局部表面纳米化双层嵌套式金属薄壁吸能结构的数值模拟和设计

基于局部表面纳米化技术,设计了一种双层嵌套式金属薄壁吸能结构。在表面纳米化技术对金属力学性能影响的研究基础上,优化了环向交错式和连续式条纹局部表面纳米化布局,得到了双层嵌套式方管吸能结构设计方案和吸能参数。结果表明,表面纳米化对材料的屈服极限提升显著,所设计的局部纳米化双层嵌套式方管吸能结构的比吸能可提高57.1%。同时也证实局部表面纳米化是一种有效的吸能提升技术。     

粘接多胞管三点弯曲实验与数值研究

基于实验和数值模拟方法,论文对一种易制备粘接多胞薄壁结构的弯曲性能进行了研究,分析了粘接多胞管在横向三点弯曲载荷作用下的变形和能量吸收性能.三点弯曲准静态实验表明由于粘接的作用,通常情况下粘接多胞管的能量吸收性能高于其基本构成单胞管能量吸收的总和,某些情况下粘接可以最高带来近70%的性能提升.基于有限元软件LS-DYNA,对三点弯曲实验进行了数值模拟仿真,计算得到的结构变形模式和力-位移曲线与实验结果吻合良好.此外,采用数值方法,对三种不同接触条件下的结构响应进行了对比分析,结果表明若未出现明显的粘接脱开,则多胞管的吸能特性与完整的多胞结构相当,否则其能量吸收性能会被严重削弱.     

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.     

细胞内吞纳米颗粒药物的数值模拟研究

受体介导的内吞是细胞与外界物质交换的常见方式. 采用配体修饰表面的纳米脂质体颗粒,将药物有针对性地投放到肿瘤细胞 以提高药物传输的效率,是药物传 输系统设计中的核心问题之一. 本文假设内吞是准静态过程,采用三维数学模型来模拟球状纳米颗粒的内吞,建立了包含绑定键的系统变形能方程,通过求 解能量方程的最小值,得到药物在每个内吞包裹阶段的变形以及药物的被动内吞所需最小能量,分析不同药物半径对内吞所 需最小能量的影响. 研究表明,细胞膜变形能与绑定键变形能占总能量的绝大部分,各组分随着包裹区域增加均有变化;在给定细胞膜和药物颗 粒的硬度、绑定键强度等物理特性下存在最优药物尺寸,使得内吞过程中总能耗最小;在药物内吞进行的后期,包裹区域边 缘的绑定键因伸长过大发生断裂,影响内吞的顺利完成. 本研究为受体介导的高效药物设计提供了理论支撑.      

非凸截面管与多胞方管轴向冲击能量吸收性能对比研究

研究了非凸薄壁管在轴向冲击下的能量吸收性能,并与方管以及多胞方管进行了比较分析。首先,采用显式非线性有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对比分析了这三类薄壁管在壁厚相同情况下的能量吸收性能。然后,在一定的材料用量限制（相同的质量）、一定的能量吸收量需求以及一定的极限峰值力要求等三种情况,比较了这三类截面薄壁管的冲击能量吸收性能。研究表明,非凸截面管在所研究的四种条件下无论在能量吸收效率还是在载荷一致性方面都远远优于方管。此外,非凸截面薄壁管在能量吸收效率方面也显著优于多胞方管,在载荷一致性方面与多胞方管相比各有优劣。     

正多边形基多胞薄壁管的吸能特性

多胞薄壁结构具有轻量化、高比吸能的特点,在汽车、轮船、航空航天等领域得到了广泛的应用。已有研究表明结构的耐撞性与结构的拓扑方式及胞元数量密切相关。为了研究结构形状和拓扑优化对其吸能效果的影响,基于正多边形结构,通过内嵌多边形和外接圆管的方式设计了两类新型多胞薄壁结构,并对这两类多胞薄壁结构进行准静态和落锤冲击实验,利用高速相机记录结构的变形模式,并定量分析了结构的吸能特性。实验结果表明：除正三角形二级内嵌四边形所得结构在准静态加载实验后期出现了局部失稳现象外,其余结构在准静态和落锤冲击实验过程中均保持垂直受压,结构变形模式与吸能效果较好。通过比较两类结构的实验结果得出：不论是在准静态加载还是在落锤冲击的情况下,内嵌多边形结构的各项吸能指标都明显优于外接圆管的结构;同等质量的情况下,内嵌四边形结构的吸能效果明显优于内嵌三角形的结构。

     

含泡沫吸能层防护结构爆炸能量分布的数值模拟研究

采用ANSYS/LS-DYNA软件对复合结构各层中的爆破能量的分布进行了系统的数值模拟研究;由计算得到的复合防护结构中能量的分布规律显示,泡沫混凝土的反射、吸能作用非常明显,改变了防护结构内的能量分布状态,各层的能量分布发生了很大的改变,能量的分布向上转移,其最下层能量仅为无吸能层结构的14％。     

胞元结构X-Ray三维成像及其FEM模拟

采用微纳米X-Ray断面成像技术,通过对含有CaCl2生物淀粉膨化结构材料三维成像规律的研究,确定了胞元体结构形态,并分析了断层胞元分布规律.建立了带有微细孔洞结构材料三维几何描述模型,通过理论建模和数字编程实现了与非线性有限元的连接,分析了微米级胞体材料受载后的场变量分布.     

