多阶式层级梯度蜂窝结构的共面冲击响应

为改善蜂窝结构共面的力学性能,基于传统六边形蜂窝结构,建立了六边形层级蜂窝结构,并利用层级蜂窝代替传统六边形蜂窝部分胞元层,复合成一种新型多阶式层级梯度蜂窝结构。利用显式动力学有限元方法研究了层级梯度蜂窝的共面在不同冲击速度作用下的冲击响应特性和能量吸收能力。研究结果表明：层级梯度蜂窝的变形模式与塑性坍塌强度和冲击速度有关;层级梯度蜂窝冲击端和固定端在不同冲击速度作用下的名义应力-应变曲线均与其变形模式有关;不同的复合方式会导致层级梯度蜂窝具有不同的平台应力和比吸能,且在高速冲击时其平台应力比传统六边形蜂窝提高45.4%～63.8%,能量吸收提升10.8%～34.1%。相对密度会影响层级梯度蜂窝的能量吸收能力。     

面内冲击荷载下半凹角蜂窝的抗冲击特性

半凹角蜂窝结构因其零泊松比特征,具有独特的变形方式。将其与传统正泊松比(正六边形)蜂窝以及负泊松比(凹角)蜂窝在面内冲击荷载作用下的抗冲击性能进行对比分析,揭示出零泊松比效应对动力学性能的影响。在给定胞元几何参数(长细比)的情况下,分析了3种蜂窝构型在不同冲击速度下的变形特征,得出半凹角蜂窝的零泊松比特性使结构的局部变形带以"Ⅰ"型为主。根据一维冲击波理论,推导出半凹角蜂窝的平均抗压强度理论公式,与有限元结果进行对比,验证了该方法的有效性。数值结果表明,半凹角蜂窝的抗冲击性能介于正六边形蜂窝和凹角蜂窝之间。通过在半凹角蜂窝内部增加直杆,设计出一种新型零泊松比蜂窝,进一步提高了蜂窝结构的抗冲击性能,可为其他结构优化设计提供一定的理论参考。     

新型仿生蜂窝结构的设计与耐撞性能分析

受自然界毛竹微观结构的启发,在传统圆管与六边形管的基础上引入内管及双菱形肋骨,通过拓扑衍生方法设计了两种新型仿生蜂窝结构。在此基础上利用有限元软件ABAQUS对新型仿生蜂窝的耐撞性进行数值模拟,研究了蜂窝单胞构型、蜂窝壁厚、双菱形肋骨夹角对仿生蜂窝耐撞性能的影响。此外,基于超折叠单元理论,建立了仿生蜂窝结构的理论分析模型。结果表明:仿生蜂窝的面外压缩耐撞性能优于传统圆形蜂窝和传统六边形蜂窝。新型仿生六边形蜂窝的比吸能相比传统六边形蜂窝提高51.18%,压缩力效率提高53.14%。仿生蜂窝结构的平均压缩力理论预测结果与数值模拟结果吻合,两者间的误差均在10%以内。单胞构型为六边形的仿生蜂窝的耐撞性能优于圆形仿生蜂窝。适当增加仿生蜂窝壁厚或增大双菱形肋骨夹角,均有利于提高结构的耐撞性能。     

缺陷对金属蜂窝材料面内冲击性能的影响

 利用显式动力有限元ANSYS/LS-DYNA,数值研究了缺陷（胞元缺失）的分布位置及其尺寸对金属蜂窝材料面内冲击性能的影响。考虑到理想六边形蜂窝材料在不同冲击速度下的变形特征,将试件划分成9个子区域,讨论了缺陷集中位置、缺陷尺寸和冲击速度对蜂窝材料面内冲击变形模式和能量吸收性能的影响。研究发现,蜂窝材料的面内冲击性能依赖于缺陷的分布位置和缺陷尺寸,且在中低速时表现出较高的敏感性,但冲击速度的增加将弱化缺陷分布不均匀性的影响。由于缺陷的存在,蜂窝材料的能量吸收能力明显降低,但与缺陷分布位置相比,蜂窝材料单位体积所吸收的能量更敏感于缺陷尺寸。研究结果将为多胞材料的安全性评估及能量吸收设计提供理论指导和依据。     

