轻质高强点阵材料及其力学性能研究进展

点阵材料是一种新型轻质高强材料, 同时具备形状控制、致动、能量吸收和传热等多种功能. 文章综述了点阵材料的拉伸主导型设计原则、点阵构型和制备工艺. 拉伸主导型点阵材料的比强度和比刚度明显强于一般胞元材料, 在低密度时质量效率更加突出. 根据材料的基本构型特征主要介绍了三维八角点阵以及夹层点阵材料, 比较分析了熔模铸造法和冲压折叠成型工艺的特点. 总结了研究点阵材料力学性能的理论方法和试验研究成果, 研究表明缺陷对点阵材料力学性能的影响明显小于一般胞元材料. 对点阵材料在形状控制与致动、传热和数值计算方面的应用研究成果进行了介绍. 文中归纳了作者近期在炭纤维点阵复合材料方面的工作, 给出了制备炭纤维隐身点阵格栅的探索性工作. 主要包括炭纤维点阵复合材料的三维编织工艺和二维点阵格栅的嵌锁工艺以及隐身点阵格栅反射率试验测试结果.      

考虑材料各向异性的熔丝制造PLA点阵结构弹性各向同性设计

增材制造技术的兴起激发了国内外学者对结构创新设计的热情. 然而, 增材制造材料的各向异性为结构力学性能的预测与设计带来了一定的困难. 为了准确预测熔丝制造聚乳酸(PLA)材料和点阵结构的弹性性能, 并实现点阵结构的弹性各向同性设计, 首先, 本文采用正交各向异性弹性模型来描述PLA材料的弹性行为, 通过实验和计算得到了正交各向异性模型需要的9个独立的弹性常数. 然后, 设计了一种力学性能可调的二维组合桁架点阵结构, 基于代表体元法, 在不考虑材料各向异性的情况下推导出了其平面内等效弹性性能的解析表达式及弹性各向同性条件. 最后, 根据PLA材料的各向异性调整点阵结构内部杆件的弹性模量和厚度, 并基于代表体元法重新推导出了点阵结构平面内等效弹性性能的解析表达式及其弹性各向同性条件. 研究结果表明, 正交各向异性弹性模型适用于描述熔丝制造PLA材料的弹性行为, 基于该模型能够准确预测PLA材料在任意方向上的弹性模量. 在预测与设计熔丝制造点阵结构的力学性能时需要充分考虑材料的各向异性. 在考虑材料的各向异性之后, 基于代表体元法调整点阵结构的几何尺寸, 能够实现部分点阵结构的弹性各向同性设计.      

随机晶界分布对铝多晶材料晶间破坏行为的影响

采用二维随机有限元方法研究了准静态拉伸载荷下细观随机不均匀的粗晶粒铝多晶试件晶间破坏的力学行为．探讨了随机晶界的数量和分布对材料断裂性能的影响。     

轻质高强点阵金属材料的制备及其力学性能强化的研究进展

如何在现有的材料和结构基础上减轻重量并获得更优良的力学性能是材料和力学工作者面临的挑战.概述了国内外轻质点阵金属材料的主要制备技术,评价了点阵金属三明治板的关键焊接技术,并根据各类点阵金属材料的微结构特征分析了其静态力学性能.针对点阵金属材料力学性能强化的关键点进行了系统分析,总结和阐述了点阵金属材料强化研究的关键进展,讨论并展望了轻质材料和结构的研究发展趋势.      

新型复合材料点阵结构的研究进展

复合材料点阵结构是一种具有轻质、高比强、高比刚以及多功能潜力的新型结构材料, 近几年受到国外学者的极大关注, 是新一代结构材料一体化的理想结构材料. 本文概述了点阵复合材料及结构的发展历程, 包括复合材料点阵结构的拓扑构型设计、制备工艺研究、力学性能表征、失效模式分析、预报模型评价等方面的工作, 并给出了复合材料点阵结构的力学性能、失效模式和理论数值模型汇总表以及修正后的材料强度与密度关系图. 同时, 本文对复合材料点阵结构可能应用的领域进行预测, 并对其未来发展进行了展望.      

