中日合作交流樱花系统

日本樱花访学计划总结报告

刘学婧

首先非常感谢能有机会参与本次的樱花访学计划，来到日本东京理科大学与Okada实验室的老师和学生进行深度交流与合作，完成了一个小型学术项目。通过本次跨国交流，我不仅扩展了自己的知识面和学术眼界，也看到了日本研究学者的认真严谨和勤于交流的特点，除此以外，还体验到了日本的文化和风土人情。

我和团队的其他四名成员于11月4日晚六点抵达日本成田机场，并在牛岛邦晴教授的帮助下来到了目的地千叶县柏市入住。

在一晚的休息过后，我们来到了各自选择的实验室与日本师生见面。我选择的研究方向是: 三维裂纹扩展的有限元分析。上午Okada教授首先为我介绍了他们实验室所研究的方向，包括实验测试方面和理论建模方面；我自身研究方向更偏向于智能柔性材料的驱动性能及击穿强度测试，虽然与Okada实验室的研究方向有一定的差别，但希望通过本次的交流探讨以及自己日后的进一步深入学习，能将材料裂纹的三维扩展的理论建模及有限元仿真方法引入到对于智能柔性材料击穿断裂的理论研究中，从理论层面对我所研究的介电弹性薄膜材料进行分析和预测。接着，他为我讲解了我本次所要研究的课题及相关知识，并为我介绍了他的硕士研究生——水谷骏吾，也就是我本次交流课题的合作伙伴。下午水谷骏吾为我详细介绍了本次研究的主要任务：针对SM400A型钢板试件的三维疲劳断裂进行材料参数测定，并将其带入有限元软件中仿真，再将实验结果与仿真结果进行对比；水谷先生对研究中所要用到的公式和软件为我进行了详尽的说明和指导。接着，我为Okada实验室的师生针对我所在课题组的研究内容和现状做了PPT汇报，主要讲解了介电弹性薄膜的力电耦合驱动机理，实验与理论研究和应用中存在的一些问题，并与他们进行了相关的讨论。当晚Okada实验室的全体成员为我开了欢迎party，我们享用了日本的寿司，啤酒等美食，探讨了彼此国家的风俗和文化，Okada实验室的同学都很热情和幽默，我们度过了非常愉快的晚餐时间。

11月6日到8日，我与水谷先生共同完成了对SM400A钢板试件疲劳断面的材料参数测定及VCCM有限元仿真。首先，用电火花加工法在试件的中心认为制造了一个微小的裂纹尖端；然后对其进行疲劳实验，测试中采用频率为20Hz，幅值范围为8～80kN的载荷对试件进行正弦波加载（由于时间有限，这部分的实验工作由水谷先生完成）。通过上述疲劳断裂实验，得到了如图1所示的疲劳断裂表面，从中可以看到多个同心的半椭圆形痕迹，揭示了动态往复载荷下三维裂纹发展并最终导致断裂的过程。由于微小裂纹的扩展是三维发展的过程，而之前的断裂研究中大多将其简化为二维扩展，重点研究裂纹在深度方向的扩展过程，这也造成了理论与实验结果的较大偏差。在本次研究中，将引入裂纹长度方向的扩展过程。

图 1.钢板试件的疲劳断面

接着，在断裂表面选取了50, 60, 70 ... 120, 130九个角度，在水谷先生的帮助下，我借助于形状标定软件（KS-1100 Analyzer）完成了对于试件疲劳断面上相邻“海滩纹”之间的裂纹扩展距离的测定（图2为裂纹扩展距离测定软件的操作界面），并通过计算得到了不同角度下Paris断裂法则中的关键参数——应力强度因子ΔK（stress intensity factor）。

图2. KS-1100 Analyzer形状标定软件的操作界面

图3. 相邻海滩纹之间裂纹扩展距离的测试方法

图3展示了裂纹形状标定的基本方法。其中a_n和b_n是第n条海滩纹的长短半轴长度，以短半轴长度b_n为半径画四分之一圆，接着画出测试角度Φ与该圆取得交点，接着由交点开始沿水平方向画线，找到其与第n条海滩纹的交叉点A。接下来，通过如下所示的方程画出通过A点的第n条海滩纹的正交线，并求得其与第n+1条海滩纹的交叉点B的坐标和线段AB长度da。

