一种具有动态磁负刚度薄膜声学超材料的低频隔声特性

为提升薄膜/板状结构的低频隔声特性,本文提出一种具有动态磁负刚度的新型准零刚度薄膜声学超材料.首先,应用等效磁荷理论推导了动态磁负刚度;然后,基于伽辽金法建立了有限尺寸下薄膜/板结构的隔声理论模型.通过理论分析、数值仿真及实验测试相结合的方法,从结构模态、振动模式、平均速度、相位曲线、等效质量密度和等效弹簧-质量动力学模型等多个角度对其低频(1—1000 Hz)隔声机理开展了研究.结果表明:在初始薄膜张力一定时,减小磁间隙或增大剩余磁通密度均可增大动态磁负刚度,进而减小隔声峰值频率,增加隔声带宽,实现了较宽频段下的有效低频隔声;进一步,当磁间隙大于第二临界磁间隙小于第一临界磁间隙时,结构的一阶模态共振消失,对应隔声谷值大幅提升,显示出超宽频段的隔声效果.这种利用动态磁负刚度改善模态共振导致的低频隔声谷值的方法对薄膜/板型低频隔声超材料的设计具有重要的理论指导价值.     

通孔金属泡沫渗透率解析模型

针对通孔金属泡沫中的渗透率预测及现有理论模型的局限性,发展了一种新的全解析渗透率模型. 该模型以立方体结构作为代表单元,采用基于追踪流体微团轨迹的分支算法解析求解代表单元内的流动迂曲度. 渗透率的表达形式简单且不含任何拟合或经验参数,仅是孔隙率与平均孔径的函数. 采用实验测量和文献数据对模型预测进行了验证. 结果表明:提出的模型能够在较为宽广的孔隙率(0.55~0.98) 和孔密度(5~100 PPI) 范围内预测孔通孔金属泡沫的渗透率;采用分支算法得到的流动迂曲度能够较好地描述流体在通孔金属泡沫中的流动特征;采用开孔率修正的解析模型亦能对半开孔泡沫材料的渗透率提供良好预测.      

电磁加热条件下皮肤组织的生物热力学行为

研究目的是开发一种数学方法来计算传热过程、热引起的力学响应以及相应的疼痛等级, 从而对临床上应用的各种加热疗法之间的差别进行定量评估. 采用基于有限差分法的数值模拟方法, 基于无限大和均匀化假设, 分析了各种热疗法中皮肤组织的温度、烧伤和热应力分布. 研究发现: 充血对热损伤的影响很小, 但对皮肤的温度分布影响很大, 而这又反过来显著影响由此产生的热应力场; 对于激光加热, 光波越短则峰值温度越高, 但峰值更接近皮肤表面温度; 激光和微波加热所产生的热应力集中于表皮顶层, 因为发热量沿皮肤深度方向呈指数衰减; 薄角质层(常常被忽略)对皮肤组织的热力学响应起主导作用.      

皮肤热疼痛热力学的统一模型

由热刺激而引致的皮肤疼痛是在日常生活以及医学上广泛应用的热治疗手段中常见的问题. 然而,有关皮肤热疼痛的物理机制并不明晰,也很少有模型分析. 该文提出了一种量化皮肤热疼痛感知的统一模型,涵盖3个相互关联的环节:(1)有害刺激的外部调节模型,将有害刺激通过神经脉冲转化为电能;(2)信号传输模型,将这些神经信号从皮肤的转换位置传导到脊髓和大脑;(3)神经信号在脊髓和大脑中的接收与调节模型. 利用这些模型,可以建立起有害刺激(如热刺激)和皮肤疼痛感知之间的直接联系.      

