开孔Voronoi泡沫支柱形状变化对力学性能的影响

针对开孔泡沫材料提出了新的支柱形状控制方程,并在Voronoi随机泡沫模型基础上,研究了支柱形状变化对其各向同性弹性性能、非线性压缩和拉伸力学行为的影响;讨论了支柱细腰程度和模型随机度共同作用的影响效果,并比较了两种因素作用效果的大小.结果表明,支柱细腰程度的增大明显降低了泡沫材料的弹性模量和无量纲应力.同时,支柱细腰程度对泡沫力学性能的影响要大于模型随机度的影响,并随模型随机度的增加而增大.      

利用随机模型计算低密度开孔泡沫材料的弹性模量

利用Voronoi随机几何模型来描述低密度开孔泡沫材料的内部微结构,并用有限元方法计算了低密度开孔泡沫材料的弹性模量。同时,讨论了泡沫材料相对密度和胞体支柱横截面形状对材料整体模量性质的影响。结果表明,相对密度小的开孔泡沫材料,其计算结果与经验公式吻合得很好。     

石墨烯/二氧化硅三维杂化材料的制备及其在改性酚醛泡沫中的应用

为了得到结构和力学性能良好的酚醛泡沫,利用原位生成的方法制备了石墨烯/二氧化硅(GNPs/SiO_2)杂化材料,并将其用于酚醛泡沫的制备当中。对杂化材料进行了红外光谱分析,透射电镜以及X射线衍射分析,验证了石墨烯表面SiO_2球体(粒径在150~180 nm)的存在。对泡沫的结构和压缩性能进行对比分析,发现三维杂化材料相比二维石墨烯能够更好的改善酚醛泡沫的泡孔结构,杂化材料为0.5wt%时,GNPs/SiO_2改性酚醛泡沫的泡孔尺寸更小,结构更均匀;同时杂化材料改性酚醛泡沫表现出更优异的力学性能,其压缩强度和弹性模量分别达到0.22和4.1 MPa,比纯酚醛泡沫分别提高了91%和86%。     

聚碳酸酯SHPB系统测量泡沫铝合金动态压缩性能

为更加合理、有效地使用泡沫铝,了解其动态冲击下的力学性能是必要的。为提高泡沫材料分离式霍普金森压杆（SHPB）实验的有效性和精度,采用聚碳酸酯SHPB实验系统对泡沫铝合金进行了动态压缩实验,给出了不同冲击速度下的压缩应力 应变曲线,并研究了泡沫铝合金的动态压缩力学特性和变形机制。实验结果表明,高孔隙率的泡沫铝合金的应变率敏感性不强,其动态屈服强度可用静态压缩的实验结果代替。但本结论能否向其他泡沫铝推广,尚有待进一步研究。     

二维三轴编织复合材料压缩失效行为的细观有限元模拟

为研究典型二维三轴编织复合材料（2DTBC）的压缩破坏机理,建立了细观有限元模拟方法体系。提出了反映编织复合材料真实几何特性的单胞模型建模策略,根据Murakami-Ohno损伤理论建立了各向异性损伤模型来模拟纤维束中的损伤起始和扩展行为,通过引入波动系数描述了纤维束的起伏状态,并采用内聚力单元来模拟界面分层。在此基础上,分析得到了二维三轴编织复合材料在压缩载荷下的破坏过程,研究了压缩载荷下纤维束和界面层的损伤演化,探讨了纤维束波动对压缩性能的影响规律。通过与相关试验结果对比,该模型能够准确预测二维三轴编织复合材料在面内压缩载荷下的力学响应和主要失效行为,以及自由边效应。细观失效过程分析结果表明,二维三轴编织复合材料轴向压缩的破坏是由轴向纤维束的纤维压缩失效主导的;横向压缩破坏则是由偏轴纤维束的纤维压缩失效引起的。     

金属丝网橡胶的本构关系

通过对圆环形金属丝网橡胶成型制造过程的分析,在圆环嵌套模型基础上,结合干摩擦非线性理论和小曲梁模型建立了金属丝网橡胶材料的非线性本构关系,对不同相对密度的金属丝网橡胶试件进行了静态压缩实验,通过实验数据确定了本构关系方程的各项系数并实验结果进行比较.研究结果表明:建立的本构关系模型可以很好地描述金属丝网橡胶的非线性力学特性,实验结果能够较好地符合理论结果,并且该模型反映了相对密度、网格大小和网格宽度等参数的影响,从而实现了对材料结构刚度的预估.      

