新型仿竹薄壁圆管的设计与吸能特性分析

受自然界毛竹微观结构的启发,在传统双圆管结构的基础上,在内、外圆管之间引入双菱形肋骨,设计了一种新型仿竹薄壁圆管。基于超折叠单元理论,建立了轴向压缩时仿竹薄壁圆管的理论分析模型。利用ABAQUS有限元软件对新型仿竹薄壁圆管进行轴向压缩的数值模拟,分析了双菱形肋骨数、内管直径、壁厚等因素对新型仿竹薄壁管耐撞性和变形模式的影响,并与传统双圆管结构进行了对比。结果表明:理论预测与数值模拟结果吻合,平均压缩力和比吸能的误差均在10%以内。与传统双圆管相比,新型仿竹薄壁圆管的比吸能提高了83.61%,压缩力效率提高了198.65%。肋骨数对结构耐撞性能有显著影响,随着双菱形肋骨数目的增加,结构的比吸能逐渐增加,初始峰值力也随之提高;肋骨数较少时,结构出现局部屈曲变形,影响其吸能能力。内管直径越小,初始峰值力越高;内管直径越大,比吸能越小。     

仿马尾草薄壁结构的设计与耐撞性研究

基于马尾草茎秆的结构特征,设计了一种新型马尾草仿生薄壁管。利用有限元软件ABAQUS,分析了双圆管和马尾草仿生薄壁管在轴向压缩下的耐撞性能和能量吸收特性。结果表明：在质量相同的情况下,仿生薄壁管的比吸能提高了34.74%,压缩力效率提高了37.50%,马尾草仿生薄壁管的比吸能随壁厚的增加而单调递增;对于肋数不同、质量相同的仿生薄壁管,肋数为4的结构耐撞性最好;在肋厚不变(比吸能损失较小)的前提下,调节肋角可以降低薄壁结构的初始峰值力。为了进一步提高薄壁管的能量吸收能力,以内半径、肋角和肋厚为设计变量,进行了多目标优化。采用响应面法和遗传算法(NSGA-Ⅱ),使比吸能最大化的同时初始峰值载荷最小化。与最初设计的仿生薄壁管相比,优化后薄壁管的比吸能提高了13.42%。     

基于Tolman长度的Lucas-Washburn渗吸模型改进及数值模拟

经典的Lucas-Washburn(L-W)渗吸模型用Young-Laplace方程计算毛管压力, 但该方程在管径细小情形得出的毛管压力值与真实值存在较大偏差。本文运用Tolman长度改进Young-Laplace方程, 提出一种改进的L-W渗吸模型, 并将等截面圆管扩展至任意变化截面圆管, 得到变截面圆管中润湿流体注入长度随时间变化的数学模型。该模型为二阶非线性常微分方程, 无法求出解析解, 为此提出一种数值解法。选取截面变化的毛细管道, 通过数值模拟计算出润湿液体注入长度与时间的对应关系, 对Tolman长度的改进效果进行检验和分析。结果表明: 在研究范围内Tolman长度对L-W渗吸模型的改进效果表现出毛细管道半径越小, 效果越明显的规律。圆管局部缩小能改变渗吸水运动状态, 依次呈现出三种运动模式; 圆管局部扩大会缓慢改变渗吸水运动状态, 只呈现单一运动模式。     

DP980与DP780双相钢帽型梁轴向冲击实验对比

作为汽车及航空工业中主要承载和碰撞吸能部件,帽型薄壁梁可通过自身结构塑性变形实现被动吸能。因此,研究帽型薄壁梁结构在冲击载荷作用下的变形模式和吸能特性对其被动安全设计具有重要的意义。分别对DP980和DP780双相钢帽型薄壁梁结构开展了落锤轴向冲击实验,并对其变形位移、峰值载荷、变形模态和能量吸收能力进行分析。研究结果表明:无论是DP980还是DP780帽型梁试件,在受到冲击载荷作用时,均从试件上部发生塑性屈曲变形并形成褶皱,其下部则无明显变形;DP980帽型梁冲击变形更小,残余高度更高,宜作为抗冲击变形防护结构;DP780帽型梁最终屈曲变形产生褶皱更多,冲击载荷作用时间增加,峰值载荷更低,宜作为抗冲击载荷防护结构。综合考虑吸能效果, DP980帽型梁的能量吸收能力与DP780帽型梁相近,研究结果为冲击防护结构的选材提供依据。     

