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.     

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.     

超轻多孔金属材料的多功能特性及应用

超轻多孔金属是近年来随着多样化需求的材料制备以及机械加工技术的迅速发展而出现的一类新颖多功能材料, 是材料的选择及其性能研究的新课题. 本文介绍有关多孔金属材料与结构基础研究的国内外研究现状和发展趋势, 涉及材料制备、性能表征等方面, 着重于探讨多孔金属的多功能复合特性及其在国民经济和高技术中的应用.      

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...     

力学超材料研究进展与减振降噪应用

力学超材料是一类由人工微结构单元构筑的复合结构或复合材料, 具有天然材料所不具备的静力学/动力学性能. 由于这些超常特性通常取决于微结构单元而非材料组分, 这就为力学性能调控和结构功能材料设计提供了新思路. 本文在简述力学超材料概念的提出、发展及其超常力学性能的基础上, 以装备减振降噪工程需求为牵引, 重点探讨力学超材料在水声调控, 空气声吸隔声降噪, 结构减振抗冲设计等方面的应用探索及发展趋势, 为相关领域的科研及工程人员提供一定参考.      

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.     

负泊松比结构力学设计、抗冲击性能及在车辆工程应用与展望

轻量化多功能负泊松比结构由于具有优异的可设计性、拉胀特性、剪切模量、断裂韧性、抗冲击吸能、减震降噪等特性,在车辆吸能结构设计和多功能优化方面具有巨大的应用潜力.本文详细综述了负泊松比结构的力学设计及其在车辆工程中的典型应用:(1)负泊松比基本概念及其力学特性, 以及近几十年来的快速发展趋势;(2)负泊松比材料与结构构型设计方法的基本分类、负泊松比泡沫材料微结构特征及制备工艺、负泊松比复合材料设计方法的基本发展历程以及前沿人工智能设计方法;(3)针对典型负泊松比结构的力学设计进行详细介绍, 主要包括手性结构、方格旋转结构、双箭头内凹结构、内凹蜂窝结构、拉伸扭转效应负泊松比结构等;(4)负泊松比材料与结构的冲击吸能特性及相关的实验、理论和模拟研究;(5)负泊松比材料与结构在汽车轻量化设计领域的典型应用, 主要包括汽车吸能盒、B柱、发动机罩、安全带、悬架、免充气轮胎等典型吸能结构件;(6)负泊松比结构在汽车工程中的应用前景, 所面临技术挑战和巨大应用潜力.      

航天重大工程中的力学问题

近年来,我国航天重大工程蓬勃发展,航天工程中新的力学问题不断涌现,开展航天工程力学问题研究在航天技术的发展中起到举足轻重的作用.随着航天器朝着超高速、深空探测、多功能方向的发展,其面临的发射和运行环境也更加恶劣,发射过程中的多场耦合、非线性等问题更加突出.大阵面、大挠性的航天器对在轨结构展开、模态辨识、刚柔耦合控制提出新的要求,而高精度、高分辨率的观测需求,为航天器在轨微振动、热致振动的研究带来了新的课题.同时,这一系列的问题也对航天器的地面试验和仿真分析等提出了更高的要求,在这些领域,各国学者也积累了一定的成果.本文概括介绍了近年来航天重大工程中出现的新的力学问题,从航天器的发射、在轨运行、地面仿真和试验等方面对航天工程中的力学问题进行了综述.内容主要集中在耦合动力学、空气动力学、多体动力学、结构动力学以及试验力学等方面,同时提出了工程中力学方面所面临的问题以及下一步的发展方向.     

Theoretical model for sound transmission through finite sandwich structures with corrugated core

Due to the promising applications of lightweight double-leaf structures in noise control engineering, numerous investigations have been performed to study the vibroacoustic properties of these structures. However, no attention has been focused on the vibroacoustic properties of finite double-leaf structures with corrugated core used extensively in constructing the hulls of bullet passenger trains. In the present paper, a theoretical model is developed to predict the sound transmission loss (STL) characteristics of simply supported double-leaf partitions with corrugated core. The boundary conditions are accounted for by writing the displacements of the face plates in a series form of modal functions. The model predictions are validated by comparing with existing experimental measurements. The vibroacoustic properties of the sandwich construction are examined and the physical mechanisms for sound transmission through the structure explored, including the phenomena of ‘coincidence resonance’ and ‘standing wave resonances’. The effects of structural links, structural dimensions, inclination angle of the corrugated core, as well as the thickness of face plates and core layer on the STL are systematically investigated.     

轻质夹层多功能结构一体化设计

对于飞行器,减轻结构重量,提高有效载荷是设计者追求的永恒主题. 飞行器通常处于较为特殊和复杂的环境下,因此除需要考虑结构的承载能力外,还应兼顾一种或多种功能. 本文概述了集承载与热控、防热、电子、隐身、吸能、作动、储能、阻尼等多功能特性于一体的轻质夹层多功能结构研究成果,汇总了轻质夹层多功能结构在卫星、无人机、高超声速飞行器等领域的发展情况. 最后,对轻质点阵多功能结构的发展前景进行了展望.     

