复合材料周期性线弹性微结构的拓扑优化设计

提出复合材料周期性线弹性微结构拓扑优化设计的模型，模型1设计具有极值弹性特性的复合材料，模型2设计工况最刚微结构单胞。通过该模型和均匀化技术可以获得优化的微结构单胞，进而改善或者得到最优宏观特性的复合材料。为了便于制造和应用，用胞体材料而不是多相材料来得到复合材料的极值弹性特性和最大刚度。优化结果表明，该模型与数值方法相结合可以有效地实现微结构的拓扑优化设计。     

树脂基三维编织复合材料粘弹性性能的有限元分析

根据材料的细观结构,采用APDL语言分别建立了纤维束和三维编织复合材料两级单胞的参数化几何模型;推导了Prony级数表示的树脂粘弹性本构方程,对模型进行了组分材料参数设置;对纤维束单胞模型进行扫掠式网格划分,对三维编织复合材料单胞模型进行线-面-体式网格划分;对两级单胞模型均施加合理的边界条件,使单胞边界上的位移满足周期性和连续性。以有限元模型为基础,计算了三维编织复合材料的粘弹性能,并给出了材料粘弹性效应随工艺参数变化的规律。计算结果表明:三维编织复合材料编织方向的粘弹性效应随编织角的增大而增强,随纤维体积比的增大而减弱。该结果与已有实验结论一致。     

周期性复合材料湿热力耦合问题的二阶渐近分析

渐近均匀化方法是一种很好的分析复合材料力学性能的方法。通过建立考虑材料湿热效应的双尺度渐近展开模型,研究了周期性复合材料在湿、热、力耦合作用下的结构响应。将带有小参数的位移渐近展开式代入湿热力耦合控制方程,利用等效积分"弱"变换推导出复合材料等效参数的单胞控制方程以及均匀化方程。为了提高计算精度,本文对均匀化解进行了一阶和二阶修正,利用FreeFem++软件进行了数值模拟。结果显示:双尺度二阶渐近分析能够高效、准确地计算出一系列多场耦合问题,为研究周期性复合材料的力学性能提供了新的方法。     

高温下编织复合材料热相关参数识别方法研究

为了获取高温下编织复合材料的准确弹性参数与热膨胀系数,提出一种基于均匀化理论的热相关参数识别方法. 首先,在编织复合材料单胞有限元模型基础上,基于均匀化理论和热弹性理论,施加周期性位移边界条件和温度边界条件,预测编织复合材 料的热弹性相关参数. 然后,考虑到等效过程中编织复合材料应力分布不均匀等因素引起的误差,将复合材料精细模型的热模态数据作为补 充信息,识别编织复合材料热相关参数,对预测的材料参数进行校准. 本文在二维编织结构单胞模型基础上,开展等效预测和识别方法研 究,验证所提出方法的有效性和准确性. 对比等效和识别后热模态的误差,结果表明:本文提出的基于等效预测的参数识别方法,能够 准确识别高温下编织复合材料宏观热相关参数.      

高温下编织复合材料热相关参数识别方法研究

为了获取高温下编织复合材料的准确弹性参数与热膨胀系数,提出一种基于均匀化理论的热相关参数识别方法.首先,在编织复合材料单胞有限元模型基础上,基于均匀化理论和热弹性理论,施加周期性位移边界条件和温度边界条件,预测编织复合材料的热弹性相关参数.然后,考虑到等效过程中编织复合材料应力分布不均匀等因素引起的误差,将复合材料精细模型的热模态数据作为补充信息,识别编织复合材料热相关参数,对预测的材料参数进行校准.本文在二维编织结构单胞模型基础上,开展等效预测和识别方法研究,验证所提出方法的有效性和准确性.对比等效和识别后热模态的误差,结果表明:本文提出的基于等效预测的参数识别方法,能够准确识别高温下编织复合材料宏观热相关参数.     