爆炸冲击作用下铝蜂窝板失稳研究

基于非线性动力学软件AUTODYN,对铝蜂窝夹芯板在爆炸冲击载荷作用下的失稳过程进行三维数值模拟。通过建立不同参数规格的铝蜂窝夹芯板的实体模型,研究其前、后面板在TNT爆炸冲击作用下的动态响应及塑性阶段的失稳变形。计算结果表明:随着铝蜂窝板前、后面板厚度,夹芯层铝箔高度和厚度的增加,铝蜂窝板在爆炸冲击载荷下的最终残余变形量均明显减小,抵抗变形的能力增强;对于夹芯层胞元形状不同但相对密度相同的铝蜂窝板,因冲击载荷下单轴压缩"惯性效应"差异较小,其面板在爆炸载荷作用下的最终残余变形量差异不大。     

内凹负泊松比蜂窝结构的面内双轴冲击响应

利用有限元模拟方法研究了内凹负泊松比蜂窝结构的面内双轴冲击响应。用节点扰动方法建立了具有不同规则度的内凹负泊松比蜂窝结构,并将其在不同冲击速度下的变形模态、应力-应变曲线和能量耗散能力与规则蜂窝进行了对比分析。结果表明,冲击速度是内凹蜂窝结构变形模态最主要的影响因素。此外,在双轴冲击下,由于不规则度的引入,延长了应力-应变曲线的平台阶段,抑制了结构的各向异性程度,从而使结构的变形特征从局部密实转向整体密实。在能量吸收能力方面,结构的不规则性导致了密实化阶段的滞后,因此在相同的压缩程度下,其塑性耗散能低于规则模型。     

能带反折叠方法研究进展

基于密度泛函理论的第一性原理方法已经成为人们研究材料结构、性质以及进行新功能材 料设计的重要手段。对于掺杂和界面体系，人们常常需要使用超胞来描述。超胞的使用导致能带 折叠，从而掩盖能带结构的重要特征，为人们分析掺杂和界面效应对材料能带结构的影响带来困 难。本文概述了超胞导致的能带折叠现象，重点介绍了基于平面波和原子轨道的能带反折叠方法、 声子能带反折叠方法及相关计算工具，给出了该方法在掺杂和界面体系电子、声子能带结构方面 应用的例子，并对该方法进行了展望。     

退火温度调控多层折叠石墨烯力学性能的分子动力学模拟

退火是石墨烯宏观组装材料常用的制备工艺之一,广泛用于其性能的调控.在石墨烯基材料中,石墨烯片层由于其自身的二维特性通常在微纳米尺度下呈现出多层折叠的结构.然而这种微观结构对材料力学性能退火调控的影响仍未得到充分的了解.为了阐明多层折叠石墨烯力学性能与退火温度间的调控关系,基于分子动力学模拟研究了材料弹性模量、拉伸强度、极限应变以及断裂韧性等关键力学性能参数随退火温度的变化规律,进而结合观察微观结构的演化过程揭示了性能调控现象的物理机制.结果表明:更高的退火温度将增强多层折叠石墨烯的弹性模量与拉伸强度,但同时削弱了其极限应变,并且其断裂韧性能够在一定退火温度范围内实现强化.研究发现,以上力学性能的调控作用归因于更高的退火温度将造成更加密集的层间交联,从而增强了折叠区域层间界面的相互作用,并限制了折叠结构的形态展开,致使结构破坏模式发生转变.     

Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构抗侵彻数值模拟

结合金属/复合材料层合结构的抗侵彻能力,基于混合蜂窝结构低成本、高韧性以及在低速冲击下吸能的特点,设计了一种Al/CFRP(carbon fiber reinforced plastics)/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构,旨在利用各层结构特点,逐步降低弹体速度,高效吸收弹体动能,以达到防护效果。为探究Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构在弹体侵彻下的损伤演化规律及吸能特性,开展了Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构在弹体侵彻下的数值分析,探讨了冲击能量对多层结构抗侵彻性能的影响。结果表明：与Al/CFRP复合结构相比,引入混合蜂窝铝后,结构给予弹体的反作用力增大,在能量不变的情况下,弹体作用板的时间变短。在Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构抗侵彻过程中,Al板和CFRP芯层主要抵抗侵彻以降低弹体速度,混合蜂窝铝主要是吸能。在40 J的冲击能量下,结构总吸能为36.79 J,比吸能为0.217 J/g,蜂窝铝芯层吸能占主要部分,吸能比率为30.3%;随着冲击能量的增大,蜂窝铝芯层的吸能比率增至56.2%,即冲击能量较大时蜂窝铝芯层的吸能效果更好。     

