低密度闭孔金属泡沫压缩屈服行为的数值模拟

对低密度闭孔金属泡沫的变形过程进行数值模拟是研究泡沫材料力学及失效行为的重要手段.基于Kelvin多倍胞体模型和有限元方法数值模拟了低密度闭孔泡沫铝的压缩变形的过程,给出了压缩变形曲线并确定了压缩屈服强度.在计算过程中,考虑了材料非线性和几何非线性效应以及胞体倍数对应力-应变关系的影响,并采用理想弹-塑性和线性强化弹-塑性两种材料本构关系来考察其对于泡沫铝非线性压缩力学行为的影响.结果表明,有限元计算的结果与一些文献的理论工作有较好的一致性,但是比实验值偏大.     

基于硬脂酸复合相变材料的被动热沉性能

固液相变储能材料的被动热沉广泛应用于航空航天及军事装备领域。针对高热流密度电子芯片的被动温控问题,对比实验验证了单温度和双温度2种数值模拟方法对基于泡沫铜/硬脂酸复合相变材料被动热沉控温过程模拟的准确性。结合基于Maxwell-Garnett模型的EMT建立了石墨烯纳米片/硬脂酸复合相变材料物性,采用更为精确的双温度数值模拟方法分析了不同导热强化方式的控温效果,并研究了环境温度对热沉控温效果的影响。结果表明:高热流密度下的相变温控过程采用双温度数值模拟更为精确;当导热增强体的体积组分相同时,提高泡沫金属的孔密度对相变温控效果提升有限,而同时采用泡沫金属与石墨烯纳米片能更有效改善相变控温效果;环境温度的剧烈变化对温控时间和控温温度均能产生影响。      

基于CT的泡沫铝三维细观模型重建及应用

为了建立更加真实的闭孔泡沫铝三维细观分析模型,提出了一种基于计算机层析成像（CT）的有限元模型构建新方法。首先,对CT扫描得到的泡沫铝试件的扫描图像进行Otsu算法分析,确定了区分基体材料和空气的灰度最佳阈值。其次,基于映射网格思想直接从扫描图像生成了试件的有限元分析模型,实现了泡沫金属三维细观分析模型的重建。最后,以此为基础进行了泡沫铝试件准静态压缩和动态冲击试验的数值模拟,结果表明,准静态压缩下泡沫铝的内部变形随机分布于整个试件,且与其三维结构密切相关;而动态冲击下变形在冲击端附近首先发生,体现出显著的局部化效应。本文方法能真实地描述泡沫金属内部的细观结构,实现了对泡沫铝试件在准静态压缩和动态冲击作用下的受力、变形与破坏过程更加详细的模拟分析。      

金属橡胶材料吸声特性的理论分析

对金属橡胶材料的吸声特性进行了理论研究.针对金属橡胶多孔性的特点,以瑞利模型为基础,根据圆管中声传播理论和亥姆霍兹共鸣器原理,建立了金属橡胶的吸声理论模型,推导出金属橡胶吸声系数的计算公式.并通过阻抗管法对不同结构参数的金属橡胶试验件进行了吸声性能的试验.试验结果验证了该理论模型的准确性.该吸声模型为金属橡胶在吸声降噪方面的工程应用提供了理论依据.     

金属橡胶材料吸声特性试验与分析

根据已经建立的金属橡胶材料的吸声理论模型,采用阻抗管法对不同参数下金属橡胶材料的吸声系数和声阻抗进行了试验测量和研究.进一步考察了金属橡胶结构参数(丝径、厚度、孔隙率、背后空腔深度等)对其吸声特性的影响及影响规律.并与该理论模型的计算结果进行了对比分析,验证了该模型的准确性,进而为金属橡胶在吸声降噪方面的工程应用提供了试验方法,为进一步完善该理论奠定基础.     

金属橡胶颗粒静态特性试验

针对目前航空航天领域板壳结构较多,其模态成分密集、振动复杂等问题,提出了一种可用于各种复杂结构振动抑制的新型金属橡胶构件——金属橡胶颗粒.为了解及掌握这种新型金属橡胶构件的性能和设计规律,开展了有关金属橡胶颗粒的静态性能试验研究.通过试验测量了金属橡胶颗粒的静态迟滞回线,获得了金属橡胶颗粒的刚度和阻尼的范围.通过对比不同参数下的刚度和阻尼的试验结果,总结材料参数(丝材、螺旋卷和相对密度)和工艺参数(变形量和安装密度)等对金属橡胶颗粒的刚度特性和阻尼性能的影响规律.金属橡胶颗粒静态特性试验研究为金属橡胶颗粒的设计和工程应用奠定了基础.     