圆形手性多胞管轴向冲击下的耐撞性分析

提出了不同几何结构的新型圆形手性多胞管，开展了其在相同壁厚、相同质量条件下的耐撞性分析。研究结果表明：与传统圆管相比，圆形手性多胞管具有更好的耐撞性能；相同壁厚条件下，比能量吸收和冲击力效率比传统圆管最高分别高出66.19%和49.11%；吸能效果最好的CCMT7-20（肋板数量为7、内圆直径为20 mm）与耐撞性能最差的CCMT4-40（肋板数量为4、内圆直径为40mm）的圆形手性多胞管相比，比能量吸收和冲击力效率分别高出30.83%和22.87%。肋板数量、内圆直径和壁厚对结构耐撞性的参数化研究表明：能量吸收、初始峰值力均随着肋板数量增加而增大，比能量吸收随着肋板数量的增多变化并不明显。能量吸收、比能量吸收和冲击力效率均随着内圆直径增大而减小，管壁增厚会提升结构的能量吸收，但其初始峰值力也会相应增大。     

同轴波纹返波管色散特性研究及粒子模拟

 计算了同轴波纹慢波结构的色散特性，分析了波纹周期长度、波纹幅值大小以及同轴内导体半径对慢波结构色散特性的影响。研究表明内导体的存在使系统截止频率升高,系统尺寸可比普通波纹波导慢波系统更大, 并且可以采用大半径电子注并工作在低磁场状态。运用Magic软件对同轴波纹返波管进行了数值模拟, 发现同轴波导内场分布有利于注波互作用,在数值模拟基础上设计出高效率、低磁场的非均匀同轴波纹返波管,互作用效率达60%,聚束磁场小于1 T。     

基于多质点模型的准球形丝阵参数优化研究

基于多质点薄壳模型对准球形丝阵负载参数进行优化,使得终态等离子体具有预期的内爆特性。通过对丝阵初始位形优化,可以获得期望的终态等离子体壳纵横比,并且终态纵横比对负载初始质量变化不敏感。对于固定电流波形(峰值1.2 MA、上升时间80ns),优化计算了初始丝长度15.4mm的丝阵线质量。结果表明,当丝阵初始线质量约为150μg/cm时,赤道半径为2mm、纵横比为1的终态等离子体壳具有最大动能1.5kJ。同时,还针对不同幅度及上升时间的电流进行优化计算,计算结果表明终态等离子体壳的优化的最高动能与电流峰值平方成正比,与最高动能相应的线质量与电流上升时间平方成正比。     

半径随机的圆孔波纹锯齿光阑的衍射特性

研究了半径随角度的变化而随机变化的圆孔波纹锯齿光阑的衍射特性,提出并证明半径随机的圆孔纹波锯齿光阑能改善光束的近场分布和抑制光束中央部分的衍射调制。给出了衍射光轴上和横截面内光强分布的模拟计算结果,通过计算结果可以看出:通过半径随机圆孔波纹锯齿光阑后,衍射光横截面内填充因子比经过调幅型波纹锯齿光阑后的填充因子高,调制强度比经过调幅型波纹锯齿光阑低,并且半径随机锯齿光阑能在较大的空间范围内抑制轴上光强的衍射调制, 其可抑制的最远空间距离可达0.15 m。     

界面增强多晶点阵结构的耐撞吸能性能

3D打印技术有力促进了金属点阵材料的发展,而碰撞吸能是点阵材料的重要应用领域之一,为此综述了课题组近期在界面增强点阵吸能方面的研究。受金属材料微观变形机理中晶界强化机制的启发,通过在点阵结构中引入晶界和孪晶界等宏观界面构型,构造了含多个界面的多晶点阵结构,研究其耐撞吸能性能。具体而言,构造了胞元构型为简单立方、面心立方和三斜晶系的不同多晶点阵结构试件,通过一系列参数化有限元模拟,并结合增材制造技术开展验证性实验,研究了晶粒尺寸(晶界密度)、界面两侧晶向差、界面取向角度等参数对结构压溃变形模式和吸能性能的影响,发现对称性强的界面(如孪晶界)可以增强点阵结构的吸能性能。进一步研究发现,描述材料微观强化机理的Hall-Petch关系仍然适用于所提宏观多晶点阵结构。该研究可为发展新型轻质点阵吸能结构提供一定的参考。     