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。     

pH协同血清白蛋白对单个活态人红细胞作用的拉曼光谱研究

红细胞是维持生命最重要的细胞之一,pH是影响其结构功能的重要因素。 结合人血液中存在血清白蛋白,且可能会对红细胞起作用的特点,在模拟人体内血液中血清白蛋白与血红蛋白摩尔比值的条件下,研究pH协同血清白蛋白对单个活态人红细胞的形态,细胞膜变形能力及胞内血红蛋白结构变化的影响。 结果显示,不同pH下,红细胞的表面形态、 膜变形能力的变化规律与其胞内血红蛋白结构的变化有关：在pH 4.14,4.76,10.18时,红细胞胞内血红蛋白螺旋结构的减少、 疏水性氨基酸的暴露,血红素珠蛋白结合状态的改变,影响了血红蛋白结构的稳定性,从而导致红细胞的结构发生变化,其形态、 膜变形能力与正常值相比,变化结果显著。 而在pH 6.51和7.80下,血红蛋白的拉曼谱结果并未发现有上述变化情况,胞内血红蛋白的结构没有发生改变,红细胞的形态、 膜变形能力也接近于正常值。 在pH 5.49和8.76下,红细胞的表面形态和膜变形能力都有不同程度的变差,但其胞内血红蛋白的结构并没有改变,提示红细胞的形态和变形能力的改变可能是可逆的。 结果表明,pH协同血清白蛋白的作用下,血清白蛋白能对红细胞起保护作用,增强红细胞调节、 缓冲环境pH变化的能力。 研究结果全面地揭示了在模拟人体内血液中血清白蛋白与血红蛋白摩尔比值的情况下,红细胞结构功能的变化情况,不仅有助于阐明红细胞在有关生理、 病理状态下的结构与功能的变化,而且对其临床表现与有关防治对策都有重要的指导意义。     

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。     

新型高增益太赫兹折叠波导慢波结构

提出采用分段变参数型折叠波导慢波结构提高器件增益的新方法。结合小信号理论分析和束-波互作用的三维PIC数值模拟,进行分段变参数型慢波结构的理论设计研究。通过0.345 THz两段式折叠波导慢波结构的设计实现和模拟验证,结果证明, 相同的电子注工作条件下,两段式慢波结构的电子转化效率和饱和功率相对于传统均匀型慢波结构提高了94%,并可以推广应用到多段式。     

TiAl系金属间化合物力学性能的电子理论

应用固体与分子经验电子理论，在价电子结构层次，系统地研究了ＴｉＡｌ系金属间化合物的力学性能．根据该理论的基本思想，比较了相关平行电子理论由电荷密度对力学性能的处理方法，模型化了价电子结构空间分布图象，揭示了ＴｉＡｌ系金属间化合物的脆性本质．据此提出了能反映金属间化合物均匀变形能力的价电子结构对称性形因子α，表明α与塑性有很好的对应关系，并给出了其脆性判据．初步建立了价电子结构与力学性能定量的经验关系．     

Ti-Al系金属间化合物力学性能的电子理论

应用固体与分子经验电子理论，在价电子结构层次，系统地研究了Ti-Al系金属间化合物的力学性能.根据该理论的基本思想，比较了相关平行电子理论由电荷密度对力学性能的处理方法，模型化了价电子结构空间分布图象，揭示了Ti-Al系金属间化合物的脆性本质.据此提出了能反映金属间化合物均匀变形能力的价电子结构对称性形因子α，表明α与塑性有很好的对应关系，并给出了其脆性判据.初步建立了价电子结构与力学性能定量的经验关系. 关键词：     

