纳米复合相变材料熔化过程数值模拟

相变储能技术在航空航天等领域具有广泛的应用前景,但是相变材料导热性能差制约了其工程化应用。高导热的纳米材料能够有效提高相变材料的导热性能。为了对其相变现象进行更精细的模拟分析,基于Maxwell-Garnett等效介质理论（EMT）建立3种具有代表性结构的纳米复合相变材料详细物性参数,将流体体积（VOF）模型与焓-多孔介质模型相耦合,在考虑相变材料体积膨胀的情况下,数值模拟了纯石蜡、添加不同体积组分金刚石纳米粒子（ND）、单壁碳纳米管（SWCNT）和石墨烯纳米片（GnP）的纳米复合相变材料在定温边界条件下的固液相变过程。结果表明:相变材料熔化过程中对流效应主要分布在临近固液相界面、临近加热壁面及临近气液两相交界面这3个区域;3种纳米粒子中GnP的导热强化效果最佳,相比纯石蜡,添加体积分数为3%的GnP纳米复合相变材料固相导热系数提高了486%,相变材料的熔化时间缩短了69%;升高壁面温度能够有效缩短复合相变材料的熔化时间。      

考虑温度影响的干摩擦接触分子动力学研究

基于多尺度方法对干摩擦行为进行预测已成为当前研究热点。对于航空发动机等高温机械系统，温度对干摩擦行为影响至关重要。针对高温影响下微动界面摩擦行为开展分子动力学建模与分析，研究不同温度下微凸体的切向碰撞过程；考虑温度的升高使摩擦界面微凸体黏着作用增强，提出不同于赫兹接触理论预测的真实面积计算方法；基于所建的分子动力学模型和G-W接触模型，研究不同温度下接触面的摩擦系数，与实验测量的摩擦系数结果吻合，验证所提方法的正确性。对于在高温环境下接触、摩擦及微动等界面力学问题的研究提供了可借鉴的方法，同时为高温旋转机械动力学多尺度方法提供了可参考的解决手段。     

不规则燃油箱惰化系统进出口优化方法

为解决不规则燃油箱惰化时，出现的氧体积分数分布不均匀、惰化区域不充分的难题，以熵权改进优劣解距离（TOPSIS）理论为基础，提出一种适用于不规则油箱惰化系统的优化方法，并结合数值仿真方法进行综合评价，实现波音747飞机惰化系统进出口的优化设计。结果表明：根据熵权改进TOPSIS理论设计的惰化方案，不仅可以降低惰性气体流量需求，而且可以使得惰化空间氧体积分数分布更为均匀；优化后的波音747飞机惰化方案，综合性能指标提升22.67%，速度性指标提升2.97%，均匀性指标提升27.78%；单侧偏置惰化方案设计思路，可以增加流通路径、延长惰性气体存续时间，使得油箱惰化时氧气分布更为均匀、氧体积分数下降迅速。     

抽吸气流量对催化惰化系统性能影响

基于耗氧型惰化系统惰化原理,建立了绿色低温催化惰化系统（3CGIS）的AMESim仿真模型,研究了绿色低温催化惰化系统抽吸气流量对惰化时间的影响,以及飞行包线内燃油箱气相空间氧气体积分数变化。将计算结果与试验数据进行对比,结果表明,飞行包线内燃油箱气相空间氧气体积分数计算结果与试验结果基本一致,验证了仿真模型的正确性。在此基础上,得到抽吸气流量与惰化时间近似呈反比关系;当惰化时间一定时,抽吸气流量随载油率的降低而增加;针对下降阶段燃油箱气相空间氧气体积分数可能超过12%,提出一种双流量惰化模式设计方法,可保证氧气体积分数在整个飞行包线内低于12%。仿真结果为绿色低温催化惰化系统的设计与优化提供了依据。      

燃油箱耗氧惰化与中空膜惰化的数值模拟及比较

针对耗氧型惰化系统燃油箱上部空间氧气体积分数随时间变化规律的问题,对耗氧型惰化系统的反应过程建立了数学模型,并通过CFD方法对机载绿色惰化气体产生系统（GOBIGGS）系统和机载惰化气体产生系统（OBIGGS）的惰化过程进行了模拟仿真,并与实验数据进行对比,验证了仿真结果的准确性。研究结果表明,当耗氧型惰化系统抽吸气的体积流量与中空膜惰化产生的富氮气体（NEA）体积流量相同时,耗氧型惰化系统不仅惰化时间短,而且能将燃油箱的O₂摩尔分数降至更低。同时耗氧型惰化系统的惰化效果与相同体积流量下NEA0（100%N₂）的中空膜惰化效果相近。另外,耗氧型惰化系统使燃油箱气相空间上部O₂摩尔分数大于下部O₂摩尔分数,中空膜惰化则相反。      

带空间结构的人工神经网络建模方法

将遍历搜索法引入带空间结构的人工神经网络模型,提出一种新的模型估计和空间数据样本外预测方法。该方法基于人工神经网络,结合空间自回归模型思想,在网络模型中引入空间滞后项来考虑变量的空间效应,提出使用遍历搜寻最优解的方式替代传统极大似然法进行空间自回归系数估计和建模。结合样本外数据和空间结构,扩展空间权重矩阵并代入所提模型进行样本外预测,充分发挥了人工神经网络模型泛化能力强的特点。仿真分析指出:在合理考虑空间效应的情况下,所提模型的预测效果较普通人工神经网络有显著提升;而且当空间变量间存在非线性关系时,所提模型的预测精度同样优于空间自回归模型。      

