的雨滴所产生的水波都将通过p点。(见图)。 r r r dr r r r dr 把这个面积称为有效面积,通过p点的水波数等于这个有效面积内落入的雨滴数。设单位面积内的平均雨滴数为N,当时间由t增加到t+dt时,有效面积的增量,即图中阴影部分的面积,为 ,平均值E的增量为: p 若水波前进速度即球晶径向生长速度为 ,则 ,积分得平均值同t的关系为: 代入式(1)得 (4) 式(4)表示晶核密度为N,一次性成核时体系中的非晶部分与时间的关系。 (b)如果平面内晶核是不断形成的,相当 于不断下雨的情况,设单位时间内单位面积 上平均产生的晶核数即晶核生长速度为I,到t 时刻产生的晶核数(相当于生成的水波)则 为It。时间增加dt,有效面积的增量仍 为 ,其中,只有满足
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