闭孔泡沫铝低速冲击防护的临界条件与优化设计

建立了高孔隙率闭孔泡沫铝抗低速撞击的分析模型,通过落重冲击试验验证了模型预测的准确性;采用所建立的模型,计算了闭孔泡沫铝作为大质量结构抗低速冲击构件的临界冲击速度,研究了不同冲击条件下结构响应的最小加速度和临界加速度。结果表明,闭孔泡沫铝适合作为大质量结构的低速冲击防护材料：当撞击速度低于临界冲击速度时,泡沫铝的作用应力不会超过其平台压缩应力,具有高孔隙率的泡沫铝甚至可使冲击响应加速度大幅降低,具有优良的防护效果;当撞击速度超过相应条件下的临界速度时,由于泡沫铝压缩密实阶段的应力增强作用,不仅使其作用应力迅速增大（为平台应力的5～15倍）,而且使冲击响应加速度迅速增加甚至超过1000g,从而对结构的安全防护构成威胁。最后,讨论了冲击质量比、泡沫铝孔隙率、泡沫几何尺寸等冲击参数对临界冲击速度和冲击响应加速度的影响。     

基于实验模态分析的点阵夹层结构动态性能预测

引入均一化等效理论,对金字塔型结构芯体夹层材料的芯体弹性常数进行均一化等效处理,并将其用于研究该夹层材料结构的动态性能.同时采用三维(3D)离散有限元模型计算了结构的动态性能.为验证了理论预测的正确性,设计并制备了金字塔点阵悬臂梁,进行了实验模态分析,将实验结果与理论计算的各阶自振频率进行了比较.结果表明:该模型对低阶自振频率的计算结果与实验结果、3D离散有限元模型计算结果吻合得都比较好,一阶自振频率误差不到5%,其它误差在10%左右.     

蜂窝层芯夹层板结构振动与传声特性研究

蜂窝层芯夹层板应用于飞行器、高速列车等交通工具的主体及底板结构时需要考虑其振动及隔声特性. 针对声压激励下的四边简支蜂窝层芯夹层板结构,应用基于Reissner夹层板理论的结构振动方程建立了的声振耦合理论模型(声压以简支模态双级数的形式引入振动控制方程),结合流固耦合条件求解了声振耦合系统控制方程,应用有限元模拟对理论预测进行了验证. 基于理论模型的数值计算结果,系统研究了蜂窝层芯夹层板结构的振动特性和传声特性,刻画了层芯厚度、蜂窝壁厚、夹层板面内尺寸和声压入射角度等关键系统参数对夹层板振动和传声特性的影响,为此类结构的工程优化设计提供了必要的理论参考.     

3种点阵金属三明治板的抗侵彻性能模拟分析

对3种不同的点阵金属芯体三明治板受钢质弹丸侵彻作用下的抗侵彻性能进行了有限元模拟研究, 包括空心金字塔三明治板、嵌入陶瓷柱金字塔三明治板和注入环氧树脂陶瓷金字塔三明治板. 随着结构、材料复杂性的递增, 以期望从中得出各子结构、各材料在三明治板抗侵彻过程中的吸能表现. 弹丸作用于板的入射速度及出射速度也是关注的重要参数, 用以量化确定三明治结构各组分对弹丸的弹道极限和抗侵彻能力的影响. 研究表明, 陶瓷材料因其具有高强度和高硬度等特点, 可以显著提高金属三明治板结构的抗侵彻能力; 环氧树脂材料可使离散的板结构保持整体性, 在三明治板受侵彻作用时, 吸收大量能量, 从而实现大幅提高结构的抗侵彻性能的目的; 因其材料/结构的完备性, 注入环氧树脂陶瓷金字塔三明治板具有最高的弹道极限速度, 抗侵彻能力也最强.      

轻质高强点阵金属材料的制备及其力学性能强化的研究进展

如何在现有的材料和结构基础上减轻重量并获得更优良的力学性能是材料和力学工作者面临的挑战.概述了国内外轻质点阵金属材料的主要制备技术,评价了点阵金属三明治板的关键焊接技术,并根据各类点阵金属材料的微结构特征分析了其静态力学性能.针对点阵金属材料力学性能强化的关键点进行了系统分析,总结和阐述了点阵金属材料强化研究的关键进展,讨论并展望了轻质材料和结构的研究发展趋势.