引入Sierpinski层级特性的新型薄壁多胞管轴向冲击吸能特性

为提高薄壁结构的吸能能力,基于Sierpinski分形结构提出了一种具有层级特性的新型薄壁管,即Sierpinski层级管(Sierpinski hierarchical tube, SHT)。采用非线性有限元法对SHTs在轴向冲击载荷作用下的变形模式和能量吸收特性进行了数值分析,并与普通三角形薄壁管在轴向冲击载荷作用下的变形模式和能量吸收特性进行了对比。结果表明:SHTs的变形模式为轴对称渐进屈曲模式,在薄壁管中引入Sierpinski层级特性后,胞壁弯曲过程的半折叠波长减小,促使压缩过程中形成更多的塑性折叠单元,有利于提高薄壁结构能量吸收能力。进一步基于能量守恒理论和塑性铰理论对SHTs的轴向压缩应力进行理论求解,并通过有限元数值模拟验证其准确性。在相同的相对密度下,一阶、二阶及三阶SHTs的动态压缩应力较普通三角形薄壁管的动态压缩应力提高了85.8%、138.2%和183.8%。将Sierpinski层级特性引入薄壁管的设计中,能够有效提高薄壁管的耐撞性能。     

薄壁非凸截面多胞管轴向冲击耐撞性研究

论文结合截面多胞化和截面非凸化这两种提高薄壁管能量吸收性能的方法,设计了一类薄壁非凸截面多胞管能量吸收结构.通过从管截面外轮廓和管内构型两个方面相结合的方法,同时从内外两个方面提高薄壁管的能量吸收性能.新型非凸截面多胞管通过增加截面折角数目并且保持折角在最优范围内,从而使得更多的材料分布在变形剧烈的折角附近以实现提高结构的能量吸收效率的目的.从理论与数值模拟两方面研究了这类新型非凸截面多胞薄壁管在轴向冲击下的能量吸收性能.新型非凸截面多胞管通过截面构型优化,增加了能量吸收效率高的角形部分.研究表明,这类薄壁非凸截面多胞管较传统薄壁方管的能量吸收性能有显著提高,并且其能量吸收性能优于凸多胞管及非凸多边形截面管,还避免了非凸多边形截面薄壁管潜在的整体失稳的问题.     

弧形折纸模式薄壁结构的压缩变形与能量吸收

选用PolyMax^TM PLA为试样材料,利用3D打印技术制备了弧形折纸薄壁管件。基于准静态轴向压缩实验,运用ABAQUS软件对弧形折纸薄壁管件轴向准静态压缩和冲击行为进行了有限元计算,探讨了其变形模式和能量吸收特性,分析了预折角和薄壁单胞管件阵列数量对其压溃模式及能量吸收的影响。有限元计算结果与实验结果吻合较好。薄壁管件的变形过程可分为4个阶段：初始压溃阶段、预折角塑性旋转阶段、腹板塑性屈曲阶段和完全压溃密实化阶段。弧形折痕的引入能够有效地降低薄壁管件在压缩过程中的初始压溃载荷峰值,减小冲击载荷的振荡幅值。对比了高度相等、质量近似相等的方管与弧形折纸薄壁管在不同冲击速度下的压缩变形与能量吸收。在准静态压缩作用下,对于单胞模型,仅有折痕倾角为70°的模型的比吸能优于方管;对于多胞管件阵列模型,方管的比吸能均优于折纸管。折纸管的压缩力效率和比总体效率均优于方管,其中折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率最高。在动态冲击压缩下,阵列方管的比吸能均优于阵列折纸管。当冲击速度为10 m/s时,折纸管的压缩力效率和比总体效率均优于方管,其中折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率最高。当冲击速度为20 m/s时,仅有折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率优于方管。

     

