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.      

轻质多孔材料研究进展

高超声速武器是军事装备的发展方向,在未来战争中起着重要作用.轻质材料是高超声速飞行器设计与制造的关键技术之一,它是实现高超声速飞行器高超声速、高机动性、远程打击等性能的基础和保障.高超声速飞行器轻质材料主要有蜂窝材料、泡沫金属材料、点阵材料.这些材料具有超轻、高比强、高比刚度、高强韧、高能量吸收等优良机械性能,以及减震、散热、吸声、电磁屏蔽等特殊性质,它兼具功能和结构双重作用,是一种性能优异的多功能材料.本文从材料制备、结构设计、力学与物理性能表征等方面综述了高超声速飞行器轻质材料的研究与应用现状,比较了三种轻质材料的机械和物理性能,重点评述了新型点阵材料的制备工艺、结构构型、力学及其他性能,指出了其发展趋势.     

新型纳米结构金属材料的力学性能及变形机制

“纳米结构” 化是金属及其合金材料获得优异力学性能的有效途径.纳米结构金属材料表面或内部的缺陷, 包括晶界、位错、孪晶、孔洞、裂纹、第二相等, 其形核、演化及互相作用对材料的强度和韧性具有重要影响. 该文综述了与上述科学问题相关的新型纳米结构金属材料的微观组织结构表征及力学性能测试、强韧化机制计算模拟方面的研究进展. 并讨论了急需从微观尺度上就新型纳米结构金属材料的特征力学行为和关键变形机制开展深入、系统研究.      

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.      

封面图片说明

正封面图为某款防雷车(右上图)以及用于轻质防雷底板的超轻多孔金属材料结构的主要特征.上侧左图是孔形貌呈无序分布的泡沫金属材料,可选作低当量地雷防护设计材料;中间图是孔形貌呈有序分布的点阵金属材料(包括三维和二维),是性能优良的结构承载材料,可选作中型当量地雷防护设计材料;下图是多孔金属复合材料,典型的有波纹-泡沫铝复合、金字塔-陶瓷复合等,可选作较高当量地雷防护设计材料.(图     

复合材料四面体点阵夹芯梁的自由振动分析

点阵夹芯结构是一种由上下面板和中间点阵芯子组成的新型轻质多功能结构.由于该结构具有独特的结构形式,其力学特性分析比较复杂.论文将离散的点阵芯子等效为连续均匀材料,研究了复合材料四面体点阵夹芯梁的自由振动特性.考虑面板的弯曲变形和芯子的剪切变形,根据Hamilton变分原理,推导出复合材料点阵夹芯梁的自由振动控制方程.以...     

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.      

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.      

增材制造三维微点阵材料力学性能表征与细观优化设计研究进展

三维微点阵材料是一种由复杂拓扑胞元周期性排列构成的超轻质结构材料，兼具极低的密度、优越的力学特性和良好的能量吸收等性能，是满足轻量化、抗冲击和多功能集成需求的重要新型战略材料.增材制造技术的快速发展，为三维微点阵材料的制备和优化设计带来了便利的条件，二者的结合为航空航天、轨道交通以及武器装备等领域实现防护结构轻量化和多功能一体化提供了新思路.为阐明增材制造三维微点阵材料的动态力学特性与变形失效机理，进一步开展材料多尺度优化设计，拓展增材制造微点阵材料在冲击防护等领域的应用，对增材制造三维微点阵材料力学行为与设计的研究成果进行了系统的综述和展望.依据增材制造三维微点阵材料的多尺度结构特征，分别评述了不同类型微点阵材料的宏观动力学响应与失效机制、细观性能表征与结构优化设计、微观组织特征与变形机理等方面的研究，展望了未来增材制造三维微点阵材料在冲击防护领域面临的问题和挑战.     

基于SLA制备的八面体点阵结构力学性能研究

基于SLA 3D打印技术,利用V5韧性树脂制备了相对密度分别为11.3％、19.5％、24％和27.9％的八面体点阵结构,并将八面体点阵结构进行紫外固化处理.通过压缩试验测试八面体点阵结构固化前后的力学性能.研究结果表明:八面体点阵结构的压缩模量、抗压强度、单位吸收能、量纲归一化刚度以及量纲归一化强度均随着相对密度的增...     