三维机织复合材料细观几何建模研究

论文提出一种简化的纱线变形方法建立三维机织复合材料细观几何模型,考虑了纱线截面形状、纱线截面扭转、纱线弯曲系数等模型参数,建立了模型参数可灵活调整的建模方法.采用该方法分析了纱线的层数、模型尺寸、纱线的弯曲系数对材料性能的影响.结果表明,当纱线层数较小时,表层的边界效应对材料性能影响较大,厚度方向不建议采用周期性边界条件;在自由边界条件下,模型长度约为2倍单胞、宽度约为1.5倍单胞尺寸时,可以实现刚度测试误差范围控制在2%以内.此外,纱线弯曲系数对复合材料单胞刚度计算结果有较大影响,适当的纱线弯曲系数能够使刚度计算误差控制在7%以内.     

基于均匀材料微结构模型的热弹性结构与材料并发优化

研究由宏观上均匀多孔材料制成的结构的优化设计问题,待设计的结构受到给定的外力与温度载荷作用,优化设计旨在给定结构允许使用的材料体积约束下,设计宏观结构的拓扑及多孔材料的徼结构,使得结构柔度最小.本文提出了一种宏观结构与微观单胞构型并发优化设计的方法.在此方法中,引入宏观密度和微观密度两类设计变量,在微观层次上采用带惩罚的实心各向同性材料法SIMP(Solid Isotropic Material with Penalty),在宏观层次上采用带惩罚的多孔各向异性材料法PAMP(Porous Anisotropic Material with Pemlty),借助均匀化方法建立两个层次阃的联系,通过优化方法自动确定实体材料在结构与材料两个层次上的分配,得到优化设计;提供的数值算例检验了本文所提方法及计算模型,并讨论了温度变化、材料体积及计算参数对优化结果的影响.研究结果表明同时考虑热和机械载荷时,采用多孔材料可以降低结构柔顺性.     

复合材料扭转轴截面微结构拓扑优化设计

提出复合材料扭转轴截面微结构拓扑优化设计新模型，模型的优化目标是获得具有最大宏观剪切特性加权和的单胞形式．通过模型和均匀化方法及优化技术可以获得优化的微结构单胞，进而改善或者得到最优宏观弹性特性的复合材料．为了便于制造和应用，胞体材料用来获得复合材料的极值剪切模量．最后的优化结果表明，该模型连同数值处理技巧可以非常有效地实现微结构的拓扑优化设计．     

最优二维固/固声子晶体带隙特性研究

声子晶体是一种具有弹性波带隙特性的周期性复合材料,其带隙特性受单胞拓扑形状的影响。通过拓扑优化技术,能够突破传统设计方法的局限,实现对声子晶体的主动设计。本文基于遗传算法和改进的平面波展开法,通过两阶段的优化过程,得到具有最大相对带隙的二维铜/环氧树脂声子晶体结构,并进一步研究不同带隙最优声子晶体单胞拓扑形状及其带隙特性。结果表明,利用所开发的带隙优化程序,能够得到满足带隙要求的具有全局最优的声子晶体结构;声子晶体最低带隙所对应的单胞是简单晶格结构,其散射体形状简单,而且对应的带隙频率最低,相对带隙最大,对于隔音减振最有实用价值。     

复合材料周期结构数学均匀化方法的一种新型单胞边界条件

数学均匀化方法是计算周期复合材料结构的有效方法之一,单胞边界条件施加的合理性直接决定了影响函数控制方程的计算效率和精度,进而影响均匀化弹性参数和摄动位移的计算精度.本文首先将单胞影响函数作为虚拟位移处理,给出了单胞在结构中真实的边界条件,结果表明,四边固支适合作为二维结构单胞边界条件;其次,针对二维结构提出了超单胞周期边界条件,有效提高了影响函数的计算精度,并使用与虚拟位移相对应的虚拟势能泛函验证超单胞周期边界条件的有效性;最后,利用数值分析验证多尺度渐进展开方法的计算精度,强调了二阶摄动的必要性.     