采用如上所述的方法对试件疲劳断面上每两个相邻的海滩纹间，针对50, 60,70 ... 120, 130这九个待测角度进行了一系列形状标定，明确了海滩纹的长度2a，深度b与载荷循环数N之间的关系。根据Paris所提出的断裂理论，裂纹长度2a与载荷循环数N和应力强度因子ΔK之间存在如下关系：

通过不懈努力，我们于11月7日中午完成了对于断面海滩纹形状的标定与记录，并根据测试结果用数据拟合的方式求得了材料参数C和m。

在剩下的一天半时间里，我们在实验测试和拟合的基础上，采用虚拟裂纹闭合法（VCCM）针对裂纹扩展进行了有限元仿真，希望得到测试点数量对仿真结果精确度的影响规律。由于我对于裂纹扩展的有限元仿真不熟悉，此部分的工作水谷先生给了我很多的帮助。我们主要进行了3组仿真，并分别于实验结果进行了对比，它们分别有：

（A）仅考虑深度方向扩展，测试角度为90度；

（B）考虑5个方向的扩展，测试角度间隔20度，即50, 70,90, 110 和130度；

（C）考虑所测的9个方向的扩展，测试角度间隔10度。

图4展示了用有限元VCCM方法对裂纹扩展进行仿真的流程图。

图 4.VCCM仿真的流程图

我们首先探讨了裂纹形状参数b/a与载荷循环数N之间的关系，并与实验结果进行了对比。通过图5可见，增大测试节点数对于这两者之间关系预测的准确性影响不明显。

图5.裂纹形状参数b/a与循环数N之间的关系：理论与实验结果对比

接下来，对表征裂纹深度方向扩展程度的关键参数 b/t与载荷循环数N之间的关系进行了模拟，三组有限元分析的结果与实验结果的对比如图6所示。从中可以看出仅考虑深度方向扩展时，仿真结果与实验结果的偏差比较大，因此该方法并不可取；而考虑5个方向裂纹扩展的有限元结果在循环数小于28000时取得良好的一致性，对于较高的循环周期数仍存在一定的偏差；而采用9个测试节点时，仿真与实验结果在循环周期数较高时仍能取得良好的一致性。因此，增加测试节点数能够有效提高裂纹扩展仿真结果的准确性。

图 6.深度扩展参数b/t与循环数N之间的关系：理论与实验结果对比

我和水谷先生于11月6日～8日通过交流合作的方式完成了对于钢板试件三维裂纹扩展的参数标定和有限元仿真，获得了三维方向裂纹扩展的变化规律；我们于9日上午对本次学术交流项目进行了总结，并在当天下午完成了项目汇报。

通过这次的合作我对自身的研究领域，研究思路和研究方式有了一些新的想法，此外我也充分认识到了交流与合作的重要性。在此期间，我学习到了一种研究三维裂纹扩展的实验与理论相结合的分析方法，并在水谷先生和Okada教授的帮助和指导下，对于VCCM有限元分析裂纹扩展的方法有了初步的认识；希望通过自己后续的努力，能将相关知识扩充并加深理解，最后在将其进行适当调整后为我所研究的柔性薄膜材料机电强度的预测服务，从多场耦合下断裂力学的角度展开系统理论研究。

本次的交流不仅仅使我在学术方面有所进步，这也是我首次来到日本这个美丽的国家。学习之余，我们到浅草寺，东京塔等著名景点进行了游览。日本的环境优美，街道整洁，食物美味，人们也非常的有礼貌。通过与日本学生的交流，我知道了日本研究生在实验室的工作时间是周一到周五的10:00～17:00，这与中国研究生通常的工作时间相比要短许多；但是他们博士生一般3～4年就能够毕业，这是因为他们每一个实验室所做的研究方向都有很好的传承，从参考文献的查询到每一次实验的数据再到每一个程序代码的编写，后来的学生能很方便的找到他们需要的前人留下的资料并加以运用，有效的节约了时间。此外，他们的工作效率较高，而且成员之间经常进行学术讨论，针对某一问题提出自己的见解，这种“一个人有困难，大家都来帮忙”的合作交流不仅仅加深了他们对研究内容的理解，也能碰撞出更多火花，大大加速了他们每个人的研究进程。但是在日本，大学宿舍的住宿费用非常昂贵，大部分学生都自己租学校周边的房屋居住；而且在日本攻读研究生只有小部分学生能够拿到奖学金。而我国的研究生几乎都能拿到教育部，学校和导师的奖学金或补助，不用为求学的费用费心，所以我借鉴日本研究者的长处，应该更加努力的开展研究，报效祖国。

