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.      

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。      

各向异性随机泡沫模型的弹性性能分析

为了利用随机模型来分析泡沫材料微结构的各向异性对其力学性能的影响,在各向同性的Voronoi随机泡沫模型基础上,通过引入胞体生长速度的差异,得到各向异性的开孔和闭孔随机泡沫模型.利用有限元方法对模型的弹性性能进行了数值分析,得到相对杨氏模量和泊松比同各向异性尺寸比的关系,并和理论预测结果进行了对比分析.结果表明,建立的开孔和闭孔随机泡沫模型能较好地反映泡沫材料的各向异性力学性质;且开孔和闭孔泡沫的各向异性力学性能均与泡沫材料的相对密度有关.      

泡沫子弹撞击刚性靶板的理论模型

Taylor撞击常用于测试材料的动态屈服强度。泡沫压缩密度与压缩应变的关系对泡沫子弹Taylor撞击的理论分析起着重要的作用。本文通过引入塑性泊松比,得到了泡沫压缩密度与压缩应变的准确关系,进一步建立了可压缩泡沫子弹撞击刚性靶板的理论模型。当塑性泊松比为常数时,文中建立的泡沫受压后密度比的一阶泰勒展开式可以退化到已有模型。当塑性泊松比为塑性应变和子弹相对密度的函数时,相对密度会影响泡沫子弹的冲击响应历程及最终变形,但对撞击持续时间影响较小。同时,初始速度也会影响子弹最终变形和撞击持续时间。本文的理论工作可以为分析泡沫材料的动态力学行为提供有益指导。      

支柱截面随机度对开孔Voronoi泡沫弹性性能的影响

基于Voronoi随机泡沫模型,引入支柱截面面积不均匀分布的随机变量,研究了其对泡沫材料的非线性压缩和拉伸行为以及各向异性弹性性能的影响,并与模型随机度的影响进行比较,讨论了两种随机因素共同作用时的影响效果.结果表明,对非线性压缩和拉伸行为,支柱截面随机度对无量纲应力都起降低作用,并且其影响随应变的增加而增大,对泊松比在压缩时起减小作用而在拉伸时起增大作用;支柱截面随机度对胞体伸长方向和垂直于胞体伸长方向的弹性模量均起减小作用,但对泊松比的影响不明显.两种随机因素共同作用的影响效果在拉伸时减弱,而在各向异性弹性情况下增强.     

板料激光弯曲过程的数值模拟

采用MSC.Marc非线性有限元软件,对板料激光弯曲过程进行了数值模拟.试验与数值模拟的相互印证表明:数值模拟的模型正确,计算过程可靠,计算结果可为板料激光弯曲工艺参数的选择提供依据.通过模拟多道次直线照射的过程可知,变形效果受照射路径次序的影响很大,应选择从固定端向自由端方向交替的双向照射路径,以保证板料在宽度方向上变形的均匀.模拟结果可为带筋结构壁板激光弯曲成形提供实用方案.     

航空结构件加工变形仿真关键技术

对航空结构件铣削加工变形仿真的关键技术进行了深入研究.编制残余应力施加通用程序,建立包含有初始残余应力的加工变形有限元预测模型;由于铣削加工,毛坯体变为薄壁工件,在进行有限元仿真过程中,提出体-壳单元与实体单元的混合单元建模方法,以提高计算效率及便于后续研究;针对工件与工作台单面约束的接触作用及其它工程中的类似单面约束问题,提出将工件视为弹性体,工作台视为刚性体,转化为接触方式进行纯压缩边界条件的模拟,对某典型工件进行了有限元仿真并与模态试验结果对比,验证了其有效性和准确性;基于生死单元技术进行材料去除模拟.通过上述关键技术的理论研究及应用,实现了航空结构件加工变形过程的有限元仿真.      

基于有限元仿真的航空整体结构件变形校正

针对航空整体结构件变形复杂、校正效果难以定量预测的工程问题,基于有限元仿真技术,综合研究加工变形—校正过程,对航空整体结构件的变形校正有限元建模、校正过程数值模拟、校正参数确定、校正载荷施加形式及校正残余应力等关键技术进行了研究,并运用上述技术对某航空铝合金材料整体结构件进行了变形校正有限元数值模拟.结果表明,综合研究加工变形—校正过程,提取变形有限元模型作为初始校正模型,进行有限元加载—卸载分析,可很好地模拟校正过程,并获得实际需要的校正参数.      

