空间薄膜结构的褶皱研究进展

大型柔性薄膜结构是目前国际上十分关注的可满足多项空间任务需要的新型空间结构. 由于薄膜材料柔性且抵抗压缩应力作用的能力十分有限, 因此这些空间结构在轨时多处于带有褶皱的工作状态. 褶皱的存在会改变结构的力学性能且会影响结构表面形状, 因此开展薄膜褶皱研究对柔性结构的设计和力学性能评价等具有重要意义. 本文综述了空间薄膜结构褶皱研究的发展和现状, 重点介绍了薄膜褶皱的理论研究概况, 并讨论了其中存在的问题.根据褶皱研究的最新进展对其未来的发展趋势进行了展望.      

碳纳米管的力学性能及碳纳米管复合材料研究

对碳纳米管力学行为和碳纳米管复合材料的研究文献进行了综述.首先介绍了碳纳米管结构稳定性和力学性能的研究进展,包括理论模拟和实验的研究结果.结果表明,碳纳米管有着优异的力学性能,其在复合材料应用方面有着巨大的潜力.然后,系统地总结了碳纳米管在增强高分子材料、金属材料和陶瓷材料方面的应用,指出外场力传递效应是值得关注的课题.最后,对该领域工作做了一些讨论和展望.      

柔性结构气弹效应在流动控制中的应用及进展

柔性结构与空气动力耦合形成的系统呈现出丰富的非定常、非线性流动和结构动力学行为,对其气动弹性效应合理地控制和利用,能够大幅度提高飞机机翼、风力机叶片等结构的气动性能,并使其具有气动自适应能力.本文总结了近年来与气弹效应应用相关的研究进展及存在的问题,具体介绍了薄膜翼型的流动控制特性、柔性壁面减阻技术以及Sinha扰流装置的发展过程、主要成果以及未来发展趋势,着重对相关试验、流固耦合数值分析、Lagrangian拟序结构动力学等理论分析方法进行总结,展示了气弹效应在流动控制方面的巨大潜力和深远的学术意义,以便更多的研究人员开展该领域的研究工作.      

柔性薄膜太阳能电池的力电参数测试

为了解柔性薄膜太阳能电池的力学性能及其在受力状态下光电性能的变化,本文选择美国Konarka公司生产的柔性薄膜太阳能电池作为研究对象,通过拉伸试验的方法对该种电池的力学参数指标进行测定,并对其在拉应力影响下电池输出电压的变化进行了研究。实验结果表明:所研究的柔性薄膜太阳能电池在平行电池条方向上的弹性模量、拉伸强度要优于垂直电池条方向,并且两个方向上的电池破坏形态也有较大区别。同时,柔性薄膜太阳能电池在拉应力作用影响下,两个方向上输出电压的变化也有明显区别。研究结果对柔性薄膜太阳能电池在建筑、汽车、航空等领域的应用提供了一定的参考依据。     

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.      

夹在两个柔性层中薄膜的正弦模态界面屈曲分析

当一层比较硬的薄膜被封闭在上下两层柔性层中,组成了三层材料结构.在压应力的作用下,这层薄膜可能会发生屈曲失稳.由可弯曲电路封装在柔性层中组成的三层材料系统能进一步提高其弯曲性能的事实得到启发,不同于广泛研究的双层材料结构表面屈曲问题,从理论上分析三层材料结构在压应力作用下的刚硬薄膜的正弦模态屈曲问题.柔性层和刚硬薄膜材料假定皆为各向同性.由于薄膜厚度远远小于柔性层厚度,柔性层在理论分析中认为是无穷厚的.刚硬薄膜可以用非线性薄板模拟,其变形为小应变但是允许有限转动,用于描述屈曲时的状态.利用线性扰动分析,得到了屈曲临界薄膜应力,波数和平衡状态下的波幅的解析表达式.结果表明,针对不同的刚硬薄膜和柔性层的弹性模量,当刚硬薄膜相对于上下柔性层越硬,就越容易发生界面屈曲.     

薄膜/基板层合材料几个力学问题的研究进展

本文阐述了近年薄膜／基板层合材料在力学性能、破坏模式、残余应力等几个问题的研究进展并对薄膜／基板层合材料的表面增强与表面损伤问题作了初步探讨     

固体薄膜拉伸分叉行为的研究进展

薄膜材料被广泛应用到各个领域.柔性电子产品中大量使用薄膜组件和薄膜连接导线,在使用过程中会受到反复的拉伸、卷曲和折叠.薄膜在拉伸过程中发生的断裂及界面破坏是制约薄膜组件性能和广泛应用的重要因素,其元件和结构稳定性决定了产品的质量和使用寿命,因此,研究固体薄膜在拉伸载荷下的变形和断裂失效至关重要.本文着重从理论、实验和数值模拟三方面综述了国内外对薄膜拉伸分叉行为的研究情况,并提出薄膜基底结构在拉伸载荷下尚需解决的力学问题.     

