含细观孔隙Al/Al2O3梯度功能材料弹性模量研究

利用渐近均匀化方法对含细观孔隙Al/Al_2O_3梯度功能材料(FGM)的弹性模量进行了研究。通过与实验对比,验证了渐近均匀化方法预测含细观孔隙Al/Al_2O_3梯度功能材料弹性模量的可行性,并在忽略孔隙个数等次要因素的情况下,拟合得到了与孔隙率和Al_2O_3体积分数相关的含细观孔隙Al/Al_2O_3梯度功能材料弹性模量的预测公式。研究结果表明:细观孔隙在Al/Al_2O_3梯度功能材料的弹性模量预测中并不能被忽略。在相同孔隙率下,孔隙的个数对Al/Al_2O_3梯度功能材料的弹性模量影响较小,而孔隙的大小和位置对弹性模量有着明显的影响,在Al_2O_3的任何体积分数下,Al/Al_2O_3梯度功能材料的弹性模量含随机孔隙的均低于均匀分布孔隙的。孔隙率也对Al/Al_2O_3梯度功能材料的弹性模量有着明显的影响,随着孔隙率的增加,材料的弹性模量逐渐下降,且随Al_2O_3体积分数的增加下降幅度增大。     

F-12纤维的湿热老化及拉伸性能

通过湿热老化研究了F-12纤维在60、80℃相对湿度90%环境条件下的吸湿行为,并研究了此条件下拉伸强度、断裂伸长率以及弹性模量随老化时间的变化规律.结果表明:F-12纤维的吸湿行为符合Bagley和Long提出的两阶段吸湿模型;拉伸强度、断裂伸长率以及弹性模量在老化过程中并非呈持续下降趋势,而是起伏波动的,弹性模量与拉伸强度总体上有相同的波动规律;湿热老化中温度对拉伸强度影响较为明显,拉伸强度随着温度升高而降低,但温度对模量、断裂伸长率变化的影响规律不明显.     

压辊材料及形状对纤维铺放压紧效果的影响

近年来纤维铺放（AFP）技术被广泛用于大型复杂飞机复合材料构件成型。为了保证纤维铺放过程的一致性,纤维铺放压辊必须在适应芯模型面的同时具有较好的压紧力分布均匀性。鉴于此,对不同弹性模量的压辊材料进行了试验分析,薄膜压力传感器及超声显微镜测试结果表明,低弹性模量的压辊材料变形较大,较好地适应了芯模表面,压力分布相对均匀且可以减少铺层的层间孔隙数量,硅橡胶压辊比聚乙烯压辊压紧力分布均匀性提高了50%~60%,铺层孔隙率降低了92.1%。针对孔隙分布主要集中在压辊两端及压紧力在压辊两端下降幅度较大的问题,采用ANSYS Workbench对压辊端部进行斜端面优化,得到最优倾斜角度为20°;测试结果表明斜端面压辊压力分布均匀性比直断面压辊提高了42.9%,铺层孔隙率下降了51.6%。     

双向梯度复合材料裂纹尖端应力强度因子研究

为了进一步改善梯度复合材料力学分析及设计水平,推导了一种适用于双向梯度复合材料断裂特性分析的梯度扩展单元法(XFEM).采用细观力学方法描述材料沿梯度方向变化的力学属性,通过线性插值位移场给出了4节点梯度扩展单元随空间位置变化的刚度矩阵,建立了结构的连续梯度有限元模型,并采用交互能量积分计算得到了裂纹尖端的应力强度因子(SIF).通过与已有文献结果对比验证了梯度扩展单元的优越性,并讨论了双向梯度结构中相关参数对SIF的影响规律,得到结论:梯度扩展单元能够提高梯度材料中裂纹尖端SIF的计算精度,其计算结果随着网格密度的增加迅速收敛于精确解;双向梯度结构的组份分布形式和属性梯度能够明显影响裂纹尖端的SIF;对于多裂纹双向梯度结构,裂纹间的相互作用增大了裂纹尖端的SIF,弹性模量大的一侧SIF较大.     

