一类新型仿生起竖结构设计及其动力学分析

由于生物能够通过丰富的运动形式完成特定的任务, 仿生设计方法受到了学者们的广泛关注. 蚯蚓在各种环境中具有出色的移动能力和适应性, 受此启发, 仿蠕虫机器人被提出并应用在搜救、医疗等领域. 然而现有的仿蠕虫机器人一般通过体节的轴向变形实现直线运动, 无法实现类似蛇类生物的起竖功能. 为了解决现有的仿蠕虫机器人无法起竖的问题, 本文提出了一种具有非线性多稳态性质的仿生柔性关节, 并在此基础上构建了多节仿生起竖结构以实现类似尺蠖、蛇等生物的起竖功能. 首先, 本文提出了一种仿生起竖关节模型, 推导了多节仿生起竖结构的总势能表达式, 从而建立了多节仿生起竖结构的动力学模型; 随后, 基于多节仿生起竖结构总势能的表达式和多元函数极值原理, 提出了实现需求起竖构型的结构参数设计准则, 利用动力学模型验证了结构参数设计准则的有效性, 并研究了需求构型的触发条件; 最后, 针对不同起竖节数的设计需求, 设计了相应节数的仿生起竖结构. 研究结果表明, 结构参数设计准则能够使得多节仿生起竖结构达到需求的仿生起竖构型, 并在需求构型处保持稳定平衡; 此外, 定义了初始激励与起竖构型的比例系数单调性变量, 并基于仿生起竖结构不同稳态的吸引盆揭示了上述变量构成的构型触发准则, 这为仿生起竖结构的构型切换提供了理论依据. 本文提出的仿生起竖结构对仿蠕虫机器人的功能拓展具有参考价值和指导意义, 也是对仿生设计理论的进一步完善.

     

壳层形态对核/壳结构PS/SiO_2复合磨料抛光性能的影响

以聚苯乙烯(PS)微球为内核,通过控制正硅酸乙酯的水解过程制备具有不同壳层形态的核/壳结构PS/SiO2复合磨料,应用于二氧化硅介质层的化学机械抛光,借助AFM测量抛光表面的形貌、轮廓曲线及粗糙度.SEM和TEM结果显示:碱性水解条件下,复合磨料的壳层由SiO2纳米颗粒组成(非连续壳层);酸性条件下,复合磨料的壳层则呈无定型网状(连续壳层).抛光对比试验结果表明:复合磨料的PS弹性内核有利于降低表面粗糙度并减少机械损伤,SiO2壳层则有利于提高材料去除率,复合磨料的核/壳协同效应对于提高抛光质量具有主要影响.相对于非连续壳层复合磨料,具有连续壳层的PS/SiO2复合磨料能够得到更低的抛光表面粗糙度值(RMS=0.136 nm),且在抛光过程中表现出了更好的结构稳定性.然而,PS/SiO2复合磨料的壳层形态对抛光速率的影响则不明显.     

碳纳米管的力学性能及碳纳米管复合材料研究

对碳纳米管力学行为和碳纳米管复合材料的研究文献进行了综述.首先介绍了碳纳米管结构稳定性和力学性能的研究进展,包括理论模拟和实验的研究结果.结果表明,碳纳米管有着优异的力学性能,其在复合材料应用方面有着巨大的潜力.然后,系统地总结了碳纳米管在增强高分子材料、金属材料和陶瓷材料方面的应用,指出外场力传递效应是值得关注的课题.最后,对该领域工作做了一些讨论和展望.      

多向编织复合材料的力学性能研究

综述并评价了关于二维和三维编织复合材料的有效弹性模量研究的代表性工作,并从材料设计的思想出发,宏观与微观相结合,材料科学与力学相结合,对多向编织复合材料的宏观力学性能与细观织物结构、组分性能的关系及编织复合材料非线性行为进行了详细的理论分析和研究     