空心微珠填充聚氨酯复合泡沫塑料的宏、细观力学性能

针对不同空心玻璃微珠填充比的聚氨酯复合泡沫塑料进行了宏观压缩实验,研究了材料的准静态压缩性能。讨论了微珠与基体粘接界面质量以及微珠内外径比对材料性能的影响,发现界面粘接不良导致了材料性能的下降,并基于Mori-Tanaka方法和幂函数模型对不同粘接状况下材料弹性模量的上下限进行了预测。此外,还在扫描电镜下观察了材料形貌,并进行了细观压缩实验,观察了表面胞体的变形和失效情况,从而对这类材料的变形和破坏机理有了进一步的认识。     

芳纶短纤和浆粕增强聚氨酯泡沫的结构和性能研究

采用芳纶短纤(AF)和芳纶浆粕(AP)对聚氨酯泡沫进行增强,制备了两种增强聚氨酯泡沫,考察了其的泡孔结构、压缩强度以及热稳定性能。结果表明:随着芳纶纤维和浆粕填充量增加,聚氨酯泡沫的密度和压缩强度呈先增加后减小的变化趋势;当AF和AP的填充量为6wt%时,聚氨酯泡沫底部的压缩强度最大,分别为0.394和0.353 MPa,此时发泡过程中黏弹性增加,表面张力减小导致泡孔孔径明显变小且均匀性提高,纤维分布在泡棱上通过与树脂形成良好的结合起到增强效果;AF和AP的加入有助于提高聚氨酯泡沫的热稳定性,AF增强聚氨酯泡沫具有更好的热稳定性。     

微球型炭泡沫复合材料力学性能的研究

为表征微球含量对碳泡沫复合材料的影响,以自制热固性酚醛树脂与不同体积分数的酚醛空心微球配比混合,采用模压成型法,制备酚醛泡沫材料;再将其在Ar气保护下高温碳化处理,得到微球型碳泡沫复合材料;研究碳泡沫复合材料的微观结构及空心微球的体积分数对碳泡沫的压缩性能、断裂韧性的影响。结果表明：随着空心微球含量的增加,复合材料的压缩断裂特征由梯度式脆性断裂模式向假塑性断裂模式转变,其断裂韧性也得到了明显改善;空心微球含量为80v01．％的碳泡沫韧性最佳;适当提高空心微球含量,可改善碳泡沫的比压缩强度,空心微球含量为70v01．％的碳泡沫的比压缩强度可达43．32MPa·cm3·g-1。     

各向异性Kelvin开孔泡沫模型的弹性性能

在弹性小变形情况下,基于构造的各向异性Kelvin模型对开孔泡沫材料的变形进行了分析。综合考虑了胞体中斜支柱的轴向、弯曲和剪切变形以及水平支柱的轴向变形的影响,利用最小势能原理得到了材料的弹性性能与各向异性比及相对密度的关系。研究结果表明,各向异性比越大,沿胞体伸长方向的相对弹性模量和泊松比越大,而在垂直于胞体伸长方向上的相应值反而越小;两个方向上的相对弹性模量均随相对密度增加而增大,泊松比的变化趋势则正好相反。本文预测结果较好地符合了实验数据的变化趋势,且与已有的G-K模型比较接近,证明了该模型的有效性。     

Topology optimization of joint load control with geometrical nonlinearity

This paper presents an extended topology optimization approach considering joint load constraints with geo-metrical nonlinearity in design of assembled structures. The geometrical nonlinearity is firstly included to reflect the structural response and the joint load distribution under large deformation. To avoid a failure of fastener joints, topology optimization is then carried out to minimize the structural end compliance in the equilibrium state while controlling joint loads intensities over fasteners. During nonlinear analysis and optimization, a novel implementation of adjoint vector sensitivity analysis along with super element condensation is introduced to address numerical instability issues. The degrees of freedom of weak regions are condensed so that their influences are excluded from the iterative Newton-Raphson (NR) solution. Numerical examples are presented to validate the efficiency and robustness of the proposed method. The effects of joint load constraints and geometrical nonlinearity are highlighted by comparing numerical optimization results.     

聚酰亚胺泡沫吸声性能与理论分析

采用前驱体微球法制备闭孔聚酰亚胺泡沫,并对其吸声性能进行了研究。结果表明,闭孔聚酰亚胺泡沫具有共振吸声特点;对闭孔聚酰亚胺泡沫的吸声系数进行了理论推导,研究了泡沫厚度对泡沫吸声性能的影响,分析了聚酰亚胺泡沫的吸声理论;采用闭孔泡沫与开孔泡沫组合后,泡沫整体吸声性能显著提高。     

两种典型缺陷对六边形蜂窝压缩性能的影响

文摘通过数值模拟研究了孔洞和部分填充孔穴这两种典型缺陷对弹性蜂窝(橡胶)和弹塑性蜂窝(金属)的压缩性能的影响规律。结果表明,相对于分散孔洞,集中孔洞对蜂窝材料的力学性能影响更大,且它们的存在完全改变了其变形模式;而对于含填充孔穴的蜂窝材料而言,其弹性模量得到显著增强,弹性蜂窝的屈曲应力也得到增强,但弹塑性蜂窝的塑性坍塌应力则保持不变或有所下降。     

泡沫铝几何参数对填充式结构防护性能影响的数值模拟

 泡沫铝是一种新型航天器防护材料,拥有良好的抵御空间碎片超高速撞击的特性。模仿泡沫金属的生产原理建立了泡沫金属细观结构几何模型,结合自编的光滑质点流体动力学(SPH)程序进行了超高速撞击数值模拟,研究了平均孔洞直径和孔隙率对填充泡沫铝结构防护性能的影响。结果表明平均孔洞直径对防护性能影响较大,总体而言平均孔洞直径越小则防护性能越好。孔隙率只在高速时才有较大影响,并且存在最优值。通过不同泡沫铝几何参数下碎片云特性的对比分析表明,使碎片云的法向动量越有效分散,结构的防护能力越强。     