应变硬化薄板夹持型滚弯成形过程分析

现存文献对薄板的连续滚弯成形过程的数学模拟多限于讨论三辊轮解锥型弯板过程,且基于较多的假定和板的小变形情况。而开发有更多的功能和更高的生产效率的四辊轮连续弯板机需研究夹持型滚弯成形过程。本文将「１」的工作,理想塑性材料平面应变薄板的夹持型连续滚弯成形过程的弹塑性大变形弯曲的力学分析,推广至一般应变硬化材料的情形。得出了控制微分方程的解析解。采用固支边界条件模拟刚度很大的平持系统对板的夹持。通过对线     

Modeling of PCM-based enhanced latent heat storage systems using a phase-field-porous media approach

Continuum Mechanics and Thermodynamics - This paper introduces a numerical study of latent heat storage systems, based on phase-change materials (PCMs) with various heat transfer enhancement...     

原子力显微镜在二维材料力学性能测试中的应用综述

以石墨稀为代表, 二维材料有着诸多优异的性质, 在下一代电子器件等领域拥有广阔的应用前景. 目前绝大多数关于二维材料的研究都集中在其电子学和光学的性质和应用, 对于其力学性质的研究则相对欠缺, 而力学性质在二维材料的研究和应用中都有着至关重要的意义. 原子力显微镜是低维材料力学性质表征的主要手段, 例如基于原子力显微镜的纳米压痕技术. 本文首先简要介绍了二维材料的基本背景以及原子力显微镜的工作原理. 进一步展示了纳米压痕技术的工作原理和理论背景, 并回顾了利用纳米压痕技术研究二维材料面内力学性质的相关实验和理论工作, 同时探讨了原子力显微镜在表征二维材料力学性能中存在的测量误差及来源. 由于二维材料展现出强烈的各向异性, 纳米压痕技术在能够很好地测量二维材料面内力学性质的同时, 对于二维材料层间力学性质表征等方面存在明显的局限性. 第三部分介绍了一种全新的基于原子力显微镜的埃(?)压痕技术, 该技术能够将形变尺度控制在0.1 nm以内, 从而精确地表征和调控二维材料的层间范德华作用力, 即层间力学性质. 作者在第三部分介绍了通过埃压痕技术表征和调控的石墨烯、氧化石墨烯等二维材料的层间力学性质. 最后简要介绍了范德华异质结材料的基本性质, 探讨了埃压痕技术在该材料力学性质研究中的潜在应用.      

Limit criteria and a model for inelastic deformation of anisotropic media

Limit criteria corresponding to the critical values of the specific strain energy and various eigenmoduli of anisotropic media were proposed based on a representation of the elastic tensor in terms of eigenmoduli and eigenstates. Examples of limit (plasticity) criteria independent of the safe stress state are given. Governing equations for the limiting strain of anisotropic materials were obtained using the concept of eigenstates. The corresponding equations for isotropic materials of classes {1, 5} and {5, 1} and materials of the cubic system of various classes are considered. Limit criteria can vary considerably depending on the class of anisotropic material.     

Studies on the sound absorption and transmission loss performances of wood-based,natural and waste materials

Acta Mechanica Sinica - The sound absorption and sound transmission loss performances of the natural woods, hard and soft processed woods with attachment of the various natural or waste materials...     

Discrete fracture modeling of asphalt concrete

A heterogeneous fracture approach is presented for modeling asphalt concrete that is composed of solid inclusions and a viscous matrix, and is subjected to mode-I loading in the fracture test configuration. A heterogeneous fracture model, based on the discrete element method (DEM), is developed to investigate various fracture toughening mechanisms of asphalt materials using a high-resolution image processing technique. An energy-based bilinear cohesive zone model is used to model the crack initiation and propagation of materials, and is implemented as a user-defined model within the discrete element method. Experimental fracture tests are performed to investigate various fracture behavior of asphalt concrete and obtain material input parameters for numerical models. Also, bulk material properties are necessary for each material phase for heterogeneous numerical models; these properties are determined by uniaxial complex modulus tests and indirect tensile strength tests. The main objective of this study is to integrate the experimental tests and numerical models in order to better understand the fracture mechanisms of asphaltic heterogeneous materials. Experimental results and numerical simulations are compared at different test conditions with excellent agreement. The heterogeneous DEM fracture modeling approach has the potential capability to understand various crack mechanisms of quasi-brittle materials.     