总之，我非常感谢樱花访学计划能够给我这次到日本交流研究的机会。在此，感谢日方牛岛邦晴教授的热情接待和对我们在日期间生活琐事的照顾。

日本樱花科学计划交流总结报告

      林浩

首先，我很荣幸能够参加这次东京理科大学的樱花科学计划交流项目。

11月5日，我进入东京理科大学的Arai实验室，在Arai教授、Ito博士和Katori先生等人的指导下，开始了关于高温热障涂层（TBC）的Marc有限元仿真和试验研究。当晚Arai实验室的全体师生为我举行了欢迎聚会，气氛温馨融洽。

此次，我的研究主题是“NumericalSimulation of Crack Propagation in Porous-TBC subjected to a Monotonic TensileLoading”，关于多孔TBC在拉伸载荷作用下的裂纹扩展数值仿真分析。

本研究的背景是由于燃气轮机叶片在运行过程中暴露于高温燃烧气流，为了保护叶片的金属芯免受这样的高温环境的影响，使用热障涂层（这里称为“TBC”）是具有重要的意义。TBC一般由两层组成：顶层涂层和粘结涂层。我们把顶层涂层称为TC，粘结涂层称为BC。众所周知，TBC会受到与启停操作相关的温度变化和外部载荷（如离心力等）的作用，从而出现破坏。因此，为了预测TBC裂纹萌生和扩展损伤的发生，需要在温度和外部载荷的复杂边界条件下精确评估TBC中的应力。

使用Marc进行有限元仿真分析，研究内容包括：

1、Marc软件的基本操作。进行简单的Fe分析，在室温下进行单调拉伸加载。进行简单的Fe分析，在温度升高后进行单调拉伸加载。

2、学习TBC的非弹性本构方程。用TBC的非弹性本构方程进行有限元分析。

3、学习IN738LC的Chabokes型粘塑性本构方程。用IN738LC非弹性本构方程进行有限元分析。

4、建立非弹性变形模型。用非弹性变形模型进行有限元分析。

5.利用截面图像建立致密TBC的有限元模型。进行致密TBC的有限元分析。

6.从横截面图像中构建多孔TBC的有限元模拟。进行P－TBC的有限元分析。

7、学习TBC模拟裂纹扩展。在TBC中进行简单的裂纹扩展分析。

8.模拟致密TBC，使用FE代码进行有限元仿真。

9.有限元模拟多孔TBC。使用FE代码进行有限元仿真。

10.建立850°C下的致密TBC模型，利用FE代码在850°C进行FE分析。

11..建立850°C下的多孔TBC模型，利用FE代码在850°C进行有限元分析。

通过研究TBC的非弹性本构方程，从实验结果可以看出，拉伸载荷导致微裂纹数量增加，从而引起TC的非线性变形行为。随后的卸载和压缩加载不会带来微裂纹数量的变化，导致形成线性规律。当再次施加再加载时，变形行为是线性。在此之后，微裂纹的数量再次增加，变形恢复到非线性规律。在此基础上，建立非弹性本构方程。变量“D”是表征微裂纹密度的损伤参数，损伤演化由此给出，包括弹性、时间和循环载荷的贡献。

基于损伤参数D进行裂纹扩展模拟。在裂纹附近，高损伤参数局部发生取决于网格的大小。为了防止这种局部化，利用非局部损伤理论对非局部化损伤参数进行了研究。然后，当非局部化损伤参数变得高于临界损伤值D_C时，假定裂纹扩展。将上述算法引入分析程序中，实现裂纹的自动扩展。