碳纳米管从硅基板上剥离的拉伸分子动力学模拟研究

采用拉伸分子动力学方法研究了单壁碳纳米管(8, 8)在室温下从硅基板上被剥离的过程.当碳纳米管(CNT)在硅基底上被剥离时, 剥离距离和理想弹簧所测平均剥离力之间呈现一定规律的关系曲线,并出现了较大的正、负峰值. 比较了不同剥离速度下的平均剥离力,并拟合了其峰值与速度的关系. 拉伸分子动力学模拟结果显示,所需剥离力的最大值与速度之间呈现一定的线性关系, 模拟结果同生物物理学上类似的剥离实验结果符合较好,但相比于高分子, CNT和硅(Si)组成的界面吸附性能更强.讨论了碳纳米管长度、 半径及缺陷对剥离过程的影响,研究表明:所需最大的剥离力与CNT的长度无关, 但随CNT半径的增加,需要的最大剥离力线性增加; 5-7-7-5缺陷对剥离力最大值影响较小,而半径变化缺陷会削减最大剥离力. 在原子尺度对未来的试验进行了理论预测,为碳纳米管在硅微电子工业中的应用提供了理论基础.     

截面几何参数对帽型梁轴向冲击响应的影响

帽型梁结构作为汽车前纵梁主要部件,其轴向冲击变形模式和吸能特性是汽车被动安全设计的主要参考指标。为此,对带有倒角的帽型梁进行了初始能量为17.8kJ的落锤轴向冲击实验和数值模拟。保持梁结构的质量不变,对不带倒角和直角弯折的两种截面梁进行同等条件的数值模拟,在一定范围内探讨截面几何参数对帽型梁的变形模式、变形量、吸能总量、峰值载荷、平均碰撞载荷和碰撞力效率的影响。结果表明:对于带有倒角的帽型梁,其变形模式和变形量的计算结果与实验结果基本吻合,验证了计算模型的合理性;倒角的存在使结构变形模式从非紧凑型向紧凑型转变,提高了缓冲效果,降低了峰值载荷;弯折角度由93°变为90°时,对变形模式的影响较小,非直角弯折梁的吸能效果较直角弯折梁好。因此,截面几何参数对帽型梁结构的变形模式和吸能特性有一定影响。     

大口径薄型光学镜面支撑方案的优化设计

 针对薄型光学镜面支撑过程中的主动施力过程,建立了一个1维分析模型。利用该模型,采用有限元法对一个口径为300 mm、直径与厚度比为40的薄型光学镜面,利用离散支撑方案,针对4种镜面变形进行了计算,得到了实现变形要求所需施加力的大小。使用零阶优化方法中的子问题逼近法对施力位置、施力大小进行了具体优化。分析结果显示：优化后的镜面变形与目标形状更接近,最大平均差值比优化前减小了58%。     

X波段内同轴膜片加载相对论返波振荡器的特性研究

 把同轴膜片作为相对论返波振荡器的慢波结构，从Maxwell方程组和Floquet定理出发，导出了电磁波在同轴膜片加载相对论返波振荡器中的色散关系。通过编程计算得出TM_0n模式的色散曲线，数值分析了周期长度和导体半径对器件工作频率的影响，运用PIC程序模拟了返波振荡器中注波互作用过程。讨论了纵向聚焦磁场、电子注到慢波结构的距离、槽深和槽宽对输出功率和效率的影响。研究表明：增加器件的周期长度，可以减小器件的截止频率和同一模式下的工作频率； 调节内导体半径的大小，几乎不影响器件的工作频率。周期长度取11 mm，槽深取2 mm，槽宽取3.6 mm，漂移长度取7.5 mm的结构，在520 kV电压、8 kA电流和0.7 T的轴向聚焦磁场条件下，器件能输出2.8 GW的峰值功率,功率效率约33.2%。该慢波结构加工方便，具有广阔的应用前景。     

光子晶体光纤在熔接夹具中的受力分析

运用接触力学和圆环压溃强度理论对由V型槽固定的光子晶体光纤进行了受力分析。分别考虑了两种极限情况,以推导光纤中的应力分布。第一种情况假设光纤是完全由纯石英材料制成的内部均匀的实芯圆柱体;第二种情况是把光纤假设成一个空芯圆柱体。根据这两种极限情况推导出了光子晶体光纤受力后光纤内部的最大应力点位于平行于接触面的外层空气孔的附近。采用有限元方法验证了此结论,计算出了光子晶体光纤可能承受的最大压力,并给出了光子晶体光纤在V型槽中的应力分布和变形情况。     