微重力条件下泡沫复合相变材料蓄热装置数值仿真

相变材料由于相变过程中吸收或者释放大量能量且过程近似等温这一特性而有巨大的应用潜力,将相变材料蓄热装置应用于航天器是维持航天器内各个单元工作温度的一种有效方法.提出一种基于正二十烷的相变蓄热结构方案,分别填充泡沫铜与泡沫碳作为基体材料来强化相变材料的传热性能.通过对该模型进行数值仿真计算,得到相变蓄热装置温度、固液相界面位置随时间的变化等有效数据,分析泡沫相变蓄热材料在微重力条件下相变界面的演变过程.结果显示,得益于其较高的导热系数,泡沫复合相变材料可将热源热量有效分散到其他区域,减缓热源面温度上升速度,并且降低重力变化对传热的影响.所得数据结果为泡沫复合相变材料的工程应用提供了科学依据.      

移动电子设备相变热控单元热性能的数值仿真

采用相变材料(PCM,Phase Change Material)的热控制单元(TCU,Thermal Control Unit)可以很好地实现对可移动电子设备的热控制,避免设备过热而引起的热故障.建立了分析TCU热性能的二维数学模型,并进行了数值计算.结果表明:加肋和填充泡沫-PCM复合材料的设计方案可以显著提高TCU热性能,能很好地满足电子元件的工作要求.此外,还对加肋和填充泡沫-PCM提高TCU性能的效果进行了比较,结果表明:填充泡沫-PCM复合材料的方案更具优势.所得结论对移动电子设备TCU的设计和优化有一定的指导作用.     

一种新型储能装置充冷过程的实验及分析

近年来,泡沫金属作为填充材料在强化传热方面的功效已被越来越多的研究证实.采用泡沫铜和水构成新型复合相变材料,制成一种高效储能装置,通过模拟实验研究,测试了这种储能装置在冷藏装备上的保温效果.进而采用准稳态法建立了复合相变材料的数学模型并进行了数值仿真计算,计算结果与实验测试结果相符.实验和数值仿真结果都表明,相对传统储能装置,新型储能装置充冷迅速而充分,整体的传热速率和储能效率得到了显著提高,在冷藏运输中有非常好的应用前景.      

金属橡胶力学特性的热处理工艺影响

针对应用于高温工作环境的金属橡胶的热稳定性问题,结合其冷态成型工艺特征,提出通过去应力退火消除加工残余应力、稳定高温性能的金属橡胶热处理工艺,并以高温合金GH4169制备的金属橡胶为例,通过试验对比研究了热处理工艺对其力学性能的影响.结果表明,去应力退火工艺使金属橡胶构件的刚度提高1.5倍以上,但是对损耗因子几乎没有影响.经过退火处理的金属橡胶构件在高温工作环境下具有稳定的刚度和阻尼性能,并且刚度和阻尼的变化规律受安装约束条件影响.而未经热处理的金属橡胶构件在高温工作条件下将偏离几何尺寸及力学性能的初始设计值.因此,应用于高温环境的金属橡胶阻尼构件为了满足初始设计的力学性能并保持稳定,有必要进行合理的热处理.     

各向异性弹性开孔泡沫压缩行为的数值模拟

基于各向异性开孔泡沫的随机模型,对低密度弹性开孔泡沫材料的压缩力学行为进行了有限元数值模拟,得到了其应力-应变曲线及弹性坍塌强度.讨论了模型的随机度、各向异性比及相对密度对力学性能的影响.结果表明,沿不同方向加载时,各向异性胞体的微观变形机制不尽相同,且变形较大时,支柱的弹性屈曲占主导地位;模型随机度的增大,使两个方向的压缩无量纲应力-应变曲线均有所降低,且 λ =1时的无量纲应力-应变曲线与实验曲线吻合得较好.此外,开孔泡沫各向异性比的增大可使胞体伸长方向的弹性坍塌强度增大,而垂直方向的弹性坍塌强度则减小.      

聚碳酸酯微孔塑料的拉伸力学性能及本构关系

微孔泡沫塑料是一种特殊的发泡材料,具有许多独特的力学性能.根据聚碳酸酯微孔泡沫塑料的拉伸实验数据,对材料的拉伸力学性能进行了研究,讨论了密度、应变率等因素对微孔泡沫塑料拉伸应力-应变关系的影响,并基于Boltzmann叠加原理利用松弛模量对拉伸应力-应变曲线进行了本构关系的拟合,得到了比较满意的结果.      