纳晶金属的力学行为

纳晶金属特指晶粒尺寸在($1 \sim100)$\,nm块体金属材料,其在力、热、声、电、磁等方面有着潜在应用,对它的制备、表征和模拟是材料科学及相关领域的重要前沿.由于纳晶金属结构简单,影响性能的因素相对单一,因而对结构与性能之间关系的理论研究具有深刻的意义.纳晶金属三维细观拓扑结构与常规多晶体类似,但由于晶粒尺寸减小,晶界原子体积比增加,因此呈现出与粗晶金属不同的性质,并且当微观物理过程的特征尺度大于晶粒尺寸时,与其对应的性质也将受到晶粒或者晶界的调制作用.本文从制备、力学性能和塑性变形机制3个方面介绍了纳晶金属力学的部分最新进展,并讨论了结构特征与力学性能之间的关系.      

高承载梯度分层点阵结构的拓扑优化设计方法

随着增材制造技术的迅速发展, 点阵结构由于其高比强度、高比刚度等优异力学性能受到广泛关注, 但其单胞分布设计大多基于均布式假设, 导致其承载能力相对较差. 基于拓扑优化技术提出了一种梯度分层的点阵结构设计方法. 首先, 基于水平集函数建立点阵单胞几何构型的显式描述模型, 引入形状插值技术实现点阵单胞的梯度构型生成; 其次, 构建基于Kriging的梯度点阵单胞宏观等效力学属性预测模型, 建立宏观有限单元密度与微观点阵单胞等效力学属性的内在联系; 然后, 以点阵结构刚度最大为优化目标, 结构材料用量和力学控制方程为约束条件, 构建点阵结构的梯度分层拓扑优化模型, 并采用OC算法进行数值求解. 算例结果表明, 所提方法可实现点阵结构的最优梯度分层设计, 充分提高了点阵结构的承载性能, 同时可保证不同梯度点阵单胞之间的几何连续性. 最后, 开展梯度分层点阵结构与传统均匀点阵结构和线性梯度点阵结构的准静态压缩仿真分析, 仿真结果表明, 与传统均匀点阵结构和线性梯度点阵结构相比, 梯度分层点阵结构的承载能力明显提高. 研究结果可为高承载点阵结构设计提供理论参考.      

基于实验模态分析的点阵夹层结构动态性能预测

引入均一化等效理论,对金字塔型结构芯体夹层材料的芯体弹性常数进行均一化等效处理,并将其用于研究该夹层材料结构的动态性能．同时采用三维（3D）离散有限元模型计算了结构的动态性能．为验证了理论预测的正确性,设计并制备了金字塔点阵悬臂梁,进行了实验模态分析,将实验结果与理论计算的各阶自振频率进行了比较．结果表明：该模型对低阶自振频率的计算结果与实验结果、3D离散有限元模型计算结果吻合得都比较好,一阶自振频率误差不到5％,其它误差在10％左右．     

理想八面体点阵结构力学模型优化及力学性能测试分析

利用光固化立体成型技术(SLA)制备了不同相对密度的光敏树脂基体理想八面体结构,并对其进行紫外 固化处理,通过理论计算、实验测试以及数值模拟的方式对八面体点阵结构的力学性能进行了分析．实验结果 表明八面体点阵结构的压缩模量以及抗压强度随着相对密度的增加而上升,相对密度从 11.3 %提升至 27.9 %, 弹性模量上升了 3.5倍左右,抗压强度上升 2.6倍左右．利用 ABAQUS有限元软件对实验过程进行了模拟,数 值模拟结果与实验结果具有良好的一致性．在理论计算中,对 Deshpande 等提出的八面体点阵结构计算模型 （DFA模型） 进行了修正,计算结果显示修正后的计算结果更接近实验值与模拟值．     

超塑性变形晶界效应研究综述

自1934年超塑性现象被发现, 一直以其特殊的塑性变形机制而备受关注.本文以对超塑性变形晶界研究为主线, 从力学角度总结了近年来研究成果. 包括: 基于晶界拓扑构造、统计规律以及能量耗散的力学模型; 论述了由孔洞损伤导致的超塑性沿晶破坏、晶界结构演化与宏观率敏感性之间的关系; 列举了考虑晶界效应的典型超塑性数值模型; 总结并讨论了晶界滑移定量表征的重要实验手段, 指出超塑性研究中需进一步拓展的领域: 多尺度耦合的超塑性力学、材料制备及组合工艺中利用超塑性.      