Optimization of size and shape of composite heat sinks with phase change materials

A composite heat sink is one in which a phase change material is interspersed with a high thermal conductivity base material to maximize the thermal performance of the device. Unlike constant area fins considered in literature, this work considers a repeating elemental composite heat sink (ECHS) with variable area fins. The base material is aluminium and the phase change material is n-Eicosane. An in house code was developed in MATLAB© to determine the time of operation for a vertical fins ECHS for a one dimensional approximation. This was followed by a two dimensional analysis of the problem using FLUENT 6.3. The effects of the shape of the interface surface on the time of operation and overall heat dissipated are determined and design modifications for the composite Heat Sinks based on the results obtained are suggested.     

复合材料导向叶片的结构与材料一体化优化设计

将材料细观结构优化和宏观结构优化结合起来,从结构与材料两个尺度出发,发展复合材料导向叶片的结构与材料一体化优化设计方法。在建立平纹编织复合材料细观结构分析模型的基础上,采用细观力学有限元法进行材料刚度性能预测,热-固耦合分析方法进行涡轮导向叶片结构分析。同时以细观结构参数和宏观结构参数为设计变量,以叶片质量最小为优化目标,并要求满足应力和位移方面的约束,进行编织复合材料导向叶片的结构与材料一体化优化设计。     

考虑时变刚度特性的复合材料微结构拓扑优化设计方法

理想的骨折内固定植入物在组织愈合或修复的过程中,其结构性能需要满足不同愈合阶段对生物力学的需求.提出一种对生物可降解复合材料微结构的时变刚度特性进行调控设计的拓扑优化方法,以达到理想的骨折内固定植入物特殊的时变刚度特性需求.使用具有不同降解速率和刚度的两种可降解材料,以相对密度作为设计变量来描述不同材料的分布,以特定降...     

Concurrent Analysis and Design of Structure and Its Periodic Material

The specific good properties of cellular materials and composite materials, such as low density and high permeability, make the optimal design of such materials necessary and attractive. However, the given materials for the structures may not be optimal or suitable, since the boundary condition and applied loads vary in practical applications; hence the macro-structure and its material micro-structure should be considered simultaneously. Although abundant studies have been reported on the structural and material optimization at each level, very few of them considered the mutual coordination on both scales. In this paper, two FE models are built for the macro-structure and the micro-structure, respectively; and the effective elastic properties of the periodic micro-structure are blended into the analysis of macro-structure by the homogenization theory. Here, a topological optimum is obtained by gradually re-distributing the constituents within the micro-structure and updating the topological shape at the macro-structure until converges are achieved on both scales. The mutual coordination between the roles of micro-scale and macro-scale is considered. Some numerical examples are presented, which illustrate that the proposed optimization algorithm is effective and highly efficient for the micro-structure design and macro-structure optimization. For the composite design, one can see reasonable effects of the stiffness of base materials on the resultant topologies.     

非匀质材料板的微结构优化设计

探讨具有微结构构造的非匀质材料构件在微结构层次上的优化设计,即寻求满足构件宏观性能要求的最佳微结构材料与构造参数。文中采用细观元法确定非匀质材料构件宏观性能与材料微结构参数间定量关系,建立起微结构优化设计数学模型,具体分析了复合材料板件满足强度、刚度要求的最佳微结构参数。有关方法可适用于复合材料、功能梯度材料、智能材料等新材料构件。     

Optimizing multifunctional materials: Design of microstructures for maximized stiffness and fluid permeability

Topology optimization is used to systematically design periodic materials that are optimized for multiple properties and prescribed symmetries. In particular, mechanical stiffness and fluid transport are considered. The base cell of the periodic material serves as the design domain and the goal is to determine the optimal distribution of material phases within this domain. Effective properties of the material are computed from finite element analyses of the base cell using numerical homogenization techniques. The elasticity and fluid flow inverse homogenization design problems are formulated and existing techniques for overcoming associated numerical instabilities and difficulties are discussed. These modules are then combined and solved to maximize bulk modulus and permeability in periodic materials with cubic elastic and isotropic flow symmetries. The multiphysics problem is formulated such that the final design is dependent on the relative importance, or weights, assigned by the designer to the competing stiffness and flow terms in the objective function. This allows the designer to tailor the microstructure according to the materials’ future application, a feature clearly demonstrated by the presented results. The methodology can be extended to incorporate other material properties of interest as well as the design of composite materials.     

