树脂基复合材料点阵结构的制造技术研究进展

树脂基复合材料点阵结构集点阵结构与复合材料优势于一体，是实现飞行器等高端装备结构轻量化、功能化与智能化的理想结构材料。然而，由于复合材料点阵结构的材料高度各向异性、结构跨尺度、几何拓扑构型复杂、多功能集成设计需求等特征，导致复合材料点阵结构的制造技术存在诸多难题与挑战。本文回顾了复合材料点阵结构的发展历程，重点围绕近年来国内外在制造技术方面的研究与突破，根据点阵芯体的核心成形工艺，在给出制造技术分类与优缺点分析的基础上，总结了影响点阵结构成形质量的关键工艺，进一步剖析了制约当前复合材料点阵结构制造技术发展的问题，最后对复合材料点阵结构制造领域的未来发展趋势进行了展望。     

点阵夹芯主动冷却结构发展现状与展望

点阵结构呈周期性规则形状,具有比强度高、比刚度高、轻质及换热效率高的特点,是当前国际上公认的具有广泛应用前景的结构。将点阵结构应用于主动冷却技术,形成点阵夹芯主动冷却结构是解决超燃冲压发动机热防护问题的有效手段。点阵结构的发展离不开制备工艺的进步,本文对传统机械加工工艺与增材制造技术用于点阵结构制备的原理与现状进行了综述,通过文献调研归纳总结点阵结构单元、设计尺寸以及与其他强化换热结构的协同作用对换热性能的影响;在此基础上分析点阵夹芯主动冷却结构在超燃冲压发动机中的潜在应用价值,针对其工程应用提出下一步的发展建议。     

铆接工艺参数对孔边细观结构影响规律研究

铆接结构的疲劳寿命在很大程度上取决于孔边的微裂纹及其扩展,而铆接工艺参数对微裂纹的萌生与扩展影响显著。从细观角度分析铆接工艺参数对孔边细观结构的影响,探索铆接工艺参数对孔边细观结构的影响规律。采用试验方法,构建孔边细观结构表征参数,选择壁板与墩头和钉杆接触处圆角半径(MR)、孔边塑性层厚度(Md、MD)为表征的3个参数,分别研究了铆接工艺参数压铆力(Riveting Force)、镦铆过程时间(Riveting Process Time)、上铆头空腔(Upper Riveting Cavity)对孔边细观结构表征参数的影响规律。通过铆接工艺参数对孔边细观结构影响规律的研究,在装配连接时通过控制工艺参数实现对细观结构的改善,进而提高铆接结构的疲劳性能。     

碳纤维增强点阵夹芯结构的屈曲强度

考虑到点阵芯层的结构形式及杆单元以拉压为主的变形模式,基于连续介质等效理论,提出了一种全新的位移场假设,并以此编写了计算点阵夹芯复合材料屈曲强度的有限元程序.通过与不同试样的压缩试验的比较,对碳纤维增强点阵夹芯结构的屈曲行为进行了分析,并且验证了程序的有效性.同时,采用程序,讨论了点阵参数(包括杆单元长度、半径及倾斜角)对点阵夹芯复合材料结构屈曲强度的影响规律.结果表明:芯层体积分数相同的情况下,金字塔型和四面体型点阵夹芯结构的屈曲强度相差不大,后者略高.所得结论对点阵夹芯复合材料结构设计具有一定的指导意义.      

基于高精度通用单胞模型的材料细观结构拓扑优化设计

 利用高精度通用单胞模型(HFGMC)建立了材料的宏观力学性能与细观拓扑结构之间的关系,采用遗传算法进行细观结构优化设计。以材料的极限剪切模量或体积模量为优化目标,从随机的细观结构出发,对实体材料体积分数进行约束,采用遗传算法进行优化,获得了满足设计要求的细观拓扑结构。利用细观结构的对称性减小了设计变量的规模,并对遗传算法的交叉过程进行了改进,有效提高了优化效率。以单相材料为例,验证了所提优化方法的有效性.     