负高斯曲率曲面薄壁管吸能特性研究

为设计出具备优良吸能特性的薄壁结构,提出一种新型负高斯曲率曲面圆形横截面薄壁管(negative Gaussian curvature surface circular tube, NGC-C)。利用经验证的有限元分析方法对其进行轴向动态冲击模拟,提取各项性能指标,借助复杂比例评估法(complex proportion assessment, COPRAS)将其与传统薄壁吸能结构进行了综合性能对比。采用拉丁超立方抽样法从设计空间中提取样本点并获取各样本点对应性能响应值,建立代理模型。基于该代理模型,借助改进非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm, NSGA-Ⅱ)对其进行了多目标优化设计。结果表明：NGC-C综合性能优于传统薄壁吸能结构,经优化后比吸能提高了16.47%,有效压溃长度降低了12.40%,质量减少了20.18%。将负高斯曲率曲面形态引入薄壁管构型,能够提高薄壁管的耐撞性和轴向抗变形能力。

     

变截面多稳态梁结构减振吸能分析与优化设计

基于多稳态梁结构具有吸能且可重复使用的特点,本文研究包含变截面多稳态梁的单胞结构及其周期性排布的减振吸能效应及其优化设计方法。对多稳态结构进行考虑几何非线性的位移加载/卸载有限元仿真,根据其载荷-位移曲线分析多稳态结构的减振吸能原理,并研究串联与并联周期性排布形式对结构整体吸能特性的影响规律。研究基于多参数调控的变截面梁结构形状表征方法,根据多稳态结构储能特点建立变截面多稳态单胞结构的结构优化模型,通过求解优化问题获得总质量不变条件下最优变截面梁结构形状。进一步地通过对优化结果的有限元分析验证优化的有效性,并对结构进行瞬态冲击荷载下动响应分析,证明多稳态结构的冲击保护作用。     

Deformation mode and energy absorption of polycrystal-inspired square-cell lattice structures

Lattice structures are widely used in many engineering fields due to their excellent mechanical properties such as high specific strength and high specific energy absorption (SEA) capacity. In this paper, square-cell lattice structures with different lattice orientations are investigated in terms of the deformation modes and the energy absorption (EA) performance. Finite element (FE) simulations of in-plane compression are carried out, and the theoretical models from the energy balance principle are developed for calculating the EA of these lattice structures. Satisfactory agreement is achieved between the FE simulation results and the theoretical results. It indicates that the 30° oriented lattice has the largest EA capacity. Furthermore, inspired by the polycrystal microstructure of metals, novel structures of bi-crystal lattices and quad-crystal lattices are developed through combining multiple singly oriented lattices together. The results of FE simulations of compression indicate that the EA performances of symmetric lattice bi-crystals and quad-crystals are better than those of the identical lattice polycrystal counterparts. This work confirms the feasibility of designing superior energy absorbers with architected meso-structures from the inspiration of metallurgical concepts and microstructures.     

Numerical solution of steady free‐surface flows by the adjoint optimal shape design method

Numerical solution of flows that are partially bounded by a freely moving boundary is of great importance in practical applications such as ship hydrodynamics. Free‐boundary problems can be reformulated into optimal shape design problems, which can in principle be solved efficiently by the adjoint method. In this work we investigate the suitability of the adjoint shape optimization method for solving steady free‐surface flows. The asymptotic convergence behaviour of the method is determined for free‐surface flows in 2D and 3D. It is shown that the convergence behaviour depends sensitively on the occurrence of critical modes. The convergence behaviour is moreover shown to be mesh‐width independent, provided that proper preconditioning is applied. Numerical results are presented for 2D flow over an obstacle in a channel. The observed convergence behaviour is indeed mesh‐width independent and conform the derived asymptotic estimates. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

纤维复合材料损伤过程的数值模拟

利用界面断裂力学和有限元法数值模拟纤维增强复合材料的细观损伤过程，研究各种主要破坏模式之间的相互转变和影响，指出以断裂能和混合度表示的界面性能是控制复合材料损伤过程的主要细观参数。分析了界面韧度对破坏性能的影响，探讨了基于破坏模式控制的复合材料韧度设计的新途径。     

列车分布式吸能系统的波传播特性和参数分析

建立了考虑车厢中弹性波传播影响的列车分布式吸能系统的简化理论模型。基于一维应力波理论,对碰撞过程中各吸能器的响应进行了理论分析,得到相关的控制方程并求解。观察到各吸能器界面上典型的阶段性、平台样的速度响应,并分析了其机理,进而对如何合理设置和排布吸能器进行了分析。结果表明:对于相邻的吸能器,碰撞前端吸能器的压垮强度应高于后端,否则后端吸能器无法同时发挥作用;各吸能器的平台应力的大小和排布是决定吸能系统作用效果的控制参量,能够决定各吸能器的吸能时长和吸能总量。具体分析了相邻吸能器的平台应力分布对系统吸能性能的影响,得到了在所研究的情况下使总吸能量最大的优化设计参数。该研究可为列车分布式吸能系统的优化设计提供理论指导。