蜂窝结构异面变形动态塑性坍塌力学

在蜂窝结构静态塑性坍塌应力理论计算模型的基础上,建立了蜂窝结构在冲击载荷作用下的动态塑性坍塌应力的理论计算模型.考虑应变率对蜂窝结构动态力学性能的影响,使用Cowper-Symonds模型建立了静态塑性坍塌应力与动态塑性坍塌应力之间的关系;基于薄板弯曲理论,由平均冲击速度得到了应变率的计算公式,进而得出动态塑性坍塌应力关于冲击速度与静态塑性坍塌应力的函数关系.使用LS-DYNA动力学软件模拟了铝合金蜂窝结构在冲击载荷作用下的异面变形,数值计算结果与理论模型计算结果一致.     

薄板激光弯曲温度场的数值模拟与校验

采用MSC.Marc非线性有限元软件,对薄板激光弯曲过程中的温度场进行了数值模拟 ,得到了引起薄板激光弯曲变形的温度场的变化规律.通过温度传感器测量与激光扫描线相 对应的薄板下表面温度变化的规律来验证数值模拟的结果.模拟值与实测值基本吻合,表明 数值模拟结果可作为激光加工工艺参数选择的依据.     

两种增强泡沫塑料静动态力学性能的比较

通过静、动态压缩实验对两种增强聚氨酯泡沫塑料的压缩力学性能进行了研究，分析了两种材料应力－应变曲线的特点，并比较它们的应变率敏感性和动态加载时的能量吸收特性，实验结果表明：玻璃纤维束增强聚氨酯泡沫塑料具有不同于单丝玻璃纤维增强泡沫塑料的力学性能和变形破坏机制，单丝玻璃纤维增强泡沫塑料具有较好的增强效果。     

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。      

复合泡沫塑料力学行为模拟的ANN方法

对人工神经网络(ANN)方法在复合泡沫塑料力学行为模拟中的应用进行了研究.首先,选取影响材料力学行为的因素和所需模拟、预测的力学性能作为输入、输出量;然后,利用反向传播算法建立了四层神经网络模型,对复合泡沫塑料的力学性能和本构关系进行了模拟和预测.数值结果表明,训练后的神经网络模型能较好地模拟、预测材料的模量、屈服强度和不同应变率及不同温度下的压缩应力-应变曲线.此外,3种不同改进训练方法的比较说明,Bayesian规则化法的泛化能力最好,LM法收敛最快,而自适应梯度下降动量法则需要较长的迭代时间才能达到相同的精度.      

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.      

带防热层复合材料锥壳热固化变形的数值模拟

采用数值模拟方法研究带防热层缠绕成型复合材料锥壳热固化变形的形成机理和影响因素.建立了带防热层复合材料锥壳热固化变形预测的三维有限元程序.计算结果表明:外层防热材料和内层结构材料热膨胀系数不匹配是引起壳体固化变形的主要原因.提出在内层和外层之间增加中间过渡层的方法控制壳体的固化变形,中间层材料为丁腈橡胶片时可使固化变形减小20%以上.采用数值模拟方法讨论了中间层模量、厚度以及缠绕张力对壳体固化变形的影响,分析结果表明:固化变形随中间层模量的增加而增加,随中间层厚度的增加略有减小;缠绕张力释放增加壳体的固化变形,缠绕张力越大引起的固化变形越大.     

冷镜式露点仪测量精度影响因素分析

介绍了冷镜式露点仪的原理,分析了露点仪测量中的影响因素,针对开尔文效应推导了开尔文方程,通过计算的方法,验证了开尔文效应的影响大小。此外,还分析了乌拉尔效应和过冷水形成过程及原理,并提出了减小这些影响的措施和方法。     

准直光学系统热变形对太阳模拟器性能影响研究

为了给太阳模拟器系统热管理提供可靠的技术依据,研究了准直光学系统热变形对系统性能的影响。选取项目组自主研发的高精度太阳模拟器准直光学系统作为研究对象,利用有限元软件仿真实际工作条件下各光学元件表面温度及热变形分布,将通光表面变形数据拟合为泽尼克系数导入光学设计软件中,分析热变形对系统准直角误差及辐照均匀度影响。研究结果表明:在未采取温控措施的自然对流条件下,热变形造成±1’的准直角误差和41.3%的辐照不均匀度,超出允许范围,需进行温控。通过光机集成分析法,给出了不同温度下,对流系数与热变形导致的准直角误差和辐照不均匀度对应关系,为风冷温控系统工程化设计提供了依据。