镍基单晶合金蠕变细观结构演化及表征模拟

分析了NASAIR100在高温下不同应力和温度的蠕变及细观结构演化的异同,得到了材料4个主要的细观结构演化参数及其与蠕变的对应关系,在筏化模型的基础上建立了计及沉淀相筏化过程中厚度和基体通道宽度变化的细观结构演化模型,得到材料沉淀相和基体的细观演化过程及蠕变.结合试验结果,给出了不同细观演化方式对蠕变曲线的影响.在高温下同时考虑基体和沉淀相的4个细观参数变化可以使模型更贴近细观实际,并能较好地模拟材料在不同应力和温度下的蠕变.      

基于细观刚度模型的缠绕复合材料结构有限元分析方法

 缠绕复合材料结构分析是缠绕复合材料力学性能研究及应用的重要基础。发展了一种缠绕复合材料结构分析有限元方法,该方法基于缠绕复合材料细观刚度模型,通过建立细观刚度场与整体结构的映射关系,将缠绕复合材料细观刚度模型引入缠绕复合材料结构有限元分析中。采用各向异性单元,几何模型与网格划分等过程不需要进行复杂的处理,单元材料属性采用细观刚度模型计算,并通过已建立的细观刚度场和整体结构的映射关系输入。建立了缠绕复合材料结构有限元分析的流程,采用MATLAB程序编写了细观刚度场计算程序,采用ANSYS提供的APDL语言开发了几何建模、分网、读入刚度矩阵等相应分析程序,最后进行了算例分析。算例结果表明,缠绕复合材料内部各层应力应变呈周期性分布,应力应变在纤维交叉和波动区域有所变化,纤维波动对局部应力具有放大作用;纤维走向的交替造成内部剪切应力的正负交替;纤维弯曲引起的局部刚度下降造成局部的应变较大。与传统的经典层合板理论或有限元方法相比,在缠绕复合材料有限元分析中,采用基于傅里叶级数的细观刚度模型,可以反映材料内部细观结构对应力应变分布的影响;同时,方法简单,便于程序实现。     

水平集法在多相材料细观结构优化中的应用

利用高精度通用单胞模型将多相材料的细观拓扑结构和宏观力学性能联系起来,将一个单胞离散成有限个单元,通过单元中材料的有无来描述细观结构,利用水平集法将这个离散变量的拓扑优化问题转化为连续变量的形状优化问题,从而实现了多相材料的细观结构优化.以一种多相材料结构为例进行了细观结构的优化,并获得了具有负泊松比的特性,从而验证了所提出方法的合理性.      

碳纤维增强点阵夹芯结构的散热承载协同优化

在散热性能分析中,解析地给出了点阵夹芯结构的整体传热系数和等效压降,定义了散热性能指标.通过连续介质力学的方法和经典的层合理论,并通过串并联模型给出了碳纤维增强点阵夹芯结构整体的刚度特性.在满足既定的承载要求和一定的散热要求约束下,提出了一种对碳纤维增强点阵夹芯结构进行多功能优化设计的协同优化方法,在设计中采用了更符合工程实际的基于分枝定界法的混合离散优化方法,得到了夹芯结构质量函数的最小值,从而实现了轻质的目的.同时对不同结构形式的芯子做了相应的比较和分析,结果表明:金字塔型点阵夹芯结构在实现轻质的同时,具有较强的散热能力,而且承载能力更好,更为轻质高效.      

激光选区熔化制备钛合金点阵材料无损表征

通过激光选区熔化制备BCC和DOD结构的钛合金金属点阵,使用Micro–CT对两种结构的钛合金点阵材料进行扫描和三维重建。Micro–CT图像清晰地显示金属点阵内部结构,BCC和DOD单胞整齐地以周期性进行排列,且内部存在少量圆形、椭圆形缺陷。通过将实际样品三维数据与CATIA数模进行比对,发现钛合金点阵在制备过程中出现一定程度翘曲。此外使用共聚焦显微镜并基于Micro–CT图像对BCC和DOD两种金属点阵进行表面粗糙度测定。结果表明,Micro–CT在钛合金点阵材料内部结构、缺陷、制备误差、粗糙度测试等表征方面具有显著的应用价值。