3D打印梯度Gyroid结构的动态冲击响应

利用ANSYS/LS-DYNA对均匀及梯度Gyroid结构进行准静态与动态压缩数值模拟,分析其应力分布、变形模式、承载能力以及吸能特性。对3D打印的316L不锈钢试样实施了单轴拉伸实验,获取了相应的材料参数,建立了Gyroid结构有限元模型,进而对其动态力学响应进行了数值仿真。结果表明:均匀结构呈现出较均匀的变形模式,梯度结构为低密度端向高密度端传播的逐层变形模式;两种结构均呈现明显的应变率敏感性,且负梯度结构的应变率敏感性最明显;在相同的加载速度下,负梯度结构的吸能效率最高,且具有最低的支撑端应力,是最佳的防护结构。研究结果可为冲击载荷下防护结构的设计选型提供参考。     

泡沫增强复合材料点阵夹芯梁抗冲击性能

基于考虑分层失效和渐进损伤的三维Hashin失效准则,对复合材料点阵夹芯梁结构及其泡沫增强夹芯结构开展了局部冲击加载下的数值模拟分析,研究了冲击强度及泡沫增强效应对复合材料点阵夹芯梁结构抗冲击性能的影响。通过与实验的对比分析,验证了数值模型的有效性。结果显示,冲击强度的变化对结构的动态响应、失效模式及能量耗散形式都有明显的影响。泡沫增强效应使结构的横向变形响应速度降低,并且随着冲击强度的增加尤为敏感。泡沫芯材的压缩和开裂失效使得结构保持良好的完整性和更低的损伤程度,有效地降低了其他组分的能量吸收比,表明泡沫填充有效地提升了复合材料点阵梁结构在局部冲击载荷作用下的防护效能。     

多层级夹芯结构的变形与能量吸收

采用数值模拟与理论分析相结合的方法研究了多层级波纹板夹芯结构在准静态压缩载荷下的变形规律与能量吸收性能,建立了结构临界失效载荷的计算公式,并与数值模拟结果进行了对比,理论预测与数值模拟结果吻合较好。分析了芯层厚度对二级芯层结构在压缩载荷下的变形模式及能量吸收性能的影响,并与一级结构进行了对比。结果表明:二级芯层结构的能量吸收性能显著优于一级芯层结构;随着结构芯层厚度增加,二级结构的比吸能和载荷效率增大;芯层厚度较小时二级单层结构的比吸能高于二级双层和三层结构,二级双层结构的比吸能略高于二级三层结构。     

界面增强多晶点阵结构的耐撞吸能性能

3D打印技术有力促进了金属点阵材料的发展,而碰撞吸能是点阵材料的重要应用领域之一,为此综述了课题组近期在界面增强点阵吸能方面的研究。受金属材料微观变形机理中晶界强化机制的启发,通过在点阵结构中引入晶界和孪晶界等宏观界面构型,构造了含多个界面的多晶点阵结构,研究其耐撞吸能性能。具体而言,构造了胞元构型为简单立方、面心立方和三斜晶系的不同多晶点阵结构试件,通过一系列参数化有限元模拟,并结合增材制造技术开展验证性实验,研究了晶粒尺寸(晶界密度)、界面两侧晶向差、界面取向角度等参数对结构压溃变形模式和吸能性能的影响,发现对称性强的界面(如孪晶界)可以增强点阵结构的吸能性能。进一步研究发现,描述材料微观强化机理的Hall-Petch关系仍然适用于所提宏观多晶点阵结构。该研究可为发展新型轻质点阵吸能结构提供一定的参考。     

液态金属锂对于316L不锈钢焊接件的腐蚀行为研究

通过失重法结合SEM、金相分析等手段,研究了含焊缝的316L 不锈钢试样在350°C、0.15MPa 液态锂中500h 的静态腐蚀,并采用LIBS 结合台阶仪表征液态锂的渗入深度。结果表明,锂对含焊缝的316L 不锈钢样式的平均腐蚀速率为99.8mg·m^-2·h^-1;腐蚀深度为6.4μm;渗入深度在316L 不锈钢焊缝处为8.6μm,在母材处为4.8μm。在焊缝处锂对材料有明显的晶间腐蚀。     

