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.      

轻质夹层材料的制备和振动声学性能

轻质夹层材料被广泛地用来制备动车组车体和飞机的机身,其结构设计面临着一系列挑战:即同时要求质量轻、力学强度高、散热性能好、动力学性能和隔声性能可调等多功能特性.针对动车组高速运行和飞机飞行过程中经常面临的振动及噪声问题,以及如何在现有的材料和结构基础上进一步减轻重量并获得更优良的综合性能是材料制备、固体力学、流体力学、声学、智能材料和结构、优化设计等诸多领域工作者面临的共同挑战.结合近年来围绕"超轻多孔结构创新构型的多功能化基础研究"国家基础研究计划项目所开展的一系列工作,综述了有关轻质三明治材料及结构振动和声学特性的国内外研究进展及现状,以及相应的主被动控制技术;针对目前存在的问题,讨论并展望了有关轻质材料和结构动力学性能及隔声性能的研究发展趋势.     

轻质波纹夹层结构的制备及其多功能应用研究进展

波纹夹层结构较其他轻质多孔材料具有结构简单、加工制造方便、制造成本低等优点,已得到广泛应用.本文概述了不同轻质波纹结构的构型及其表征方式,阐述了波纹夹层结构的制备及其无损检测技术,重点评述了波纹夹层结构的轻质高强、抗爆炸冲击、高效散热、吸声降噪、促动等多功能应用特性,总结了波纹夹层结构在工程应用上的关键进展,展望了波纹夹层结构在基础和应用研究方面的发展趋势.     

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.     

轻质多层热防护结构的一体化优化设计研究

大面积防热结构在航天航空领域应用广泛, 其创新结构设计是关键技术之一. 航天飞行器的工作条件要求热防护材料与结构同时具备轻质、隔热、抗冲击的特点, 因此热防护材料与结构正在朝着一体化的方向发展. 基于这种发展趋势, 提出了一种轻质多层热防护结构设计方案. 以一体化多层防热结构在航天器再入过程中的传热为研究对象, 引入大面积防热结构的一维传热假设, 依照航天器再入大气层的温度条件, 建立了防热结构一维非稳态传热的物理模型和封闭的控制方程, 使用差分方法求解方程, 进行一维非稳态的传热分析, 并采用商业有限元软件ABAQUS的传热分析进行验证. 得到了航天器再入大气过程中多层防热结构的各层温度分布, 提出了在满足一定的热约束要求的条件下, 以轻质多层热防护结构的总重量为目标函数的优化设计方法, 得到了多层结构的最优几何参数, 并将优化后的结构进行了有限元承载分析.      

轻质多孔夹芯结构的弹道侵彻行为研究进展

多孔夹芯结构是一类由薄而刚硬的面板和多孔材料芯材构成的复合结构,具有高比刚度、高比强度、缓冲吸能效果优异、可设计性强等特性,在航空航天、交通运输、结构防护等诸多领域引起了广泛关注,且已有诸多成功的工程应用案例,是一类极具潜力的先进轻质高强多功能一体化结构.为阐明轻质多孔夹芯结构的抗侵彻特性与耗能机理,进一步拓展轻质多孔夹芯结构的工程应用范围,对轻质多孔夹芯结构弹道侵彻行为的研究成果进行了系统的综述和展望,依据轻质多孔夹芯结构的结构特征及类型,分别评述了不同类型多孔夹芯结构的抗弹道侵彻破坏机制、能量耗散机理及轻量化设计等方面的研究,展望了未来多孔夹芯结构在抗弹道侵彻研究领域面临的问题和挑战.     

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.      

多孔金属及其夹芯结构力学性能的研究进展

高孔隙率多孔金属及其夹芯复合结构是一种物理功能与结构一体化的新型、轻质高强材料/结构,具有高比强度、高比刚度和优良的吸能和缓冲性能等多种功能,引起了学术界和工程界众多研究者的极大关注. 本文概述了轻质多孔金属及其夹芯结构的制备方法、多功能特性及其应用,介绍了多孔金属夹芯结构元件(梁、板、壳)遭受准静态和动态冲击载荷下的理论、实验和模拟方面的国内外研究现状,分析和讨论了多孔金属及其夹芯结构力学行为研究中的研究手段和基本问题,重点关注了多孔金属夹芯结构的变形/失效、动态响应和能量吸收.     