梯度多胞材料的动态力学性能分析与设计研究综述

多胞材料是一种内部含有大量空穴和胞元的结构,具有轻质、高比吸能等特性,广泛应用于航空航天、交通运输和人体防护等碰撞/爆炸防护领域。引入梯度设计可实现多胞材料的有序耗能和载荷调控,满足不同情形和工况下的防护需求。对梯度多胞材料动态力学行为和设计的研究进展进行了综述,着重介绍了梯度多胞材料/结构在抗冲击、抗爆炸和模拟爆炸载荷加载3个方面的应用案例。首先,介绍了梯度多胞材料的分类,较系统地总结了梯度多胞材料在动态加载下的变形特征、冲击波模型、防护性能等方面的研究,阐明了梯度多胞材料的密度/强度梯度与惯性效应存在的竞争机制。其次,以冲击波模型为力学原理指导梯度多胞材料/结构设计,介绍了梯度多胞材料耐撞性反向设计、多种抗爆炸夹芯结构设计、计及弹靶耦合效应的爆炸载荷模拟器设计等策略,实现了最佳防护效果或载荷精准控制,为抗冲击/抗爆炸防护设计和快速评估提供理论基础和技术支撑。最后,展望了梯度多胞材料在极端环境加载、大能量冲击和强非线性载荷调控等需求下冲击防护领域的应用前景。     

人工智能在复合材料研究中的应用

复合材料以其轻质高强高模、可设计性强等优点成为结构轻量化的重要用材. 然而, 随着复合材料组分、结构以及性能需求的日益复杂化, 以实验观测、理论建模和数值模拟为主体的传统研究范式, 在复合材料力学性能分析、设计和制造等方面遇到了新的科学问题与技术瓶颈. 其中, 实验观测不足、理论模型缺乏、数值分析受限、结果验证困难等问题在一定程度上制约了先进复合材料在面向未来工程领域中应用的发展. 人工智能方法以数据驱动的模型替代传统研究中的数学力学模型, 直接由高维高通量数据建立变量间的复杂关系, 捕捉传统力学研究方法难以发现的规律, 在复杂系统的分析、预测、优化方面拥有与生俱来的优势. 而通过人工智能赋能来寻求复合材料中传统研究方法所面临难题的新的解决方案, 目前已成为复合材料研究领域的发展趋势. 本文综述并评价了人工智能方法在复合材料性能预测、优化设计、制造检测及健康监测等方面的研究进展, 并对未来发展方向进行了探讨和展望.     

三维机织复合材料力学性能研究进展

对近年来关于三维机织复合材料力学性能的研究作了综述和归纳。研究表明,三维机织复合材料的力学性能不仅取决于纤维和基体的性能,而且与三维增强结构形式密切相关。通过对三维机织增强结 构的研究,获得了机织复合材料的细观结构和主要力学特征的关系,强调了增强纤维束轴向几何特征和截面形状对材料细观结构的重要影响。试验研究集中于观测机织复合材料的破坏模式,以分析三维机织结构对阻止损伤微裂纹扩展的贡献。理论分析方面较为成熟的研究是三维机织复合材料线弹性力学性能,其研究基础是层板理论模型、取向平均模型和有限元分析模型。而对强度及损伤方面的研究还有待于进一步的工作。本文对当前研究工作中的关键问题进行分析,并就今后的研究工作发表一些看法。      

一种基于壳单元的自动快速计算方法及其在结构设计中的应用

提出一种自动快速计算方法实现壳结构设计中多参数大规模问题的快速计算。该方法将参数域离散技术、显式参数化有限元技术和子空间构造技术通过自动快速计算流程联系起来,提高了快速计算方法的可操作性,改变了常规快速计算方法的流程。同时,通过误差控制实现对子空间的实时更新,在提高快速计算方法的精度的同时减少计算成本。该方法在车身结构...     