在多孔TBC中进行拉伸载荷下的裂纹扩展分析，得出了裂纹扩展过程和应力-应变曲线的结论：

1、对于无孔的TBC，在顶层表面有裂纹起始。TC裂纹扩展速度较快，呈直线下降。

2、TBC具有多孔性：在顶层多孔层中有裂纹起始。TC应力较低，逐步减小。

通过以上研究，我学到了很多东西，并得到了一些重要的研究结果。在11月9日下午，我们通过交流报告的形式，将研究成果与日本师生进行和探讨和交流。

然后，通过参观Arai实验室的试验，我看到了该实验室许多实验系统，并与学生交流了他们的研究情况。该实验室主要对材料评价技术进行实验研究，对晶体结构和化学分析技术进行实验研究，材料测试技术包括标准测试和微观测试，通过实验系统可以进行材料实验。通过物理性能测试技术和许多特殊的测试设备共同开发了许多实验。使我在试验方面获得了不少灵感与经验。

在11月12日，我们共同访问了AIST、JAXA。AIST是日本国家先进的工业科学技术研究所，有许多新的研究成果。JAXA是日本航空航天探索机构，作为领先的航空航天机构，为世界航天事业做出了不少贡献。我认为这是一次有意义的访问。

最后，在日本交流项目结束之后，我要感谢樱花科学计划、西安交通大学机械工程学院、东京理科大学、Arai实验室等为我提供这次交流机会。这是一次非常难忘的生活和科研经历。

赴“樱花科技计划”中的东京理科大学交流感想

刘玥

首先，我非常感谢西安交通大学和樱花科技计划提供这个机会，让我来到东京理科大学去交流，去感受当地的风土人情和学习氛围，然后感谢我的导师王朝晖老师支持我理解我去参与这个项目，并且在整个项目参与过程中不尽余力的帮助我，指导我，让我感受到了老师对我们深厚的关心爱护之情。

本次交流学习的院校为东京理科大学，开展了为期十天的学习与交流。我于十一月四号到达日本境内，开始了我的日本之行。我选择的研究方向是Estimation of MechanicalProperties of lightweight structure manufactured by selective laser metalmelting，这是关于金属粉末3D打印的晶格模型进行建模，然后实验分析它的强度，观察它的弹性变形和塑性变形的曲线，实验与建模相互验证，完成整个分析。进行实验的实验室为牛岛邦晴先生的实验室，整个实验室的人都非常友好，关系很融洽，我学习的主要内容是study about the latticestructure under the compression and shear force。牛岛先生让他的学生，Omachi ayumi指导我为期三天的学习，我的学习任务是构建四个模型，其中一个是压力模型，剩下三个为不同晶格数量的shearing model，使用的主要建模软件为Marc，对如何使用这个软件建模进行了简单的学习，创建了四个模型。第一个压力模型，得到了解析曲线，计算了strain和stress，完成了软件的初步熟悉与使用，能够了解使用Marc软件的目的和意义。使用了另外一个压力模型，完成了分析结果和理论结果的对比，首先得到分析结果曲线，然后使用牛岛先生之前论文中得到的理论公式作为理论结果进行对比，发现构建的模型与理论很符合。关于剪切模型，创建了不同晶格数量的剪切模型，首先在X方向增加晶格数量，形成一个4X1X1模型，然后在Y方向上增加晶格数量，形成一个4X2X1模型，对不同晶格数量的模型得到的分析曲线进行了对比，发现晶格数量不同影响结构本身的应力和强度。然后进行了lattice 的压力试验，学习了如何进行有关lattice的实验，得到lattice 受到压力的实验数据，但是本次试验并未成功，可能是使用的lattice材料表面光滑程度不够，存在太多凹凸，或者是其他原因，原因目前尚未查明。实验需要进行多次，才能得到好的结果。

