蜂窝夹芯剪切等效模量研究

蜂窝夹层轻型结构以其比强度、比刚度高,而在航空航天工程中被广泛采用．由于蜂窝形状、尺寸多样,使夹层结构设计、优化分析变得复杂,特别是蜂窝夹芯的剪切模量难以准确的等效计算．以薄板理论为基础采用有限元方法对单蜂窝分析的方法,获得蜂窝夹芯的剪切等效模量,与其它方法相比较,精度较高,与试验结果吻合较好．     

周期性多孔材料等效剪切模量与尺寸效应研究

提出了以圆筒扭转力学模型为基础, 预测周期性多孔材料等效剪切模量及其研究尺寸效 应的一种简单有效计算方法. 以方形孔和圆形孔两种典型多孔材料为例进行了数值计算求解; 同时, 建立了几何参数随体胞尺寸缩放因子$n$的解析关系, 证明了两种构型的周期性多孔材 料的等效剪切模量均随尺寸缩放因子$n$的增大而减小. 当$n \to \infty $时, 即体胞尺寸相对整体结构无限小时, 多孔材料的等效剪切模量趋近收敛于一个恒定值; 当体胞的材料体分比增大时, 多孔材料等效剪切模量也随之增大. 此外, 依据周 期性多孔材料的结构对称特性, 使用体胞子结构有限元计算模型进行等效剪切模量及其尺寸 效应的预测, 极大地提高了计算效率.     

多孔材料填充薄壁结构吸能的相互作用效应

研究多孔材料填充薄壁结构的相互作用效应产生的机理,并建立了表征模型. 以泡沫 铝填充帽形结构为例,发现压溃的填充物分为致密区、过致密区和未变形区3个区域. 基于 理想可压缩假设建立了填充多孔材料分析模型,获得各区域体积变化和等效应变等关系;结 合薄壁结构超叠缩单元模型,对填充结构各组分的能量吸收进行了拆分. 研究表明,薄壁结 构的吸能略有增加,多孔材料的吸能增加40{\%}左右. 过致密区的形成是相互作用效应的 主要原因.     

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.     

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.     

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...     

基于等效静态载荷法的非线性动态拓扑优化

等效静态载荷法是目前解决动态拓扑优化问题的一种有效方法,但是由于未考虑塑性变形中应力应变关系的时效性,会导致等效载荷偏大和载荷方向偏差,因此无法有效处理材料的非线性问题.据此,提出一种基于模量比率因子的等效静态载荷计算方法.首先,根据结构应力、应变和杨氏模量之间的函数关系,计算各时刻的计算杨氏模量;然后,得到各时刻的模...     

用能量图形面积法计算非线性弹性材料任意加载方式的能量释放率

从能量释放率G的定义出发,用图解法,即能量图形面积法,分别对线弹性材料和非线性弹性材料,以及在固定位移,或固定载荷,或任意加载方式的情况下,推导出能量释放率的计算公式.证明不同加载方式下的非线性弹性材料的能量释放率,在用能量图形面积法极限求导时,其数值是一样的.     

圆柱夹层多孔材料的主动散热性能研究与优化设计

通过推导不同边界条件的圆柱状夹层多孔材料散热指标,研究了一种特殊结构的圆柱状夹层多孔材料主动散热问题。这种圆柱夹层材料的每一层胞体个数相同,胞体尺寸随着外径的增大而增大,从而保持每一层胞体的相对密度相同。通过计算两种不同换热边界条件下圆柱夹层多孔材料的散热性能,比较并分析了与夹层材料层数相对应的最大散热效率和最优相对密度等指标,并最终得到这些工况下的最优质量。通过分析得到,无论哪种边界条件,正六边形胞体的夹层结构散热性能优于其他构型。同时当为达到某一限定散热效率值时,正六边形胞体结构的质量最小,正六边形构型的多孔材料具有明显的综合性能优势。     

多孔聚酰亚胺含油材料的储油性能及摩擦学行为研究

通过冷压热烧结技术制备了多孔聚酰亚胺（PI）材料,利用其多孔结构分别浸渍不同性质的润滑油M1、M1001和P200得到3种PI含油材料.研究了多孔PI材料的微观结构,并考察了PI含油材料的储油性能和摩擦磨损性能.结果表明：多孔PI材料呈现＂墨水瓶＂型贯通孔结构,孔径分布较窄约为1.6μm,孔隙率为26%,3种PI含油材料的含油率只与所含润滑油密度相关,而油保持率大小则随着润滑油黏度的增大而增大;在摩擦过程中3种PI含油材料的摩擦系数均稳定且小于0.1,对于含润滑油M1和M1001的PI含油材料其摩擦系数随着转速的提高而增大,而含P200的PI含油材料的摩擦系数却随着转速的增大而明显降低.根据上述实验结果,提出多孔PI含油材料的纳米薄膜润滑模型.     