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通过失重法结合SEM、金相分析等手段,研究了含焊缝的316L不锈钢试样在350°C、0.15MPa液态锂中500h的静态腐蚀,并采用LIBS结合台阶仪表征液态锂的渗入深度。结果表明,锂对含焊缝的316L不锈钢样式的平均腐蚀速率为99.8mg·m?2·h?1;腐蚀深度为6.4μm;渗入深度在316L不锈钢焊缝处为8.6μm,在母材处为4.8μm。在焊缝处锂对材料有明显的晶间腐蚀。     

二阶层级自相似四边形蜂窝动力压缩行为数值模拟

运用ABAQUS对在冲击载荷作用下二阶自相似四边形蜂窝面外方向的动态压缩行为进行了数值模拟,分析了其在冲击载荷作用下的动态压缩过程,并对孔径尺寸、冲击速度和基体材料屈服强度对其压缩模式及应力-应变关系的影响进行了研究。数值模拟表明:孔径较小的二阶自相似四边形层级蜂窝在冲击载荷作用下更易出现整体坍塌的压缩失效模式;随着基体材料屈服强度增大,平台应力值随之增加,但对平台长度没有影响;随着冲击速度的增加,冲击端平台应力值和平台长度都有所增加。     

强流脉冲离子束辐照对不锈钢耐腐蚀性能的影响

 利用强流脉冲离子束（HIPIB）对316L不锈钢进行了表面辐照处理，研究了HIPIB辐照对其在0.5mol/L H2SO4溶液中电化学腐蚀性能的影响。极化曲线测量结果表明，HIPIB辐照能够显著提高316L的抗腐蚀性能，自腐蚀电流对辐照次数的依赖性与自腐蚀电位相比明显较强。采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和电子探针（EPMA）分析辐照后试样表面形貌、表面层相结构和元素分布的变化。结果表明：HIPIB辐照使试样表面光滑化，表面层产生择优取向，且发生了杂质元素的选择性烧蚀，是316L不锈钢耐电化学腐蚀性能得以提高的主要原因。     

低温下不锈钢导热系数的测量

在低温条件下利用稳态纵向热流法测量了制造低温阀门常用的316L不锈钢和17-4PH不锈钢的导热系数,通过实验表明两者的导热系数与316不锈钢的导热系数十分接近。     

长条镜柔性支撑及点阵结构设计方法

离轴三反光学系统多采用长条形反射镜,为尽可能提高反射镜面形精度,其支撑结构形式多为柔性支撑;为了在保证结构力学性能的基础上满足轻量化的需求,支撑亦多采用壳体点阵结构。本文基于尺寸优化技术,建立了长条形反射镜的参数化有限元模型以及双轴圆弧切口柔性铰链支撑的多参数优化模型,分别应用可行方向法及自适应响应面优化算法得到了质量约束下刚度最优的反射镜面板、筋板厚度参数以及刚度约束下镜面面形最优的柔铰支撑几何尺寸参数,并应用参数试验方法对该柔性支撑安装角度及安装轴向位置进行了独立变量的影响分析。对于背板的设计,本文提出了一种基于点云三维重建的点阵结构设计仿真优化方法,采用贪婪三角化投影算法对点阵结构包络生成的点云进行网格重构,保证了点阵结构模型的连续性与真实性。经过仿真验证,优化参数下重力、温度、强迫位移各工况下反射镜综合面形误差（0.018λ）和装调方向重力下刚体位移（0.007 mm）均达到最优。表明基于点云三维重建的点阵结构设计仿真优化方法合理可行,可推广应用于类似结构形式的反射镜支撑。     

纤维金属层合板的抗爆性能及失效机理

采用爆炸冲击摆锤系统,对玄武岩纤维-铝合金层合板和碳纤维-铝合金层合板进行了爆炸加载实验。实验中通过改变炸药质量获得不同的加载冲量,分析了载荷冲量、结构组合形式以及纤维类型对纤维金属层合板变形/失效模式的影响。实验中观察到分层、基质失效、金属撕裂、塑性大变形等典型的变形失效模式。实验结果表明:随着冲量的增加,纤维金属层合板中铝合金层的塑性变形以及纤维层的损伤区域不断增大;纤维金属层合板相对于单一的金属层合板具有更优异的抗冲击性能。     