纤维增强复合材料热隐身斗篷设计

基于变换热动力学原理可获得具有热隐身性能的隐身结构(隐身斗篷)所需要的材料性质的空间分布。但这种材料性质的复杂分布形式以及局部热传导性能无限大等极值性质需求,使得隐身斗篷设计的实现非常困难,需要研究基于常规材料的隐身斗篷设计。本文基于常规材料的热隐身结构实现问题,提出了基于纤维增强复合材料圆环结构的实现热隐身的结构形式。首先,基于变换热动力学原理获得热隐身所需的热传导系数沿半径方向的变化规律;进而,通过设计复合材料不同位置的纤维铺设方式(含量和铺设方向)实现热隐身对材料性能的需求。选择金属银作为纤维,空气作为基体,设计出了具有热隐身性能的复合材料圆环结构纤维含量和铺设方向沿径向的分布方案。对该设计方案进行数值仿真,结果显示所设计的隐身结构具有良好的热隐身性能。由于设计方案基于常规材料,因此具有容易实现的优点。     

Elastic-plastic deformation of sandwich rod on elastic basis

Sandwich composite material possesses advantages of both light weight and high strength. Although the mechanical behaviors of sandwich composite material with the influence of single external environment have been intensively studied, little work has been done in the study of mechanical property, in view of the nonlinear behavior of sandwich composites in the complicated external environments. In this paper, the problem about the bending of the three-layer elastic-plastic rod located on the elastic base, with a compressibly physical nonlinear core, has been studied. The mechanical response of the designed three-layer elements consisting of two bearing layers and a core has been examined. The complicated problem about curving of the three-layer rod located on the elastic base has been solved. The convergence of the proposed method of elastic solutions is examined to convince that the solution is acceptable. The calculated results indicate that the plasticity and physical nonlinearity of materials have a great influence on the deformation of the sandwich rod on the elastic basis.     

镍基合金－碳化铬复合涂层耐磨特性的研究

用真空熔烧法在４５＃钢表面制取了镍基合金－碳化铬复合涂层，用扫描电子显微镜和Ｘ射线衍射仪分析了这种涂层的微观结构、物相组成和性能，并对这种涂层的耐磨特性进行了试验研究．结果表明：镍基合金－碳化铬复合涂层与底材形成了牢固的冶金结合，同时还含有较高比例的硬质相；碳化铬的加入使涂层的耐磨性显著提高，在给定的试验条件下分别于干摩擦和２０＃机械油润滑时，镍基合金－碳化铬复合涂层的耐磨性比４５＃钢的分别高５倍和１０倍以上     

多相材料微结构布局及宏观结构拓扑并发优化

在传统双向渐进结构优化(BESO)方法基础上,充分考虑材料和结构的尺度关联性,基于均匀化理论将材料微结构胞元设计和宏观结构拓扑优化相结合,按照材料属性排序引入材料插值函数依次进行灵敏分析,建立周期性多相材料微结构布局及宏观结构拓扑并发优化设计方法。优化过程中,宏观结构受力的特性嵌入微观敏度生成过程,使得新型材料具备了特定宏观结构力学需求的更加轻型、高强的最佳力学性能;同时,微观材料胞元的等效材料属性又是宏观结构优化的基础材料,从而使得材料/结构具有尺度上的统一。相关算例说明该方法在解决多相材料微观分布优化和周期性多相材料微结构布局及宏观结构拓扑并发优化问题时具有边界清晰和收敛快等优点。