柔性多体系统动力学绝对节点坐标方法研究进展

阐述了多体系统动力学理论的研究背景,指出了多种传统的柔性多体系统动力学研究方法的不足.系统地从4个方面回顾了柔性多体系统动力学绝对节点坐标方法诞生十几年以来的研究进展,即:单元研究进展、系统动力学方程求解数值算法研究进展、非线性材料多体系统动力学研究进展以及相关的应用研究进展.最后提出了值得进一步研究的问题.      

温度循环载荷对柔性接头界面损伤的影响

固体火箭发动机在生产、运输和储存的过程中会受到环境湿热和老化载荷的作用,导致柔性接头界面的力学性能产生退化.为研究柔性接头界面力学性能退化对界面损伤的影响规律,基于双线性内聚力模型建立了一种描述界面力学性能退化的数学模型.以某柔性接头为研究对象,为便于研究,以温度循环载荷代替环境老化载荷开展了界面损伤分析,并采用ABA...     

A PIECEWISE LINEAR MODEL FOR ANALYZING THIN FILM/SUBSTRATE STRUCTURE IN FLEXIBLE ELECTRONICS

The conventional analytical method of predicting strain in a thin film under bending is restricted to the uniform material assumption, while in flexible electronics, the film/substrate structure is widely used with mismatched material properties taken into account. In this paper,a piecewise model is proposed to analyze the axial strain in a thin film of flexible electronics with the shear modification factor and principle of virtual work. The excellent agreement between analytical prediction and finite element results indicates that the model is capable of predicting the strain of the film/substrate structure in flexible electronics, whose mechanical stability and electrical performance is dependent on the strain state in the thin film.     

柔性电子器件的应用、结构、力学及展望

新的结构布局在延展性要求极高的器件中具有很大的应用潜力, 而使用较成熟的刚性技术制成的器件很难达到延展性要求. 将柔性技术应用到刚性电路中产生具有相同性能且能拉伸、压缩和弯曲的柔性集成电路, 这在健康监测器和表皮电子系统等领域具有重要的应用. 优化柔性电路结构, 研究其力学性能能提高系统的延展性. 本文对这些系统的应用、柔性电路的结构布局、力学行为进行总结概述. 最后, 就柔性电子器件未来研究的方向提出几点观点.     

A Fully Symbolic Model of Multibody Systems Containing Flexible Plates

The modelling of flexible elements in mechanical systems has been investigated via several methods issuing from both the field of multi-body dynamics and the area of structural mechanics and vibration theory. As regards the multibody approach, recursive formulations in relative coordinates are quite suitable and efficient for a large variety of applications. Such a formalism is developed here for a general multibody system containing flexible plates and in such a way that its full symbolic generation is possible within the ROBOTRAN program [1].     

柔性机械臂碰撞系统的一种建模方法及精细积分数值模拟

对一单连杆柔性机械臂与外界发生碰撞时的动力学特性进行了研究。在建立动力学模型时，利用有限元思想，用有限个刚性单元和抗扭连接弹簧来模拟机械臂及其柔性性质，得出了较为简单的非线性动力学方程，根据几何关系，建立了系统在发生碰撞时的约束条件。本文在系统的动力学方程中引入对偶变量，并将方程导向Hamilton体系，用精细积分法对系统的动力学特性进行了模拟。     

A theoretical model of reversible adhesion in shape memory surface relief structures and its application in transfer printing

Transfer printing is an important and versatile tool for deterministic assembly and integration of micro/nanomaterials on unusual substrates, with promising applications in fabrication of stretchable and flexible electronics. The shape memory polymers (SMP) with triangular surface relief structures are introduced to achieve large, reversible adhesion, thereby with potential applications in temperature-controlled transfer printing. An analytic model is established, and it identifies two mechanisms to increase the adhesion: (1) transition of contact mode from the triangular to trapezoidal configurations, and (2) explicit enhancement in the contact area. The surface relief structures are optimized to achieve reversible adhesion and transfer printing. The theoretical model and results presented can be exploited as design guidelines for future applications of SMP in reversible adhesion and stretchable electronics.     