金属蜂窝夹芯板等效弹性模量的实验测试

总结了以往所用的金属蜂窝夹芯板的等效弹性模量的计算方法。在此基础上提出了金属蜂窝夹芯板的等效弹性模量的实验测试方案。通过三点弯曲线载荷两端简支板的挠度测试，得到金属蜂窝夹芯板的等效弹性模量，并与非金属复合材料如玻璃钢材料的等效弹性模量方法进行比较，说明金属蜂窝板的等效弹性模量计算与非金属蜂窝板之间存在较大的差异。证明金属蜂窝夹芯板的等效弹性模量实验测试方案是有效可行的。     

金属基纳米复合材料等效弹性模量的均匀化方法数值模拟

均匀化理论利用位移场双尺度渐近展开建立有限元列式，本文将其与有限元通用程序相结合，应用于金属基复合材料的弹性本构数值模拟。通过对不同尺度增强相金属基复合材料等效模量的数值模拟，考察了均匀化方法的适用情况。数值计算结果表明，对常规尺度增强相金属基复合材料，均匀化方法可以较准确地预测其等效弹性模量；对纳米增强相金属基复合材料，该方法仍可给出较好的预测，但存在某种程度的系统偏差。通过对纳米尺度增强机理的分析讨论，认为纳米增强相与基体材料问的界面效应可能有别于连续介质假设，指出可以考虑采用离散原子-连续介质耦合模型改进数值模拟结果。     

基于等效特征应变原理的复合材料有效模量细观力学分析

基于等效特征应变原理,提出了一种新的复合材料有效模量细观力学分析方法。首先,在等效特征应变原理基础上提出平均等效特征应变原理,它可用于解决有限体下任意形状(无论是凸或凹形)的单个夹杂或多个夹杂的弹性变形问题。其次,将平均等效特征应变原理与细观力学直接均匀法相结合,来分析确定复合材料的有效模量。最后利用复合材料纤维与基体的力学性能参数及纤维的体分比,借助MATLAB编程方法,预测其有效模量。通过将理论预测值与已有的的试验值、其它理论预测值进行对比,验证了新分析方法的合理性和分析精度。     

基于等效电路法的变三角截面驰振压电能量收集研究

随着能源危机的逐渐加剧,人们对压电俘能器研究的投入也与日俱增,目前常见的研究压电俘能器的模拟方法只能研究其接入简单的单一电阻负载电路时的性能,且不能解决压电俘能器的高强度直流电路耦合问题.因此,论文借助二阶范德波尔控制方程将压电俘能器的主要部件等效为电子元件,进而基于等效电路法建立了与变三角截面驰振压电振动俘能器相对应的等效电路模型.借助风洞实验验证了所建立的等效电路模型的准确性.采用该模型研究了外接电路,钝体顶角,外接电阻和来流速度对变三角截面驰振压电俘能器输出电压,输出功率和响应位移的影响,结果表明,随着电阻的增大,输出电压逐渐增大且增长率逐渐减小.交直流电路的最佳负载分别为1.05 MΩ和1.4 MΩ,当风速为7.03 m/s,钝体顶角为90°时,交直流电路输出电压和输出功率的峰值分别为41.34 V,0.974 mW和50.8 V,0.616 mW.随着钝体顶角的增大,输出电压,输出功率和响应位移均逐渐增大且增大的速度逐渐减小.等效电路模型可以高效,准确地对不同结构参数下和外界电路下的压电振动俘能器的输出功率,输出电压,响应位移及其影响因素进行研究,所提出的等效电路模型于加快对压电振动俘能器的研究与推广应用具有一定意义.     