基于双曲面蜂窝夹层结构等效模型的研究及数值分析

蜂窝夹层结构在轻量化设计领域一直备受关注,相关的理论研究也日趋完善.然而,很多研究主要集中在平面蜂窝夹层结构上,而对于曲面结构的相关研究甚少.本文对双曲面蜂窝夹芯进行了力学分析,建立了曲面蜂窝夹层板的等效力学模型,同时建立了双曲面蜂窝夹层板详细模型和基于三明治夹层板理论以及曲面夹层板理论的等效模型,最后通过有限元方法对...     

蜂窝层芯夹层板结构振动与传声特性研究

蜂窝层芯夹层板应用于飞行器、高速列车等交通工具的主体及底板结构时需要考虑其振动及隔声特性. 针对声压激励下的四边简支蜂窝层芯夹层板结构,应用基于Reissner夹层板理论的结构振动方程建立了的声振耦合理论模型(声压以简支模态双级数的形式引入振动控制方程),结合流固耦合条件求解了声振耦合系统控制方程,应用有限元模拟对理论预测进行了验证. 基于理论模型的数值计算结果,系统研究了蜂窝层芯夹层板结构的振动特性和传声特性,刻画了层芯厚度、蜂窝壁厚、夹层板面内尺寸和声压入射角度等关键系统参数对夹层板振动和传声特性的影响,为此类结构的工程优化设计提供了必要的理论参考.     

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.      

Deformation and Failure Modes of I-Core Sandwich Structures Subjected to Underwater Impulsive Loads

This article reports an experimental study carried out with the aim of quantifying performance and failure modes of sandwich structures when subjected to impulsive blast loading. In particular, performance enhancement with respect to solid panels of equal mass per unit area is assessed. Likewise, the optimal distribution of the mass per unit area in the design of sandwich structures is investigated by comparing the behavior of sandwich structures with various distributions of face sheets thickness. By employing a previously developed FSI experiment, the study confirmed that usage of sandwich structures is beneficial and that performance enhancements, in terms of maximum panel deflection, as high as 68% are possible. The study also confirms theoretical and computational analyses suggesting that use of soft cores maximizes the benefits. Another interesting aspect revealed by this work is that the level of enhancement is highly related to the applied normalized impulse. The same distribution of mass per unit area between face sheets resulted in different normalized maximum deflection. A better performance enhancement was achieved at lower impulses. Here again, failure modes and their sequence seem to be the directly related to this finding. The work here reported clearly reveals a number of important features in the study of lightweight structures and points out to the synergies between structure geometry, materials, manufacturing methods, and threat levels as manifested by the strength of the impulse. Further theoretical and computational studies accounting for experimentally observed failure modes and its interdependence with the fabrication methods is needed to achieve additional predictive capabilities.     

RESEARCH PROGRESS IN THE INJURY AND PROTECTION TO VEHICLE AND PASSENGERS UNDER EXPLOSIVE SHOCK LOADING

在当前反恐战争和地区武装冲突迫切形势下,如何提高车辆及人员的防护能力是诸多学科工作者面临的共同挑战。综述了威胁车辆安全的常见爆炸物、其作用原理和影响爆炸物作用载荷的因素,阐述了爆炸物爆炸冲击对车辆的破坏和人员损伤的各类不同形式。在此基础上分析了相关的实验、表征和模拟技术的研究进展,总结了国内外车辆爆炸防护结构的研究现状,包括轻质防护材料和结构的研发趋势,展望了车辆爆炸防护结构设计的研究趋势。     

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概述国内外机床制造业的发展趋势，并就机床材料和构件所面临的基础研究问题进行了 阐述. 重点介绍机床中的材料和结构演变发展，概括了轻质材料和结构在机床行 业的研究现状，讨论并展望面向高档精密数控机床应用的轻质材料和结构研究发展趋势.     

面向增材制造的双蒙皮夹层结构加筋拓扑优化方法

双蒙皮夹层结构是航空航天装备中的特殊承力结构,其典型代表为发动机尾喷管中的同步环构件。近年来,增材制造技术为该类薄壁结构的创新型设计提供了有利条件。但增材制造有其特殊的工艺要求,基于传统拓扑优化得到的设计结果往往存在大量的悬空区域,无法直接应用于增材制造工艺。因此,需要在优化设计阶段统筹考虑结构的力学性能和自支撑工艺约束。针对上述问题,本文提出了一种面向增材制造的双蒙皮夹层薄壁结构加筋拓扑优化方法,可在一次优化中同时得到优化的加筋布局和非均匀点阵分布,从而解决悬空结构的支撑问题,确保优化结果的工艺可达性。为了平衡计算成本和分析精度,本文采用渐进均匀化方法来求解不同类型单胞等效弹性性能,以适应不同复杂单胞构型。基于上述方法,本文给出了某发动机同步环结构的拓扑优化算例,结果表明,本文优化设计方法可以实现双蒙皮夹层结构中夹层加筋和点阵的共同优化,为航空航天装备中发动机同步环结构轻量化设计提供了思路。