随机晶界分布和连通性对晶间破坏行为的影响

采用随机有限元方法研究了两个具有相同不均匀材料属性和相同随机晶界含量但不同随机晶界分布的特殊多晶体样本在准静态拉伸下的晶间破坏行为,发现随机晶界连通性强的样本的断裂能比较低．在不同随机晶界含量下分别构造的50个晶界随机分布的样本的计算结果表明,断裂能与平均晶界连通数的关联并不明显,甚至还出现了相反的结果,即在相同随机晶界含量下,平均晶界连通数大的计算样本的断裂能反而大．     

微纳米点阵力学超材料的设计和性能

在过去几年中,增材制造技术的不断涌现促进了点阵力学超材料研究的迅猛发展。本文主要介绍三维微纳米点阵力学超材料的性能和设计,强调点阵单胞基本单元的演化发展:从桁架到平板再到曲面,如何降低结构内部的应力集中,一步步实现理论预测的各向同性的Hashin–Shtrikman极限刚度。并对这一类力学超材料在生物医药、能源环境等领域的应用进行概述。     

含能材料装药的损伤及力学性能研究进展

研究含能材料的损伤和力学性能对于指导含能材料配方和结构件设计,以及对含能材料进行安全性评估和寿命预测等都具有重要的意义.损伤一方面使含能材料的力学性能劣化,另一方面还影响含能材料的感度、燃烧甚至爆炸性能.本文对含能材料损伤和力学性能的研究现状进行了综述和归纳.对含能材料损伤的产生、实验模拟、主要损伤模式,损伤对含能材料的感度和燃烧性能等的影响,炸药单相材料的性质,影响含能材料力学性能的因素以及损伤本构关系等进行了介绍.对其中的一些关键问题和热点问题进行了分析,并对今后需要开展的工作发表了一些看法.      

金属材料力学性能的辐照硬化效应

开展金属材料力学性能的辐照硬化研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义. 材料辐照损伤效应主要包括材料原子移位产生的辐照缺陷以及由核反应产生的氢、氦等气体杂质对材料性能的影响. 金属材料的辐照效应主要包括辐照硬化、辐照脆化和辐照蠕变等. 该文主要综述在低温(T < 0.3 T_m, T_m 是材料的熔点温度) 和低辐照剂量下, 由原子移位损伤产生的辐照缺陷所导致的辐照硬化行为, 即受辐照缺陷的影响, 材料的强度会升高. 材料的晶粒尺寸、晶界以及温度等因素对多晶材料的辐照硬化具有重要影响. 金属材料力学性能的辐照硬化研究是个多尺度问题, 其宏观力学性能既取决于微观尺度上辐照缺陷导致晶粒内部结构的变化, 也取决于细观尺度上晶粒间的相互作用. 该文从实验结果、数值模拟和理论模型三方面综述金属材料力学性能的辐照硬化研究进展. 在此基础上, 展望了该领域中存在的主要科学问题.      

微振激励下黏弹性阻尼器微观链结构力学模型

减小微振动对高精密仪器至关重要,利用黏弹性阻尼器进行微振动抑制是一个新兴而又具有挑战性的课题.本文采用分子链网络模型方法分析了黏弹性材料的微观分子链结构,综合考虑材料分子链结构中的网络链和自由链对黏弹性材料力学性能的影响,提出一种基于材料微观分子链结构的微振激励下黏弹性阻尼器力学模型.模型分别采用标准线性固体模型和Maxwell模型来描述网络链和自由链中单个链的力学性能,并分别采用8链网络模型和3链网络模型考虑两种类型分子链的综合效应,引入温频等效原理描述温度对微振激励下黏弹性阻尼器力学性能的影响.该模型能够描述温度和频率对黏弹性阻尼器动态力学性能的影响,并能够反映黏弹性材料的微观结构与材料力学性能的关系.为验证所提模型的有效性及考察黏弹性阻尼器在微振激励下的耗能能力和动态力学性能,在微振条件下对黏弹性阻尼器进行了动态力学性能试验.研究结果表明黏弹性阻尼器具有较好的微振耗能能力,其动态力学性能受温度和频率影响较大,所提的力学模型能够精确地描述微振激励下黏弹性阻尼器动态力学性能随温度和频率的变化关系.      