Regolith-derived ferrosilicon as a potential feedstock material for wire-based additive manufacturing

Ferrosilicon is a primary metallic alloy produced during the reduction of metal oxides contained in lunar and Martian regolith by a variety of techniques. This study examines the usefulness of ferrosilicon as a candidate feedstock material for wire-based 3D printers designed for in-space manufacturing. Alloys of composition ranging from pure iron to 12?wt% Si were synthesized and their electrical and mechanical properties characterized. The melts were cast into rods for mechanical testing to determine ultimate strength and ductility. It was determined that the samples above 3?wt% Si were too brittle to be pulled into wire and ruptured at low strain values. The 3?wt% Si sample and iron had comparable mechanical properties relative to samples of higher silicon content but with differences in ductility and ultimate strength. Microstructure and compositional studies revealed the differences between the ductile and brittle samples as being the complete ferrite phase presence on the iron and low-Si content samples. This study establishes an upper limit on the Si content at 3?wt% in ferrosilicon materials to be used in wire feedstock in additive manufacturing for in-space applications.     

Technology of Modeling for Shape Memory Alloy Reinforced Composites

在对形状记忆合金增强复合材料层合板进行应力、应变和温度关系实验的基础上 ,建立了形状记忆合金增强复合材料四边形和三角形板单元模型 ,并推导了相应的有限元公式 .在此基础上编制了能够进行静态和动态分析的有限元程序 ,并利用该程序对形状记忆合金增强复合材料悬臂梁进行了分析 ,结果是令人满意的 .随着对形状记忆合金研究的进一步发展 ,这种材料必将在智能材料和结构设计中发挥越来越重要的作用 .     

辐照对蜂窝夹层结构力学性能的影响

通过对一种碳纤维复合材料面板铝蜂窝夹层结构辐照前后力学性能的试验 ,得到了辐照影响该种蜂窝夹层结构力学性能的变化规律。在试验的基础上 ,讨论分析了空间辐照对碳纤维面板铝蜂窝夹层结构力学性能的影响机理。通过试验和比对 ,从中找出了具有一定普遍性的规律 ,提出了如何提高该蜂窝夹层结构抗空间辐照的研究方向。     

聚氨酯泡沫塑料剪切力学性能的研究

对聚氨酯泡沫塑料进行了低速扭转实验, 研究了这类材料的剪切力学行为, 确定了材料的剪切弹性模量和剪切破坏强度等力学性能参数.并且, 对扭转试件断口进行了扫描电镜分析,研究了泡沫塑料剪切破坏的机制.最后, 利用作者得到的理论公式,对聚氨酯泡沫塑料的剪切力学性能进行了理论预测.结果表明,理论预测值与实验结果相当一致.      

火星土壤物理力学特性分析

火星土壤既是火星表面探测活动的主要探测对象,也是表面探测器设计中需考虑的重要因素之一。火壤的物理力学特性将直接影响着陆器着陆缓冲系统、火星车移动系统等的设计。此外,在着陆器和火星车等表面探测器的地面研制过程中,需要研制模拟火壤,形成模拟的火星表面环境,开展相关的着陆器着陆缓冲性能、火星车移动性能等验证试验。迄今为止,人类已经有多个探测器登陆火星,获取了大量的有关火壤的信息,也研制了多种模拟火壤。通过对已有火壤和模拟火壤的物理力学特性分析,梳理出火壤物理力学特性的参数范围,可为我国火星探测器的研制提供参考。     

纤维增强复合材料疲劳寿命预测及损伤分析模型研究进展

随着纤维增强复合材料主承力结构在多领域内的广泛应用,疲劳成为复合材料结构设计必须面对的问题,出现了大量用于复合材料结构疲劳寿命预测及损伤演化的分析模型与方法。目前的复合材料疲劳性能分析模型可以分为疲劳寿命模型、唯象模型和渐进损伤模型。对这3类模型的发展情况进行了综述和对比分析。其中,疲劳寿命模型原理相对简单,适用于工程结构的寿命估算;唯象模型建立了材料剩余强度/刚度与循环数的数学关系,可以预测结构的寿命与材料剩余力学性能;渐进损伤模型不仅可以预测结构寿命和材料剩余力学性能,还能分析结构疲劳损伤机理。对各类疲劳性能分析模型的发展趋势进行了讨论。指出了降低实施成本和提高通用型是各类疲劳性能分析模型有待解决的问题。      

金属蜂窝板高温环境下的隔热性能试验与计算

采用红外辐射加热式气动热模拟试验系统,进行了高温环境下的金属蜂窝板隔热性能试验研究,试验温度最高达到800℃;采用有限元的方法进行了金属蜂窝板传热特性数值模拟,计算中考虑了蜂窝板内部金属蜂窝芯结构的导热,蜂窝腔内壁面间的辐射换热和蜂窝腔内空气的传热.研究结果显示,金属蜂窝板后表面的试验测试数据与数值模拟结果吻合的很好.金属蜂窝板在高达800℃高温热环境下的隔热性能数值计算和试验结果将为航天航空器的防热结构研究提供参考依据.