泡沫钢的制备及三点弯曲性能

为了制备孔隙率较高、孔结构均匀、性能优良的泡沫钢板及夹芯复合板,以316L不锈钢粉为原料,Ca Cl2为造孔剂,采用粉末冶金烧结-溶解法制备不同孔隙率、孔径的泡沫钢,并用物理粘接法制备泡沫钢夹芯复合板。通过对泡沫钢板和夹芯复合板进行三点弯曲实验研究两者的抗弯曲性能。观察泡沫钢板的三点弯曲变形过程,分析孔隙率和孔径对泡沫钢板和夹芯复合板抗弯曲性能的影响,对比两者的极限抗弯载荷变化。结果表明:泡沫钢板的变形首先从薄壁不规则的孔壁开始,形成裂纹并进行扩展,最终导致宏观断裂;对于泡沫钢夹芯复合板,当孔隙率从69.4%增加至82.5%时,其所能承受的极限载荷从2345 N下降至1254 N,在相同孔隙率下,相比于泡沫钢板,夹芯板承受的极限弯曲载荷提升了15%~43%;当孔径从1.9 mm增加至3.9 mm,孔隙率约为73%时,其所能承受的极限弯曲载荷从2070 N下降至1528 N,与泡沫钢板相比,相同孔径下,夹芯板承受的极限弯曲载荷提升了15%~28%;在孔隙率和孔径相同条件下,泡沫钢夹芯复合板的抗弯承载能力比泡沫钢板提高15%以上。     

二维机织树脂基复合材料湿热性能研究

实验研究了不同铺层厚度的二维机织玻璃纤维织物/环氧胶膜基体复合材料层压板室温和湿热环境下的开孔拉伸和弯曲性能.结果表明,材料弯曲强度具有尺寸效应,弯曲强度随试样铺层厚度增加基本上线性下降,下降率为5.2%/mm;材料平衡吸湿量平均为2.2%,吸湿后基体性能发生退化,退化程度与试样厚度有关.材料达到平衡吸湿后70 ℃,相对湿度85%的湿热环境下,弯曲强度下降严重,其强度保有率平均为31.7%;开孔拉伸强度保有率随试样厚度线性增加,增加率为4.2%/mm,强度保有率平均为70.0%.     

适合航空航天用SiCp/Al复合材料的性能

采用粉末冶金法制备了Φ300 mm的15%(体积分数)SiCp/A l复合材料坯锭,研究了热挤压、锻造后的材料力学性能以及断裂特点。结果表明,该材料的弹性模量在97 GPa、拉伸强度保持在550 MPa的水平下,延伸率仍高达7%左右,旋转弯曲疲劳强度在250~290 MPa范围内,断裂韧性为25 MPa.m1/2,冲击韧性为62.5 kJ/m2。与棒材挤压态相比,T4态复合材料拉伸强度和屈服强度分别提高66.7%和100%,但塑性保持在同一水平。断口观察表明,挤压态复合材料以基体韧性断裂为主要形式,而T4态复合材料除了基体韧性断裂外,还存在SiC颗粒断裂现象。挤压棒材锻造后有利于提高材料的横向强度。     

基于LBM的发汗孔隙结构内流动换热性能

以发汗冷却技术为背景，采用D3Q19格子玻尔兹曼方法程序，在孔隙尺度下研究了多孔介质结构对结构温度场的影响。针对球形颗粒堆积结构和随机结构这两种常用的多孔结构，分别计算分析了渗透率和固体温度分布。结果表明：对于颗粒堆积结构，当颗粒规则排列时，其固体温度分布呈明显的阶梯状；而颗粒无规则排列时，固体温度变化趋势比较平稳，并且随着颗粒直径的增大，渗透率增大，固体温度降低。对于随机多孔结构，随着孔隙尺寸减小，渗透率减小，固体温度升高。在0.3～0.5的孔隙率范围内，颗粒堆积结构和随机结构由于内部对流换热强度的不同，固体温度具有不同的变化特点。     