对于这次学习，我想这是一次非常好的交流，我可以了解国外的学习方式、学习方法，了解他们做科学研究的一个过程，取长补短，弥补自己之前的不足。在周五进行了一次简单的汇报，对于自己的学习情况和来到日本的感受，整体过程还是有点紧张，因为三天的学习安排并没有使我对整个项目有充分的了解。汇报结束后，在欢送仪式上与牛岛先生和实验室其他同学交流中发现在日本整体学习的压力并没有国内那么大，我讲述了我高中时期的时间表，上课时间为早上六点半直至晚上十点半回家，而日本同学的普遍情况是早上八点半至下午五点半，其余时间为自己的时间，对于学生的学习要求时间比较宽松，而且国内学生一般上大学的途径是通过高考，学生在特定的时间只有一次机会，而在日本每个大学都有自己的考试，一个学校失败了还有很多其他学校可以选择，这是我觉得日本的教育制度很优秀突出的地方。同时发现日本的学费和住宿费非常高昂，对于学生来说负担较大，国内的政府在这方面为学生承担了很多，走出国门，才知不同。在周一参观了日本的航空基地，发现在科学技术上日本确实做的比较强大，在1955年完成了自制飞机的全体工作，同时在1965年制造完成了长达200米的风力通道，回想这个时候我的祖国还是百废待兴，努力建设过程中，发现在技术上确实有了很大差距，但是目前高新技术的领先不是持续的，我相信在国家的大力倡导和整体科研技术水平的不断提高，我国早晚会在科研技术方面赶超他国，首先从我自己做起，认真完成每一件事，为国家建设尽自己一份小小的努力。

在日本期间全程使用英语沟通，知道了自己讲英语不太好，需要在今后的学习中加强对英语口语的练习。同时日本是一个很美丽的国家，整体环境非常干净整洁，国民素质水平相对较高，在这方面我们还是有所差距，但是随着国民受教育水平的不断提高，国民素质问题我相信是会不断提高的，我回国之后比较大的感受就是确实有差距，毕竟我国目前仍是发展中国家，但是差距是可以缩小和弥补的，我们在科研、国民幸福度、发展的道路上正在不断前行着。

中日樱花科技交流计划总结报告

刘腾飞

本人参加了2018年11月的中日樱花科技交流计划，访问了东京理科大学工学部的Matsuzaki教授的实验室，本次交流活动共持续10天，在此期间，我与实验室的教授与同学从学术、文化等各方面展开了充分的交流与互相学习，既有助于自己将来的科研工作，又开阔了自己的视野，丰富了自己的世界观，使自己受益匪浅。

在交流期间，本人首先就自己的科研工作向教授与同学做了学术汇报，本人从事的连续纤维3D打印研究方向与Matsuzaki教授从事的工作十分接近，因此我们就该项技术展开了充分的讨论与交流，从材料、装备、打印工艺、计算方法、数据处理等各个方面交换了意见，帮助自己解决了在科研过程中的诸多疑惑，Matsuzaki教授为自己的科研工作提出了很多建设性的意见与建议，加深了自己对连续纤维3D打印技术的理解，帮助自己确定了今后科研工作的研究思路。

向日方研究人员介绍自己的研究工作

之后的一个星期内，Matsuzaki教授为自己布置了一个小的实验课题，对连续纤维3D打印结构进行结构优化使样件在较小的质量下能够承受较大的外部载荷，通过与教授和学生的讨论，本人以简支梁为研究对象，设计了不同形状的横截面，之后对不同的横截面进行建模与数据处理，在实验室同学的帮助下，利用3D打印机制造出了复合材料零件，再利用力学实验机进行三点弯曲实验得到零件的抗弯性能，实验过程如下图所示，之后对实验结果进行了讨论，计算了不同样件的性能参数，观察了样件的断裂模式，并从多个方面讨论了实验结果差异性的原因，通过此次实验使自己对复合材料结构设计与拓扑优化有了一定的了解，加深了自己对复合材料的计算和仿真的认识。

连续纤维3D打印结构拓扑优化实验

    在访问的最后两天，日方的教授带领我们参观了日本的VIST与JAXA两个研究机构，在VIST日方向交流团介绍了他们从事的利用光学技术进行复合材料应力应变检测方面的研究，自己与研究人员展开了交流，并探讨了该技术与连续纤维3D打印相结合的可能性，激发了自己的研究思路，在JAXA日方向交流团介绍了他们有关未来飞机的相关工作，拓展了自己的视野，自己深深体会到日本的科学技术在某些方面的先进性。

访问日本VIST与JAXA

在文化方面，本人主要有两点体会比较深刻，首先是日本对于食物的尊重，人们日常生活对于食物尽量做到物尽其用，很少产生浪费，值得自己去学习，另外一点是民众都具有比较良好的自我约束能力，在公共场合能够自觉遵守规则，人与人之间保持互相尊重，也是自己需要学习的地方。