多柔体系统动力学建模与优化研究进展

多柔体系统是由柔性部件和运动副组成的力学系统,在航空、航天、车辆、机械与兵器等众多工程领域具有广泛的应用前景, 其典型的代表包括柔性机械臂、直升机旋翼、卫星的可展开天线、太阳帆航天器等. 近年来,随着工程技术的发展,多柔体系统动力学问题日益突出,尤其是含变长度柔性部件的多柔体系统,不仅涉及其动力学 建模与计算,还涉及其动力学优化设计. 事实上,部件柔性对多柔体系统的动力学行为影响很大,直接影响到优化结果,因此需要发展基于多柔体系统动力学的优化设计方法. 本文首先阐述了多柔体系统动力学优化的研究背景及意义,简要回顾了多柔体系统动力学建模的3类方法:浮动坐标方法、几何 精确方法和绝对节点坐标方法,并介绍了含变长度柔性部件的多柔体系统动力学建模方法. 系统概述了多柔体系统动力学响应优化、动力学特性优化和动力学灵敏度分析3个方面的研究进展,并从尺寸优化、形状优化和 拓扑优化 3 个方面综述了多柔体系统部件优化的研究进展. 本文最后提出了在多柔体系统动力学优化研究中值得关注的若干问题.      

The non-homogeneous biharmonic plate equation: fundamental solutions

Real materials and structural components are often non-homogeneous, either by design or because of the physical composition and imperfections in the underlying material. Thus, analytical solutions for non-homogeneous materials under mechanical loads are of considerable interest to engineers and have widespread applications, given the prevalence of these materials in fields as diverse as aerospace, construction, electronics, etc. More precisely, those are essentially composites with carefully manufactured properties that yield desirable mechanical characteristics and properties, such as optimal arrangement of the material, minimum weight, etc. To this end, the displacement fundamental solution (or Green’s function) corresponding to a point force for the non-homogenous biharmonic equation in two dimensions are derived in this work by employing a conformal mapping technique in conjunction with the Radon transformation. These functions, besides being useful in their own right, can also be used within the context of integral equation formulations for the solution of boundary-value problems. Finally, a series of numerical examples that deal with the non-homogeneous plate on elastic foundation problem serve to illustrate the present method.     

Analytical solutions for inflation of pre-stretched elastomeric circular membranes under uniform pressure

Elastomeric membranes are frequently used in several emerging fields such as soft robotics and flexible electronics. For convenience of the structural design, it is very attractive to find simple analytical solutions to well describe their elastic deformations in response to external loadings. However, both the material/geometrical nonlinearity and the deformation inhomogeneity due to boundary constraints make it much challenging to get an exact analytical solution. In this paper, we focus on the inflation of a prestretched elastomeric circular membrane under uniform pressure, and derive an approximate analytical solution of the pressure–volume curve based upon a reasonable assumption on the shape of the inflated membrane. Such an explicit expression enables us to quantitatively design the material and geometrical parameters of the pre-stretched membrane to generate a target pressure–volume curve with prescribed peak point and initial slope. This work would be of help in the simplified mechanical design of structures involving elastomeric membranes.     

LNG耐超低温柔性管道研究进展综述

LNG (液化天然气)耐超低温柔性管道是开采、运输、存储LNG过程中的关键装备之一, 被誉为是LNG外输系统的“血管”. 近年来, 随着LNG的开发逐渐由近海走向深远海, 耐超低温柔性管道作为LNG外输系统中的核心输运装备迎来了更加广阔的发展前景, 同时也面临着由更加严苛的海洋环境带来的结构失效的挑战. 本文针对LNG耐超低温柔性管道的工程应用背景、结构设计、内流分析等方面进行了调研与综述, 总结了LNG耐超低温柔性管道上述各项技术的研究进展. 分析了LNG耐超低温柔性管道的波纹管状结构、螺旋缠绕结构和高分子材料的柔顺性结构特征的力学机理, 总结了实现柔顺性结构的方法, 梳理了LNG耐超低温柔性管道管内流体计算分析的规律, 并对LNG耐超低温柔性管道相关技术的未来研究热点提出了展望. 我国在LNG耐超低温柔性管道相关技术的研究工作中起步相对较晚, 突破LNG耐超低温柔性管道的结构设计分析与工业应用中的关键力学问题, 实现LNG耐超低温柔性管道的国产化研制, 对于实现我国深远海天然气资源开发的“卡脖子”技术的自主可控, 助力“碳达峰”国家战略目标的实现具有重要意义.      

碳纳米管纤维及其传感器力电性能实验研究

基于UTM T150微纳米力学测试系统搭建了纤维力电耦合测试平台,并对碳纳米管纤维进行了多组力电耦合作用下的拉伸性能实验研究。通过观察分析碳纳米管纤维的电阻-应变曲线,发现其电阻变化与应变大小密切相关,随着应变的不断变大,碳纳米管纤维的电阻也在逐渐增加。基于此,设计制作了碳纳米管纤维柔性应变传感器,并将其贴在标准试件上分别进行了弯曲变形测试、单次/循环加载性能测试以及标定实验。结果表明:当对试件进行加载时,碳纳米管纤维柔性应变传感器的电阻会随着载荷的增大而增大;当载荷逐渐消失时,其电阻会逐渐减小直至回归初始电阻值附近。这表明碳纳米管纤维具备优异的电学与力学特性,并且利用它所制作的柔性应变传感器也有着较好的灵敏度与稳定性。