基于复数神经网络的粘弹性材料动态模量拟合方法

固体火箭发动机药柱粘弹性材料除具有弹塑性特性,还具有粘滞性,这一特性使得材料变形具有明显的时间效应,本构关系复杂,进行动态力学分析时,动态模量难以有效拟合．本文提出了一种基于(Levenberg-Marquardt, L-M)算法的复数神经网络拟合粘弹性材料动态模量的方法．通过广义Maxwell模型推导得到材料的动态模量表达式,以此构造未定网络参数为复数的神经网络,从而提供了一种输入、输出样本均为复数的神经网络解决方法．将实数L-M训练算法进行改进,衍生到复数领域,提出复数L-M训练算法．通过粘弹性材料实验,将实验数据时温等效转换,获得复数神经网络的训练及测试样本．通过对神经网络进行训练,实现粘弹性材料动态模量的高精度拟合．数值算例表明,与传统神经网络拟合方法相比,所提方法在训练速度和泛化能力方面都有其优越性．     

泡沫铝夹芯板动态抗侵彻性能的实验研究

本文研究了铝板-泡沫铝夹芯板的抗侵彻性能.设计了铝板-泡沫铝夹芯复合材料板,采用SHPB设备,测试了不同子弹冲击速度下纯铝板和泡沫铝夹芯板的动态响应,并研究了其破坏形态.结果表明应力波在纯铝板中的传播与在铝板-泡沫铝夹芯板中的传播有很大差异,由于泡沫铝的粘性效应使应力波在传播过程中有明显的波幅衰减现象.实验结果表明,铝板-泡沫铝夹芯板相对于纯铝板具有不同的破坏形态.由于铝板-泡沫铝夹芯板的特殊结构和性能,使其具有良好的抗侵彻性能.     

高强钢波纹夹芯结构的力学性能研究

论文利用ABAQUS仿真软件分析了高强钢波纹夹芯结构在三点弯曲以及面内压缩时的力学响应.将计算结果与实验值和理论值进行了对比,验证了数值模拟的准确性.进而分析了芯板材料属性(高强钢DP900和普通低碳钢DC01)以及波纹芯板排列方向(横向、纵向)对夹芯结构力学性能的影响.分析结果表明DP900高强钢波纹芯板夹芯结构抗弯强度是DC01低碳钢夹芯结构的2.39倍,抗压强度是低碳钢夹芯结构的1.40倍,纵向波纹夹芯结构比横向波纹夹芯结构弯曲刚度高11.63倍.     

基于等效刚度的矩形孔蜂窝梁钢框架结构内力计算方法

蜂窝梁钢框架结构因梁截面沿长度周期性变化,不能直接采用普通钢框架结构矩阵位移法计算框架内力和位移．本文基于等效刚度法推导了矩形孔蜂窝梁的等效抗弯刚度、抗剪刚度和轴向刚度,建立了矩形孔蜂窝梁的单元刚度方程,提出了矩形孔蜂窝梁钢框架内力和位移计算方法．算例理论计算结果与有限元分析结果表明,两种方法计算结果非常接近．本文提出的等效刚度法概念清晰,准确性好,适用于计算蜂窝梁钢框架结构的内力和位移．     

On the Solution of an Elliptical Inhomogeneity in Plane Elasticity by the Equivalent Inclusion Method

Stress analysis of an elliptical inhomogeneity in an infinite isotropic elastic plane is a classical elasticity problem, which is usually solved by means of the complex variable formulation. In this work, we demonstrate that an alternative method of solution for such a problem, via the equivalent inclusion method, may be more convenient and straightforward without recourse to complex potentials or curvilinear coordinates. The explicit analytical solution can be derived through simple algebraic manipulation, although the longitudinal eigenstrain component should be handled with care in the case of plane strain. Since the exterior Eshelby tensor for an elliptical inclusion is available in closed-form, the present study provides a full field stress solution expressed in Cartesian coordinates. Furthermore, the in-plane stress components are represented in terms of Dundurs’ parameters. The solution methodology and the convenient formulae of the stress concentration may be of practical use to the engineers in developing benchmarks for design evaluation.     

Construction of Elementary Solutions to a Plane Elastic Problem for a Rectangular Domain

Necessary existence conditions are established for the solution to a plane elastic problem for a rectangular domain given with external boundary and bulk forces. Elementary solutions satisfying Saint-Venant's and superposition principles are constructed.