刚性隔热材料的力学性能

采用纤维烧结法制备了刚性隔热材料,研究了材料密度、纤维取向、测试温度、与气凝胶复合等因素对材料力学强度的影响规律.结果表明:隔热材料力学强度随着密度的提高而增加;隔热材料平面方向拉伸和压缩强度均达到厚度方向的4倍以上;800和1 000℃下,材料的压缩强度保持率分别达到90%和50%;与气凝胶复合后隔热材料在拉伸强度维持不变的情况下,压缩强度增加35%以上.     

催化剂对聚氨酯泡沫塑料浇注工艺及性能的影响

通过调整催化剂三乙烯二胺溶液和二月桂酸二丁基锡的用量进行浇注试验.结果表明,室温浇注泡沫塑料的性能(密度、压缩强度、闭孔率、拉伸强度、热导率、等效热导率、线胀系数)与低温浇注泡沫塑料的性能相当,实现了聚氨酯泡沫塑料的室温浇注.     

Study on Compressive Properties of Z-pinned Laminates in RTD and Hygrothermal Environment

Compressive tests of [0] 12 and [90] 12 unidirectional laminates and [45/0/-45/90] 2S quasi-isotropic laminates are accomplished in both room-temperature and dry (RTD) and hygrothermal environment. And simulation studies on the compressive strength of Z-pinned laminates of [0] 12 and [45/0/-45/90] 2S are conducted by using finite element analysis (FEA). A microstructural unit cell for FEA is created to simulate a representative laminates unit with one pin. Within the unit cell, the first directions of the elements’ material coordinate systems are changed to simulate the fibres’ deflecting around the pin. The hygrothermal effect is simulated by the material properties’ adjustments which are determined by the compressive tests of non-pined laminates. The experimental results indicate that the percentage of reduction in the compressive modulus of Z-pinned laminates caused by Z-pin becomes smaller with the percentage of 0° fibres decreasing in the laminates; the compressive strength of quasi-isotropic laminates reduces and the percentage of the reduction in the compressive strength declines with Z-pin volume content increasing, and the moisture absorption ratio of the Z-pinned specimens is greater than that of the non-pinned specimens, because the cracks around Z-pin increase the moisture absorption. In addition, the simulations show that the deflection of fibres around Z-pin is the main factor for the reduction in the compressive strength of Z-pinned unidirectional laminates, the dilution of fibre volume content caused by resin-rich pocket is the principal factor for the decline in the compressive strength of Z-pinned quasi-istropic laminates, and the compressive strength of Z-pinned specimens in hygrothermal environment reduces as the result of superimposition of some factors, including the changes in material properties caused by hygrothermal environment, the deflection of fibres and the resin-rich pocket caused by Z-pin.     

短切玻璃纤维增强聚醚醚酮承力支架研制

为加工某航天器高性能承力支架零件,本文对不同玻璃纤维含量的短切玻璃纤维增强聚醚醚酮(SGF/PEEK)的力学性能进行了分析,利用Moldflow分析软件对承力支架注塑模具、注塑工艺参数进行了优化。结果表明,30wt%的SGF/PEEK作为承力支架材料时力学性能最优,模流分析有效预测注塑过程,改善主流道及二级流道尺寸可有效提升保压效果,保压压力和模具温度对承力支架翘曲变形的影响最为显著,得出一组优化的工艺参数,采用该参数成型的零件已成功应用于某航天器燃料贮箱中并通过了飞行考核。     

SACMA和QMW试验方法对复合材料层合板低速冲击后压缩行为的影响

采用了 SACMA标准和一种小试样试验方法对复合材料层合板低速冲击后的压缩 (CAI)行为进行试验研究 ,从层合板的冲击损伤分布、冲击后压缩破坏过程 ,以及层合板的准静态横向压缩、开孔后压缩等多方面进行对比 ,结果表明 ,这两种试验方法存在很大差别 ,试验方法不同 ,层合板低速冲击后的压缩行为也不同 ;采用 SACMA标准所测得的低速冲击后压缩强度更能全面反映基体韧性的优劣。作为 CAI试验标准 ,小试样试验方法还有待改进     

三维机织复合材料侧压性能有限元分析

使用Pro/E 5.0构建出一种三维角联锁机织复合材料细观结构模型,利用ANSYS分析侧压载荷下复合材料中纤维与树脂应力应变分布情况,预测复合材料在侧压载荷下的力学行为,并对比复合材料侧压性能。结果表明:复合材料侧压性能表现出各向异性,纬向侧压性能好于经向;复合材料中纤维承载更多的载荷作用,树脂发生更大的变形;轴向平行于侧压方向的纤维承受更大的载荷作用,轴向垂直于侧压方向的纤维承受较小的载荷作用。