最后，感谢西安交通大学机械学院以及自己的导师对本人参加此次交流计划的支持，今后一定更加努力的进行科学研究，尽力做出更多更好的成果，以不辜负学校与老师的殷切希望。

JST交流计划报告

张曼玉

  首先很感谢机械学院能给我这个机会参加 JST中日交流计划，这是一次难得的机会能够到日本体验不同的文化，感受东京理科大学的科研环境和科研氛围，与日本研究生进行学术上的交流，参观日本AIST和 JAXA开拓视野，扩大知识面。

    2018年 11月 4日西安交通大学赴日交流一行人抵达日本，负责接待我们的牛岛教授带我们入住酒店后告诉我们在日计划行程，并告诉我们在日本吃穿住行需要注意的事项，根据每个人的研究方向不同所要参观学习的实验室不同，Matsuzaki是东京理科大学研究连续纤维增强复合材料3D打印技术的实验室，与我所研究的方向相似度很高，所以接下来的一周将要在这个实验室做课题研究。

 下午见到了 Matsuzaki副教授，Matsuzaki针对我们研究方向给定了一个的研究课题“3D打印连续碳纤维复合材料的结构优化”，紧接着在工作时间结束之后Matsuzaki实验室的同学为我们举办了欢迎仪式，并且为我们准备了日本的传统食物，中日同学互相介绍自己研究方向和兴趣爱好，在交谈中互相了解对方文化习俗，科研方式差异等，相处融洽。

  第二天和我相同研究课题的博士刘腾飞以“3D打印连续碳纤维复合材料力学和界面性能”为题，将我们的研究内容介绍给Matsuzaki实验室的同学，由于在研究内容上相似，日方同学对我们的研究内容很感兴趣，所以之后进行了专业上的讨论。

  接下来的几天则是针对Matsuzaki给出的课题进行实验研究设计。实验的目的是通过复合材料截面优化设计得到在更小的质量下，强度更高，所以我们设计了三种截面，尺寸形状如图四，NO.1是正方形截面，NO.2是工字梁，NO.3是双曲梁，2和 3的横截面积相同。

图四不同截面梁然后运用 Markforge软件设计复合材料参数并生成 3D打印 G代码，我们所使用

图五不同截面试件设计打印

的试件在材料力学是碳纤维增强复合材料，在材料力学中工字梁三点弯曲时，截面应力分布如图五，所以我们在设计碳纤维层时，只在最底部和最顶部打印碳纤维，试件其余层为纯尼龙层，之后用3D打印机打印所设计的三种样件，打印完成后对样件进行尺寸测量和质量检测，最后进行三点弯曲实验。实验结果如表一所示

表一不同截面试件实验结果

图五三种试件三点弯曲实验结果

从表一和图五中可以看出一号试件质量最高强度也最高，而三号样件的强度高于而二号试件的强度， CF纤维含量及质量小于二号试件，为了探究这种结果产生的原因我们与 Matsuzaki实验室的同学进行了讨论，得到两种结果猜想，第一种如图六所示，三号试件的应力传递在 X轴上有分力所以作用到底面时力相对减小，所以强度相对较高。

图六不同截面应力传递方向

第二种猜想如图七所示，没有考虑到复合材料试件的各向异性，在计算惯性矩时，把试件按照各向同性的纯材料计算，这样是不准确的，想得到更精确的复合材料惯性矩需要对材料仿真计算，但由于交流时间有限还未进行，但是会继续对这个课题进行研究得出结果后与Matsuzaki交流。最后将实验结果展示给日方老师和同学。

图七课题报告

按照日程安排，交流的最后一天是参观日本的 AIST和 JAXA。在 AIST接触到一种测量形变的方法，主要是采用云纹干涉的方法，利用相机捕捉到形变前后周期性点阵的变化，进而进行云纹干涉分析形变量，这种技术的测量范围很广，小到原子大到桥梁形变测量，误差相对较小。随后参观了JAXA，亲身在这里体验到空间站的对接过程，并看到日本第一架飞机以及日本最大的风洞。

   通过这次的 JST交流不仅深入了解了日本的文化，更加见识到日本在科学领域的进展开拓世界，对我以后科研路上有很大启发，让我更明确了自己的方向。这将是我人生中难忘记得经历。