STUDY OF THREE-SHEAR STRESS UNIFIED STRENGTH THEORY

材料强度理论研究是高等材料力学的一个重要研究领域,200多年来,各国学者提出了许多强度理论及试验研究结果.这些理论都是从不同的假设和力学模型出发,推导出不同的数学表达式,但一般只适用于某一类特定的材料.各种强度理论之间是否有联系?是否可能建立一个广泛适用的统一强度理论?自19世纪末以来,世界各国学者都在努力寻求建立统一强度理论,但一直没有成功.本文应用理论研究和试验验证相结合的方法,提出并验证了三剪应力统一强度理论。认为当作用于菱形十二面单元体上的三个主剪应力及其作用面上的三个正应力的函数达到某一极限值时,材料发生破坏.三剪应力统一强度理论是全应力理论,它用一个统一的线性表达式包含或逼近了现有的和其他新的各种单一和统一、线性和非线性、外凸和非凸的强度理论,形成了以单剪强度理论为下限、而以三剪应力强度理论为上限的一系列强度理论的新体系,实现了外凸强度理论和非凸强度理论的高度统一,使强度理论从适用于某一类材料、某种应力状态的单一强度理论发展为可以适用于各种材料及不同应力状态的统一强度理论,并能更大程度地发挥材料的强度潜力.通过与大量试验结果的对比分析表明：三剪应力统一强度理论可以广泛适用于各种材料及其不同的应力状态.     

Micromechanical definition of an entropy for quasi-static deformation of granular materials

A micromechanical theory is formulated for quasi-static deformation of granular materials, which is based on information theory. A reasoning is presented that leads to the definition of an information entropy that is appropriate for quasi-static deformation of granular materials. This definition is based on the hypothesis that relative displacements at contacts with similar orientations are independent realisations of a random variable. This hypothesis is made plausible based on the results of Discrete Element simulations. The developed theory is then used to predict the elastic behaviour of granular materials in terms of micromechanical quantities. The case considered is that of two-dimensional assemblies consisting of non-rotating particles with an elastic contact constitutive relation. Applications of this case are the initial elastic (small-strain) deformation of granular materials. Theoretical results for the elastic moduli, relative displacements, energy distribution and probability density functions are compared with results obtained from the Discrete Element simulations for isotropic assemblies with various average numbers of contacts per particle and various ratios of tangential to normal contact stiffness. This comparison shows that the developed information theory is valid for loose systems, while a theory based on the uniform-strain assumption is appropriate for dense systems.     

Some exact solutions for a class of compressible non-linearly elastic materials

In this paper we consider exact solutions for plane and axisymmetric deformations for a class of compressible elastic materials we call coharmonic. The coharmonic materials are derived from the harmonic materials by using Shield's inverse deformation theorem. The governing equations for the coharmonic material show the same kind of simplification associated with the harmonic materials. The equations reduce to first-order linear equations depending on an arbitrary harmonic function. They are intractable in general, so various ansätze are investigated. Boundary value problems for the coharmonic materials are compared with the same problems for harmonic materials. For certain boundary value problems, the harmonic materials exhibit well-known problematic behaviour which limits their use as models of material behaviour. The corresponding solutions for the coharmonic materials do not display these non-physical features.     

Endurance of nozzle throats for superhigh-pressure aerodynamic facilities and calculations of thermal strains and stresses for a sapphire nozzle

Results of an experimental study of the action of a nitrogen-air flow on nozzles made of various materials and sapphire at pressures in the settling chamber up to 1 GPa are presented. Formulas necessary for estimating thermal stresses in materials similar to sapphire in their properties are derived.