基于瞬间液相连接成形泡沫铝三明治的弯曲失效行为

泡沫铝三明治结构（aluminum foam sandwich, AFS）既具有泡沫铝轻质、阻尼减震、吸能防护等优异特性，又能解决单一泡沫铝强度较低、易损坏等问题，在航空航天、汽车制造、轨道交通、精密机床等工业领域具有广阔的应用前景。本工作基于熔体发泡法，采用瞬间液相结合技术，以纯TA2为面板、Al-2Ca合金为发泡基材，制备尺寸为80 mm×80 mm×18 mm的泡沫铝三明治结构，泡沫芯中含有大量均匀的孔隙，其中多面体状的孔隙占据了较大面积；面板与芯层之间观察到平均厚度为7.5μm的结合界面，各元素在结合层处形成扩散并以金属间化合物的形式存在。测试结果表明：不同密度的三明治结构在弯曲实验下的载荷曲线呈现出线弹性区、快速降载区和平台区三个明显的区域；试样所能承受的最大峰值载荷为1120.5 N、屈服强度为15.64 MPa，随着密度的提高，芯部孔隙率的减小，AFS材料的抗弯强度随之提高；弯曲程度在15 mm时，AFS密度增加15.9%的情况下，弯曲吸能WEA和比吸能WSEA分别提高3.59倍和3.22倍；失效模式为泡沫铝芯层的压缩密实变形和芯材剪切、开裂以及TA2面板的弯曲变形和剥离...     

喷射沉积 SiCp/LY12 复合材料的拉伸性能

研究了喷射沉积SiCp/LY12复合材料的室温及高温拉伸性能。体积分数为15%的复合材料经热挤压和热处理后,室温弹性模量、抗拉强度和屈服强度均有提高,但延伸率下降,高温抗拉强度和弹性模量则显着提高。分析了复合材料室温拉伸性能实验值与理论值的差异,讨论了孔隙率和颗粒分布对拉伸性能的影响。     

氧燃充枪比对爆炸喷涂CoCrAlYTa涂层组织和性能的影响

采用爆炸喷涂工艺制备了CoCrAlYTa涂层,借助SEM,EDS,显微硬度分析和结合强度测试等手段研究了氧燃充枪比对所制备涂层组织结构和性能的影响。结果表明,随着氧燃充枪比的增加,爆轰温度和爆轰速率不断提高,使涂层由均匀结构向层状结构转变,涂层的孔隙率不断降低;涂层的显微硬度、结合强度以及弯曲结合力则随氧燃充枪比的增加不断提高。     

一种特殊梯度分布的功能梯度矩形板弯曲问题解析解

研究了一种特殊梯度分布功能梯度材料矩形板弯曲问题。假设材料的弹性模量在板厚度方向上呈幂函数分布,泊松比为常数,引入PLEVAKO解,利用分离变量法,导出四边简支功能梯度材料矩形板弯曲问题的解析解。通过算例分析了材料组分变化时,功能梯度板应力和位移的变化规律。结果显示不同梯度分布板结构中的应力、位移的变化规律是不同的,有时甚至差别很大。该方法为发展针对功能梯度材料特点的数值算法和简化理论提供依据。     

基于图形法的仿生拓扑优化方法

针对图形系统自动生成图形拓扑形式的优势,提出了一种以隐式方式表征结构拓扑形式的分步拓扑优化设计方法。该分步优化方法首先以基结构法（ground structure method）的计算结果为基础,并通过均匀化方法得到设计区域内的离散拓扑信息,利用第一步所得的拓扑数据指导分形系统中每一级新增拓扑结构的生长方向,以类似细胞分裂生长的形式完成整体结构拓扑形式生成。最后以参数化建模方式完成模型的结构有限元的批量计算,并结合进化算法,完成对设计模型的优化。其中第一个案例通过本文仿生方法在多目标优化方法下得到了近似Michell结构的最优拓扑结构,第二个方案中机翼蒙皮的屈曲载荷系数提升了10.61%,并且质量降低了10.85%,验证了本文方法在类平面结构拓扑优化方面的可行性。      

高韧性异构聚酰亚胺树脂及其复合材料

采用MPMR合成技术得到了低黏度、高韧性、耐高温异构聚酰亚胺树脂,该树脂预浸液常温储存期大于两个月,亚胺化后纯树脂在320℃熔体黏度<300 Pa·S,树脂浇铸体的弯曲强度>100 MPa,弯曲模量>3.0 GPa,抗拉强度可达80 MPa,断裂伸长率可达6%,固化后T5d>500℃,其中PI-4复合材料在300℃的弯曲强度保持率达到76.5%.     