快速优化折叠波导器件中矩形过渡结构的理论方法（英）

本文推导了基于模式耦合理论的方程组,用于加快和简化折叠波导器件中矩形过渡结构的设计过程。作为功率耦合结构的一个重要组成部分,两种常用的结构将被考虑用来匹配折叠波导慢波结构的矩形波导TE10模式和标准输出矩形波导中的TE10模式。通过比较发现,在同样的反射水平下,锥形过渡结构比阶梯过渡结构长得多,但同时前者却自然具有更快的带宽和对结构误差不敏感的特性。作为算例,设计了220 GHz折叠波导返波管中可能用到的阶梯过渡结构和锥形过渡结构,并进行了误差分析。设计过程中用到的理论方法最终用数值模拟的方法进行了验证,取得了很好的一致性。基于该高精度理论方法的设计耗时不过几分钟。     

双应力平台星形结构的设计与力学性能

为实现多孔格栅类结构平台应力和能量吸收的可调控,提出了一种双应力平台星形结构的设计方法,设计并制备了3种双应力平台星形结构。采用实验、理论分析与数值模拟相结合的方法研究了结构在面内压缩载荷下的力学行为和能量吸收性能。结果表明,双应力平台星形结构的载荷-位移曲线呈现两个明显的平台阶段,结构的几何参数和肋板数对结构变形的稳定性以及平台应力的大小存在显著影响。平台应力的理论预测结果与实验、数值模拟结果吻合较好。通过调整相应的设计参数,能够有效地调控结构在压缩过程中的平台应力和能量吸收能力。为了进一步提高双应力平台星形结构的能量吸收性能,以结构的质量和比吸能为设计变量,进行了多目标优化。采用基于径向基耦合多项式函数代理模型和遗传算法（NSGA-Ⅱ）,使结构比吸能最大化的同时质量最小化。与最初设计的结构相比,优化后结构的质量减小了6.0%,比吸能提高了21.5%。     

快速优化折叠波导器件中矩形过渡结构的理论方法（英文）

本文推导了基于模式耦合理论的方程组,用于加快和简化折叠波导器件中矩形过渡结构的设计过程。作为功率耦合结构的一个重要组成部分,两种常用的结构将被考虑用来匹配折叠波导慢波结构的矩形波导TE10模式和标准输出矩形波导中的TE10模式。通过比较发现,在同样的反射水平下,锥形过渡结构比阶梯过渡结构长得多,但同时前者却自然具有更快的带宽和对结构误差不敏感的特性。作为算例,设计了220GHz折叠波导返波管中可能用到的阶梯过渡结构和锥形过渡结构,并进行了误差分析。设计过程中用到的理论方法最终用数值模拟的方法进行了验证,取得了很好的一致性。基于该高精度理论方法的设计耗时不过几分钟。     

金属蜂窝夹芯结构抗水下冲击性能

为揭示高强度水下爆炸冲击载荷作用下金属夹芯结构的抗冲击性能,在实验室开展小尺寸水下爆炸加载技术对金属蜂窝夹芯结构性能影响的实验研究。基于实验结果,开展了全尺寸数值模拟金属蜂窝夹芯结构在水下冲击载荷作用下的动态响应和抗冲击性能研究。结果表明,数值模拟、实验和理论模型计算的结果具有良好的一致性。由于蜂窝芯材相对密度对夹芯结构能量耗散方式和载荷传递机制的影响,结构动态响应、失效模式以及抗冲击性能随着冲击强度的变化表现出较为明显的不同。通过抗冲击参数分析,建立了反映金属蜂窝夹芯结构抗冲击性能的结构横向变形、固支反力、透射脉冲和塑性能耗随冲击强度和芯材相对密度变化的结构-载荷-性能量化关系。     

层级人工等离激元结构增强的太赫兹光电导天线（特邀）（英文）

为提高太赫兹光电导天线输出效率,提出了一种基于层级人工等离激元结构的光电导天线的设计方法。层级人工等离激元结构由纳米尺度金属块阵列和微米尺度周期栅格结合而成,理论与仿真结果表明,前者通过人工局域表面等离激元谐振效应可提高光子-电子转换效率,后者则利用人工表面等离激元结构基模的禁带和高阶模式与电流源模式之间的正交性增强了光电导天线的垂直方向性。集成了层级人工等离激元结构的光电导天线结合了两种结构的优点,数值计算结果表明,其输出效率优于分别采用两种结构的方案。相较于未改进的光电导天线,层级人工等离激元结构在较宽频带范围内（0.86～1.51 THz）实现了光电导天线垂直方向辐射功率密度的提高。