基于织构表面的摩擦静电发电机制备及其输出性能研究

摩擦电纳米发电机(TENG)是基于摩擦生电和静电感应复合原理将机械能转换为电能的一种新型能源获取方式. 本文采用模板法制备了几种不同参数的聚二甲基硅氧烷(PDMS)微圆柱结构, 并组装成TENG, 实验研究了接触区表面积、外加载荷对TENGs输出性能的影响. 结果表明, 圆形微柱阵列的存在有效提高了TENG的作用面积及电输出性能, 相同载荷下, 电输出随微柱间距离减小而增加, 在间距为15 μm、载荷为5 N时, 输出的平均开路电压和短路电流分别为88 V 和15 μA, 是同等条件下、微柱间距为50 μm电输出的1.5倍以上; 电输出随载荷增加呈准线性增加, ANSYS软件模拟载荷作用下PDMS微圆柱织构的变形行为, 结果表明, 压力作用下, 微圆柱主要发生压缩变形, 基底的变形导致微柱与上电极之间产生侧向摩擦, 从而产生更多电荷, 提升了电输出性能.     

通道式液体获取装置筛网低温力学特性研究

以荷兰斜纹编织筛网为研究对象,构建了三维模型,依据筛网空间结构推导出有效孔径计算公式,并对金属筛网的低温力学特性进行了数值计算分析,得到了低温推进剂充注预冷过程中筛网的单元结构热变形和应力的分布及变化情况.通过计算对比从293 K降温至20K前后筛网孔隙率和有效孔径结构参数,发现304和316不锈钢筛网低温结构参数无明显差别;316不锈钢筛网在该降温过程中孔隙率和有效孔径的变化率与其编织密度有关,且变化率小于0.7％;降温过程中,筛网最大等效应力发生在纬线的扭曲处,且处于安全工作范围.     

CaCO_3在不锈钢光管内结垢特性及其对传热的影响

本文研究了雷诺数Re=600~2600时,CaCO_3析晶污垢在316L不锈钢光管内结垢特性及其对传热的影响,实验结果表明污垢热阻在粗糙度诱导期和污垢生长期的变化规律及粗糙度诱导期随流速先减小后增大。采用称量法获得CaCO_3在不锈钢光管内的结垢质量,得出Re=600~2100时,污垢平均生长速率随雷诺数增加而增大。     

用SiC薄膜作防氚渗透阻挡层的研究

采用分步偏压辅助射频溅射法在316L不锈钢表面制备SiC薄膜，作为聚变堆第一壁及包层结构材料的氚渗透阻挡层，扫描电镜观察表明，制备的膜致密，均匀，且与基体结合牢固。X射线衍射分析表明，膜具有（111）面择优取向的β-SiC微晶结构。傅里叶变换红外光谱分析发现，对应于β-SiC的Si-C键存在伸缩振动吸收峰，采用中间复合过渡层技术，可以提高SiC膜与不锈钢基体的结合强度。测量了500℃时带有SiC膜的316L不锈钢的氚渗透率，与表面镀钯膜的316L相比，氚渗透率减低因子（PRF）值达到10^4以上，溅射时衬底偏压和射频功率要影响膜的结构，从而影响PRF值，根据分析结果，从不同的膜制备工艺中初步筛选出了合适工艺。     

不锈钢辐射损伤随温度和剂量的变化(英文)

用重离子辐照模拟和正电子湮没寿命技术研究了改进型316L不锈钢在21 和33 dpa辐照剂量下的辐照损伤在室温到802 °C温度范围随辐照温度变化和室温下0—100 dpa剂量范围随辐照剂量变化. 在580 °C左右实验观察到辐照肿胀峰， 在21 和33 dpa辐照剂量下相应的空位团分别由14和19个空位组成， 尺度分别为0.68 和0.82 nm. 空位团尺寸随辐照剂量增加， 在100 dpa时空位团由8个空位组成， 尺度为0.55 nm. 实验结果表明， 在改进型316L不锈钢中辐照损伤随辐照温度变化更灵敏.     