航空发动机多辐板风扇盘拓扑优化与形状优化设计技术

为了设计出高性能航空发动机风扇盘结构,首先采用基于自适应随机抽样双向渐进拓扑优化方法对风扇盘进行拓扑优化,得到轮盘合理拓扑构型,然后基于该拓扑构型,采用形状优化方法对轮盘构型做进一步优化。结果表明,在满足强度要求下,设计出了高性能的三辐板、四辐板风扇盘最终减重19.23%,21.59%(其中拓扑优化减重17.12%,19.43%),并且最优解应变能密度分布更加均匀,说明了宽弦风扇盘的合理构型是由若干辐板组成的多辐板结构。      

激光烧结制备藕状316不锈钢多孔材料的微孔结构特征

 对含预合金316不锈钢和造孔剂（组分包括硼酸和氟硼酸钾）的混合粉末，进行了激光烧结制备藕状多孔材料的实验研究。利用扫描电镜分析了激光烧结试样的微观孔隙特征，并测定其孔隙率。结果表明，在较低的扫描速率下可获得孔径分布均匀、孔隙贯通性良好的藕状多孔结构；当扫描速率逐步提高时，孔隙生长方向沿扫描方向的倾斜趋势有所增强，而若扫描速率高于0.12 m/s，试样内部藕状多孔结构出现紊乱，有序性降低。随扫描速率逐渐提高，试样孔隙率呈下降趋势。     

石英灯阵模拟非均匀气动加热的功率优化

针对结构热试验非均匀热环境模拟的精细化需求,以石英灯阵热流分布理论解析方法为基础,建立了基于线性分析模型的石英灯阵功率快速优化方法,对石英灯阵模拟非均匀气动加热的功率优化问题进行了分析研究。结果表明：线性分析方法可以快速有效地优化石英灯阵功率,对于比较平缓的热流分布可以获得较好的优化结果,对于大梯度热流分布也能获得与遗传算法较为一致的热流优化结果和规律;模拟非均匀气动加热的功率优化结果对热流输入比较敏感,需要通过优化来选择合适的测点范围和测点数量得到相对稳定的系数矩阵。相关研究结果对模拟非均匀气动加热的石英灯阵功率优化设计具有重要参考意义。     

考虑孔隙的三维编织陶瓷基复合材料弹性常数预测方法

提出了利用气孔单元并考虑基体孔隙随机分布来预测三维编织陶瓷基复合材料弹性常数的方法.通过工业computed tomography(CT)扫描技术测得孔隙率,在胞元模型中利用Monte-Carlo仿真技术在基体上随机投入气孔单元来模拟三维编织陶瓷基复合材料中的孔隙,利用胞元有限元模型计算了孔隙率对三维编织陶瓷基复合材料弹性常数的影响规律.结果表明:①孔隙率对三维编织陶瓷基复合材料弹性常数具有明显的影响;②对给定的孔隙率,孔隙的位置分布对沿纤维束方向弹性模量的影响较小;③随着孔隙率增加,沿纤维束方向弹性模量降低.同时,开展了SiC/SiC复合材料的室温拉伸试验,弹性模量计算值和试验结果吻合较好,表明该方法可以用来预测含孔隙的三维编织陶瓷基复合材料的弹性常数.      

基底/功能梯度涂层结构的动态热应力分析及结构优化

研究了金属基底 /功能梯度涂层结构中的动态热应力;对功能梯度材料的梯度指数进行了优化;分析了可能的破坏模式。研究结果表明,加热速度对结构中的热应力分布有很大的影响,存在优化的梯度指数使得结构具有最大的热强度。     

弯曲纤维对SiO2f/SiO2复合材料拉伸强度的影响

以SiO_(2f)织物作为增强相,采用循环浸渍固化工艺,制备了SiO_(2f)/SiO_2复合材料。在制备过程中,通过对SiO_(2f)织物进行模压处理,使SiO_(2f)呈现出不同程度的弯曲,测定了纤维弯曲后复合材料的拉伸强度,研究了纤维弯曲时复合材料的断裂过程。结果表明:弯曲纤维将导致复合材料的拉伸强度下降,最低拉伸强度仅为5.5 MPa,纤维弯曲时复合材料的断裂过程为逐层断裂,断裂应变增加,最大断裂应变达到1.19%。