非圆截面环流器等离子体对于高n理想磁流体气球模的最佳压强分布

本文假定等离子体局部压强梯度由理想磁流体高n气球模所限定,讨论了非圆截面环流器的最佳压强剖面。分析了椭圆及三角变形的效应,发现三角变形对提高稳定性很有利;q剖面对平均比压值及中心比压值都有强烈影响,而沿半径下降的q剖面对提高比压值很有利。     

低频段紧凑型同轴相对论返波振荡器

基于P波段新型三周期慢波结构同轴相对论返波振荡器设计思想,设计了一个L波段同轴相对论返波振荡器。粒子模拟表明,在二极管电压591 kV、电流8.2 kA、导引磁场0.8 T时,获得了1.50 GW的微波输出,频率为1.64 GHz,效率达31%,器件慢波结构尺寸仅为f96 mm207 mm。分析了该器件实际高频结构的电动力学特性,重点研究了纵向谐振模式、品质因数等特点,并结合P波段的研究结果,得到了该类器件的相关设计指标:慢波结构长度约为一个波长,波纹周期约5/13波长,外波纹深度约1/10波长,内波纹深度约1/30波长,电子束半径约0.7倍外波纹平均半径,器件的纵向工作模式为0.8模,对应的Q值约16。     

超导空心球形转子变形分析

超导空心球形转子的非球形误差将产生干扰力矩、引起漂移误差降低仪表精度。针对转速和温度引起超导空心球形转子的非球形误差进行分析,将超导空心球形转子模型直接从CREO中导入到有限元分析软件ANSYS,并对超导空心球形转子进行有限元变形仿真。通过对仿真结果进行分析,得出超导空心球形转子离心变形量和温度变形量,阐明了超导空心球形转子特有的变形规律,为补偿和减小转子的动态变形提供了理论依据,也为该特殊结构的空心薄壁转子的设计和优化提供了重要依据。     

HL-2M 极向场线圈支撑结构分析评估

基于二维轴对称模型分析了极向场(TF)线圈在单零(SN)、双零(DN)、雪花(SF)和鼎位形下的电磁响 应,并评估了 4 种位形极限工况下支撑的力学性能。分析表明,PF6 线圈在放电初始时刻所受垂直电磁力最大, 可达到 1.9MN。在放电平顶结束时 PF5 线圈所受电磁力最大。在鼎位形下,PF5L 电磁力可达 2.6MN;雪花和双 零位形下,可达到 2.06MN。在这样极端的运行工况下,结构力学计算结果表明 PF 线圈支撑结构出现了局部塑性 变形。采用 ASMEVIII.2 作为评判准则,对局部高应力区进行评估,评估表明结构不存在塑性塌陷和局部失效。 而在上端主辐梁内侧支撑墩位置,螺栓所受轴力最大,需施加大于 50kN 的预紧力。     

可改善平面接收器能流均匀性的太阳能碟式聚光器设计

为了改善平面接收器的能流均匀性,针对抛物碟式聚光器,提出一种重新优化布置各镜面单元的改进方法,并设计了一种新型非成像碟式聚光器。建立平面接收器目标区域内能流均匀化的优化模型,联合运动累加光线跟踪方法和遗传算法优化碟式聚光器。研究优化的聚光器与抛物碟式聚光器的聚焦能量分布,分析平面接收器上局部聚光比、非均匀因子、峰值聚光比及拦截效率指标。最后讨论了新型聚光器的应用价值,并展示了优化的新型碟式聚光器在平面型金属盘管接收器上的能流均匀化效果。结果表明,非成像碟式聚光器的能流均匀化效果最优异,能将非均匀因子从3.62～4.22显著减小到0.18～0.25,峰值聚光比从24737～37245降低到1722～2055。研究结果不仅能为太阳能平面接收器能流均匀化提供一种新的方法,还能为现有抛物碟式聚光器的改进提供新的思路。     

基于(火积)耗散率最小的T-Y形肋片构形优化

基于构形理论,以导热和对流换热总(火积)耗散率最小为优化目标,对T-Y形肋片进行构形优化,得到同时考虑导热和对流换热(火积)耗散性能的T-Y形肋片最优构形。结果表明:存在最佳单元级直肋和中部空腔高度和长度比使得T-Y形肋片无量纲当量热阻取得二次最小值。增大肋片高度和长度比和肋片占比有助于提高T-Y形肋片整体传热性能。T-Y形肋片与T形肋片相比,T-Y形肋片二次最小无量纲当量热阻降低32.33%,此时T-Y形肋片温度梯度场更均匀,整体传热性能得到明显提高。