格栅结构力学性能研究进展

格栅复合材料是一种新型轻质高强材料. 综述了格栅复合材料的周期构型特征和格栅结构的制备工艺. 归纳了二维周期格栅材料的等效刚度矩阵计算方法, 比较了不同构型格栅的基本力学性能, 介绍了胞元材料的微极弹性理论和格栅的强度与屈服面计算方法. 探讨了格栅的缺陷及其力学响应, 包括格栅的尺度效应、夹杂缺陷以及裂纹扩展特征, 介绍了波在格栅材料中传播机理的最新研究成果. 根据格栅材料在工程中的应用形式, 分类介绍了格栅板壳结构、格栅加筋板壳结构和格栅夹层结构的结构特点和破坏方式、设计优化准则和实验研究成果. 还归纳了作者所在研究小组近期在碳纤维格栅复合材料的制备、实验研究和理论分析等方面的最新工作进展.      

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.     

Characterization of strain-induced damage in composites based on the dissipated energy density Part III. General material constitutive relation

An approach to characterizing failure behavior and degree of load induced internal damage in composite materials and structures is formulated in Part I of this work. It is based on a systematic experimental procedure to observe the response of composite materials subjected to multiaxial load environment. The energy dissipated by internal failure mechanisms is employed as a measure of internal damage and is characterized by an energy dissipation function, which is identified by means of a deconvolution procedure using data provided by NRL's automated in-plane loader testing machine.Part II of this work will display the dissipated energy density distributions in composite specimens that are used for the in-plane loader machine and naval structures, while Part III presents a general theory that includes the derivation for the constitutive behavior of the damaged composites.     

Finite element study of dynamic characteristics of main components of machine tools

Dynamic characteristics have been studied for main components of machine tools by finite element method. The multi-element static and dynamic structural analysis program makes possible the analysis of main components in various computing models.The eigen pairs are solved by the transfer subspace iterative method with the advantages of high efficiency and precision. The program can be executed on the China-made computer TQ-16 and arbitrary sets of eigen pairs for the treatment of dynamic characteristics of complex structures of various kinds are thus obtained.     

2021-12期目录

本文综述结构冲击动力学的国内外研究进展,在时间区间上聚焦于2010—2020这十来年发表的文献,同时提及在此之前的奠基性工作。在内容上,首先着眼于结构冲击动力学的基本科学问题,如概念、模型和工具,它们源于和用于结构在爆炸与冲击下的塑性动力响应、失效和重复受载等;也介绍典型薄壁结构件的动力行为,以及运动的物体和结构物对固壁的撞击和反弹。注意到近十多年来由于轻质材料（如多胞材料、3D打印的超材料等）和以它们为芯层的轻质结构的大量涌现,以及对生物材料和仿生结构的极大兴趣,对这些材料和结构的冲击动力学行为的研究构成了本文的后半部分。最后指出,在多尺度框架下以更全面的视角研究材料-结构-性能的内在规律,已成为推动冲击动力学继续发展的一个强大的新趋势。     

3D Morphology and Permeability of Highly Porous Cellulosic Fibrous Material

Fibrous materials are structures whose complexity depends on the size and geometry of the fibres and on their arrangement induced by the manufacturing process. We interest here in the permeability for air of wood-based fibrous materials with high porosity on which experimental measurements are difficult to be implemented without structural modifications. In this study, we show the usefulness of 3D X-ray tomography imaging in both experimental and numerical permeability measurements. Image analysis tools derived from mathematical morphology are used to access quantitative structural parameters of the interconnected pores (porosities, pore size distributions and correlation lengths), as well as needed information on the experimental samples (cross-section area and length). A specific experimental setup and methodology is proposed to assess the permeability derived from Darcy’s law. Results are then compared to direct numerical simulation of Stokes flow carried out on 3D representative volumes of the fibrous materials.     