泡沫铝的单向力学行为

本文对不同孔径的开孔泡沫铝材料的单向拉伸性能和单向压缩性能进行了研究,揭示了泡沫铝材料的变形机理,并且发现相对密度不是确定材料力学属性的唯一参数,孔径大小对材料的力学性能也有一定的影响。基于实验数据,我们讨论了材料的宏观力学性能和微观结构的联系,并利用Ramberg-Osgood模型描述了材料的单轴拉伸一维应力应变关系。     

轻质点阵超结构设计及多功能力学性能调控方法

随着先进制造技术、多学科交叉和人工智能科技的飞速发展, 高端装备呈现出轻量化、集成化、复合化、功能化、智能化、柔性化和仿生化等发展趋势. 传统结构研究存在结构设计和制造相互分离, 复杂结构制造效率低、实际制造结构的性能指标和使用可靠性大幅低于设计理论预测、结构多功能一体化程度不足、经济成本过高等问题. 此外, 先进工业装备对材料、结构的使用性能、使用环境要求越来越高, 亟需开展结构的设计、制造、功能、应用一体化研究, 为解决我国先进制造“卡脖子”技术难题提供理论依据和技术支持. 轻量化多功能点阵超结构具有轻质高强、抗冲击吸能、减振降噪等性能优势, 在航空航天、交通运输、国防、生物医疗、能源、机械等工业领域具有巨大的应用潜力. 有鉴于此, 受多晶体微结构的多尺度力学设计启发, 以“点阵超结构力学设计”为主题, 开展点阵超结构的节点、杆件组元, 胞元类型、双相结构、梯度结构、多层级结构等典型点阵超结构的几何构筑和力学设计, 并阐明多晶体多尺度微观结构启发的点阵超结构力学设计基本原理、多功能力学性能调控方法, 以及点阵超结构在不同类型载荷下的结构变形和失效物理机理.      

基于拓展多尺度有限元的点阵材料结构最小柔顺性设计

本文应用拓展的多尺度有限元法（Extended Multiscale Finite Element Method),以微观构件的截面积为设计变量,研究了体积约束下点阵材料构成结构的最小柔顺性设计问题。建立了适应具有复杂几何形状和载荷边界的点阵材料结构的优化模型,应用序列二次规划算法对悬臂梁和L形梁算例在线性边界条件和周期性边界条件下进行了优化设计,讨论了点阵材料微结构尺寸效应对优化结果的影响,验证了优化模型和求解算法的可靠性,为点阵材料应用于复杂实际工程结构的优化设计提供了新的技术手段。     

用化学腐蚀法检测在高温下工作中的压力容器的材料性能劣化

在高温下工作中的结构材料,在长期工作后,其力学性能会下降。本文提出了一种化学腐蚀法,可检验回火脆化,测定材料的晶界腐蚀程度与材料力学性能劣化的定量关系。应用这种腐蚀法,可在现场检测正在使用中的高温结构材料的断裂韧性下降,可对结构的剩余强度和剩余寿命,对结构的可靠性和经济效益作出正确的评价.     

黏弹性材料等效分数阶微观结构标准线性固体模型

从黏弹性材料微观链结构出发,以橡胶基黏弹性材料超弹性理论分子网链高斯(Gauss)统计模型和黏滞流动理论为基础,研究黏弹性材料的微观结构、填料等对黏弹性性能的影响.用温频等效原理描述温度对黏弹性材料力学性能的影响,建立了可以有效描述黏弹性材料耗能特性的等效分数阶微观结构标准线性固体模型.采用动态热机械分析仪(DMA)对高聚物黏弹性材料力学性能、耗能能力进行测试.试验表明:在低温区域,储能模量较大,随着温度的升高,储能模量下降显著;能量损耗因子在高温和低温区域数值较小,在玻璃化转变温度附近数值较高.根据测试数据对所提等效分数阶微观结构标准线性固体模型进行验证,该力学模型能够较好地描述黏弹性材料储能模量和能量损耗因子随温度的变化趋势.用9050A和ZN22黏弹性材料对模型的有效性进一步验证,结果表明:9050A和ZN22黏弹性材料具有较好的耗能能力,所提出的等效分数阶微观结构标准线性固体模型能够准确地描述微观结构和填料对黏弹性材料宏观性能的影响,能够准确地描述黏弹性材料在不同温度和频率下的动态力学性能.