基于Timoshenko梁模型的变截面体心立方梯度点阵结构力学特性研究

针对由变截面杆构成的体心立方(Body-Centered Cubic, BCC)梯度点阵结构,推导了BCC线性变截面弯折杆弯矩的分布表达式,应用于Timoshenko梁理论,得到了梯度点阵结构的力学特性参数化理论预测模型;采用六面体实体单元建立了BCC变截面单胞单元和梯度点阵结构的有限元模型,完成了仿真分析,验证了理论预测模型的有效性．对于梯度点阵结构则采用3D打印技术并选择316L金属粉末制备试样,开展了准静态压缩力学试验,同时也完成了同样工况下的有限元仿真分析,验证了Timoshenko梁模型对于长径比10以下梯度点阵结构力学特性研究的适用性,最后通过理论模型讨论了不同长径比、单胞尺寸、单胞数量和梯度方向等各种梯度点阵结构力学特性的变化规律．研究结果表明：对于线性变截面弯折杆,文中所推导的弯矩分布更加精确,能有效降低理论解的误差;采用本文中的理论预测模型,若长径比在3.5～8.7区间内,BCC变截面单胞单元及梯度点阵结构的等效弹性模量解的误差在3%以内．     

低密度开孔泡沫材料力学模型的理论研究进展

开孔泡沫材料主要用于隔音、减振和填充方面，对其力学行为进行理论描述，探讨力学性能与密度及复杂微结构的关系具有十分重要的学术价值和工程意义．为了促进国内泡沫材料力学的发展和交流，文中对低密度开孔泡沫材料力学模型的研究历史进行了简要回顾，重点介绍了能较好地反映开孔泡沫材料真实胞体结构特点的十四面体胞体模型和随机胞体模型，并报道了近年来基于十四面体胞体模型和随机胞体模型研究低密度开孔泡沫材料力学行为的一些理论工作、同时，也对国内的一些相关研究情况进行了简要评述，指出了该领域今后的一些研究方向．     

发展新材料的一些物理力学问题：材料的力学性质和材料设计

本文论述了发展新材料必须进行材料设计,在设计当中要进行各个学科层次的分工与合作。结构材料设计的主要问题是材料的力学性质,这包括高强度、优良的加工性能和高的阻尼本领,其关键环节是加强物理力学和力学物理的研究。     

仿鸡脖子刚柔耦合结构的仿生机理及大变形建模

观察表明, 禽类颈部普遍具有刚柔耦合的特点, 在运动过程中, 可以辅助身体运动, 使得头部产生大变形. 在机器人、航空航天等领域普遍需要具有大变形、变刚度等特征的结构实现相关功能. 受禽类脖子结构的启发, 提出了一种仿鸡脖子刚柔耦合结构, 阐明仿鸡脖子的仿生机理并建立大变形模型. 首先, 从鸡颈部的生物解剖出发, 发现仿鸡脖子结构势必具有多自由度刚柔耦合的特征, 因此, 根据鸡脖子骨骼的构型构造出单节仿生标准单元, 根据肌肉的连接方式厘清节间弹性连接, 建立起仿鸡脖子刚柔耦合结构的力学模型; 然后, 通过定义连接矩阵描述节间弹性元件的分布和作用, 由此得到任意运动下的标准单元的力平衡方程; 最后, 选取了几种具有代表性的工况, 通过有限元分析验证理论建模方法的准确性并展示结构的非线性变刚度特征;在4种典型平面弯曲工况下得到不同变形与发力肌肉群的对应关系. 文章提出的仿鸡脖子刚柔耦合结构建模具有仿生机理清晰、适合大变形计算及结构具有非线性刚度特征等特点, 也解释了禽类颈部变形机理.     

壳体结构优化及其DDDU(W)新版本

本文建立了壳体结构优化的序列二次规划模型,对八节点等参壳单元做了优化处理,扩充了通用结构优化程序DDDU(W)的功能。文末算例表明了算法的合理性与有效性。     

珍珠母的微结构与力学行为研究进展

珍珠母(nacre或mother-of-pearl)是软体动物贝壳内层的主要结构材料,具有优异的力学性能,已成为当前先进工程材料仿生设计和制备的研究热点.该生物材料具有完善的分级微结构,使其强度与韧性远高于组成这种材料的纯文石相.本文从珍珠母的微结构、实验研究以及力学模型3个方面对珍珠母的研究现状进行了概述,并指出目前研究中一些仍待解决的关键问题.      

纳料金属的力学性能

综述了纳米金属力学性能的研究进展,包括弹性模量、硬度与Hall-Petch关系、拉伸与压缩形变、蠕变与疲劳等力学性能的研究进展。