转子在线自动平衡及其工程应用研究的进展

转子在线自动平衡技术可以在旋转机械运行期间调整其不平衡量来及时降低振动, 使其始终稳定运行.早期的自动平衡装置始于19世纪末, 包括液体型、环型、球型和摆锤型;20世纪60年代开始研究的自动平衡装置主要包括喷涂型、电腐蚀型、电子光束型、激光型和电化学型;20世纪后期研究的自动平衡装置主要包括电动机型和遥控型;现代的自动平衡装置主要包括液压型、电磁型和电磁轴承型.综述了国内外各种旋转机械在线自动平衡装置的结构和工作原理, 重点介绍了液压型和电磁型自动平衡装置的结构和控制原理.讨论了在线自动平衡技术最新的研究成果, 列举了在线自动平衡技术的工程应用实例, 介绍了应用电磁型自动平衡装置解决柔性弯曲转子和立式超重力机转子振动的试验.转子在线自动平衡技术已经大量应用到机械加工设备, 如磨床等, 显著提高了加工精度;有些还应用于流程工业中大型的旋转机械上, 如汽轮机、风机和压缩机等, 取得了巨大的经济效益.高可靠性的平衡执行机构和高效的控制策略等关键问题尚未完全解决.      

数据驱动梯度结构材料弹塑性本构

梯度结构材料因其优异的力学性能被广泛应用于工程结构中。本文整合塑性理论和人工神经网络技术,发展了一种构建梯度结构材料弹塑性本构模型的新方法。该方法基于梯度结构材料不同位置的微结构,构建不同代表性体积单元,进而生成应力应变数据,应用生成的数据训练人工神经网络,建立基于神经网络的材料本构模型。应用该方法,本文开展了针对实际工程结构件的计算,算例结果表明,该方法可快速计算梯度功能复合材料在循环载荷反向载荷状态下的宏观响应,且较为准确。该方法为模拟含复杂梯度结构材料的结构件弹塑性力学响应提供了新的工具。     

Balancing-compensation system for the vertically moving elements of the machine tools with numerical control

The main topic consists of enhancing the geometrical and positioning accuracy of the machine tools with numerical control. Currently, in order to minimize the errors met during the vertical motions of the moving elements in the structure of a machine tool, various systems are used that are relatively complex and whose adjustments are difficult to do. This work is presenting a balancing–compensation system of the elements moving vertically that includes three invention patents; it has a simple structure that is easily adaptable to various types of machine tools. The newness element of the balancing-compensation system is represented by the pressure regulator being used, whose operation principle and design is described into detail. The related results have been reified in increasing by approximately 10 times the geometrical accuracy and, by default, the positioning accuracy of the element moving in a vertical plane.     

Accurate characterization of machine compliance for simple compression testing

Correction for machine compliance is an important step in analyzing the data obtained in many mechanical testing procedures. The difficulties associated with compliance correction, as they apply to the simple compression mode of testing, are explored in this paper. The commonly employed approach is to extend the procedure suggested in the ASTM standards for testing high modulus, single-filament materials, which implicitly assumes that the machine behaves as a linear spring with a constant compliance factor. It is shown in this paper that this approach results in different values for the machine compliance factor for different materials. The nonuniqueness of the machine compliance factor is attributed to the inherent nonlinearity of the machine compliance, i.e., the nonlinear dependence of the nonsample displacement on the applied load. Through a set of mechanical tests on a range of materials, it has been demonstrated that it is necessary to characterize this nonlinear compliance relationship for the machine to obtain accurate and consistent measurements.     

Investigation of electronic packaging materials by using a 6-axis mini thermo-mechanical tester

Most existing mechanical testers are at most bi-axial and in general too large for microelectronic materials and structures. Existing mini testers are primarily single axis without any active specimen alignment monitoring and adjustment capability. Fundamental investigation needs to be conducted for packaging materials in terms of deformation and fracture processes, constitutive laws, and failure quantities. In this paper, a unique 6-axis sub-micron thermo-mechanical fatigue tester is described, including some calibration work for both load cell and machine stiffness. For the first time, an active specimen alignment monitoring and adjustment was demonstrated on a single lap shear sample, assisted by a high resolution laser moiré measurement system. This paper also presents results for two types of polymer films, one lead-free solder alloy, and some other conventional materials. In particular, deformation and failure mechanisms for two polymer films have been discussed.