梯度泡沫铝的各向异性压溃力学行为

功能梯度泡沫金属因其密度连续变化,在轴向受压时可提供稳定增长的反馈载荷。然而当前研究多局限于其纵向压缩力学响应,考虑到实际应用中可能出现的横向冲击,基于低速冲击实验,考察梯度泡沫铝轴向和横向压缩力学响应的异同,并采用数字图像相关技术和数值模拟方法研究其宏细观压溃机制。结果表明:(1)在力学性能上,相比于纵向压缩加载的梯度泡沫铝,横向压缩加载下具有更高的抗压强度,而平台应力、致密化应变和能量吸收效果低于纵向压缩;(2)在失效变形模式上,纵向压缩变形模式为变形带渐进式压缩,而横向压缩变形模式的变形带则随机出现在试样的各个位置;(3)横向压缩下梯度泡沫铝致密化应变和比吸能的减小是由高孔隙率区的胞孔利用率降低导致的;(4)构建的弹性-塑性硬化-刚性模型能够较准确地描述梯度泡沫铝的纵向压缩力学行为。研究结果可为梯度泡沫金属在爆炸冲击结构防护工程中的设计提供理论参考。     

压缩载荷下UHMWPE纤维复合材料层合板的力学性能与失效分析

为获得超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)纤维复合材料层合板在静、动态压缩载荷下的力学性能与失效模式,采用万能材料试验机和分离式霍普金森压杆对材料进行面外方向的压缩实验,获得了不同应变率下材料的应力-应变关系。通过扫描电子显微镜观察材料微观失效形貌,分析了材料的失效模式。结果表明,UHMWPE纤维复合材料层合板在应变率较低(6.7×10^-3～6.7×10^-2 s^-1)且相差较小时,无应变率效应;在高应变率(2.05×10³～5.27×10³ s^-1)下,材料具有明显的应变率效应。压缩强度随应变率的增加而增大,动态增强因子逐渐增大,具有明显的应变率强化效应。静态压缩载荷下,材料的主要破坏模式为纤维的拉伸、断裂;动态压缩载荷下,材料的主要破坏模式为纵向位错分层。     

钢板/POZD复合结构在近距空爆载荷下的抗爆性能

为研究钢板/聚异氰氨酸酯噁唑烷（polyisocyanate oxazodone,POZD）聚合物高分子材料复合结构在近距空爆载荷下的抗爆性能,开展了近距空爆试验,通过观察试验模型的损伤以及相关数据统计,分析了钢板/POZD复合结构的变形失效模式。采用LS-DYNA软件进行数值模拟,通过与试验结果进行对比,验证了数值模拟方法的准确性,并进一步分析了钢板/POZD复合结构跨中位移变化和能量吸收特性。结果表明：在相同钢板厚度下,钢板/POZD复合结构较单一钢板具有更优越的抗爆性能,钢板呈现出3种不同的变形失效模式;在钢板/POZD复合结构中,当钢板和POZD均未出现破口时,钢板的塑性应变能占总能量吸收的大部分;钢板/POZD复合结构中心点最大位移逐渐增大,且变形速度先升高后降低。研究结果可为工程中钢板/POZD复合结构的抗爆防护设计提供参考。     

混合氯化熔融盐的腐蚀性实验

混合氯化盐是一种非常有前途的高温传热蓄热介质.为了确定混合氯化盐传热蓄热系统适用的金属材料,本文对2520、304、321和316L四种常用不锈钢在混合氯化盐中的腐蚀情况进行了实验研究,并与混合硝酸盐的腐蚀特性进行了对比.结果表明,混合氯化熔盐比混合硝酸盐对四种不锈钢的腐蚀性要大几十倍,混合氯化盐对四种不锈钢腐蚀速率从大到小依次为316L、304、321和2520.