采用改进导重法的拓扑结构灰度单元过滤技术

针对二分法计算拉格朗日乘子时收敛速度较慢的问题, 提出了拉格朗日乘子计算方法, 应用于优化准则(OC)法和导重(GW)法2种密度更新方法, 并与二分法进行了对比。建立体积约束下柔度最小的拓扑优化模型;通过固体各向同性材料惩罚(SIMP)法或材料属性有理近似(RAMP)法计算单元的弹性模量;通过所提方法计算拉格朗日乘子, 并通过导重法更新单元密度;通过Heaviside投影函数减少灰度单元的数量。计算结果表明:虽然所提方法对有限元分析次数并没有显著改进, 但计算拉格朗日乘子所用CPU时间少于二分法, 且密度更新次数降低至50%以下;在2个数值算例中, 采用SIMP模型时, 导重法所得结构柔度比OC法更小, 能够得到刚度更高的结构。      

基于改进的动态Kriging模型的结构可靠度算法

对于复杂航空航天机械产品,极限状态方程往往表现出隐式、高度非线性的特点,而且通常需要调用有限元分析,从而耗费大量时间。将混合粒子群-模拟退火（PSOSA）算法应用到Kriging模型中相关参数的寻优过程,提高了预测精度。同时结合动态更新机制,逐渐加入样本点,尽可能减少函数的调用次数,从而提高了计算效率,并将该算法应用到结构可靠性分析中。通过案例分析,和传统蒙特卡罗模拟方法、响应面等经典方法进行对比,所提算法与蒙特卡罗模拟方法计算结果更加接近,计算时间大大缩短,效率和精度都明显改进。      

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。      

混杂纤维复合材料轴向剪切模量的预测

为混杂纤维复合材料有效轴向模量的计算发展了一个能够考虑纤维截面影响的广义自洽模型:即假定各相纤维的共焦点椭圆柱体细观单元嵌在同一宏观上均匀化的复合材料中.利用解析函数的保角变换与罗朗级数展开,获得了相应问题的封闭解.根据复合材料平均应力与应变关系,获得了预测有效轴向模量的形式简单的代数方程.当各相纤维模量相同时,所得方程退化为已有的预测单相纤维复合材料纵向剪切模量的代数方程.     

含空心球复合材料有效模量的确定

用四相球模型确定了含空心球复合材料的有效模量性质，得到这类材料的有效体积模量和有效剪切量同空心球体积比的关系。在各向同性材料的假设下也确定了材料的有效杨氏模量，并同Ｈｕａｎｇ等人给出的理论及实验结果进行了比较。     

轴对称载荷下横观各向同性泡沫材料的屈服面

利用二维有效应力和平均应力的描述方法,推导出三维横观各向同性泡沫材料在轴对称载荷下的特征平均应力、特征应力以及特征应变的表达式,得到用特征平均应力和特征应力描述的屈服面模型;并通过对面心立方单胞模型进行有限元分析,研究了横观各向同性泡沫材料的泡孔长径比对弹性性能和屈服面的影响.结果表明:随泡孔长径比的增加,泡孔伸长方向对应的泡沫模量增加,而与其垂直方向的泡沫模量则减小,且屈服面发生了逆时针转动;得到的屈服面模型与Gurson修正模型基本一致,且同有限元结果相符,为横观各向同性泡沫提供了一种新的屈服面描述.     

应用微分方法确定复合泡沫塑料的杨氏模量

通过微分方法研究了复合泡沫塑料的有效模性质，结果表明；这一方法可预测较高空心球体积含量复合的模量，对其结果进行修正后，可正确预测复合泡沫塑料的杨氏模量，预测民实验结果相当一致。     

基于SIMP法的周期性传热材料拓扑优化

为了实现基于宏观热传导条件的周期性材料微结构设计,建立了基于固体各向同性材料惩罚法的周期性结构拓扑优化模型.模型以体积比为约束,散热弱度最小为优化目标.为了满足周期性约束,将设计域划分为若干相同子区域,并重新分配散热弱度.基于偏微分方程的图像处理方式可以有效地消除棋盘格和网格依赖性现象.讨论并分析了不同子区域个数及不同载荷工况对拓扑优化构型的影响.数值实验结果表明:周期性结构的建模方式可以实现基于宏观稳态热传导条件的周期性材料微结构设计.子区域个数不同时,优化得到不同的微结构构型,这反映了尺寸效应对材料设计的影响.当子区域个数不断增加时,优化结果逐渐趋向收敛于均匀化方法对应的极限值.      

含孔隙基体缎纹编织复合材料面内压缩弹性性能预报

缎纹编织复合材料细观结构复杂,传统弹性性能预报方法较难适用。针对该问题,建立缎纹编织复合材料代表体积单元(RVE),对RVE模型面内压缩弹性模量和面内泊松比的预报方法进行了研究。分别基于能量法原理和单夹杂理论,对弯曲纤维束纵向压缩模量和含孔隙基体弹性性能进行预报,改进了传统细观力学中的混合率方法,并利用已得的组分材料性能对RVE模型有效面内压缩模量和面内泊松比实现了解析法预报。基于Python语言对ABAQUS有限元分析软件进行二次开发,建立了基体含孔隙的RVE模型,利用RVE模型在基本受力状态下的有限元方法结果实现有效面内压缩模量和面内泊松比的有限元方法预报。基于碳/碳复合材料,解析法与数值法计算结果吻合很好,实现了对缎纹编织材料面内压缩性能的有效预报。      

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.      

基于理想界面的均匀化方法

评述了分析单向纤维增强复合材料及纺织复合材料宏观等效弹性性能的有代表性的力学模型,指出了各力学模型的特点.针对经典力学模型分析结构复杂的纺织复合材料的力学性能的局限性,直接从组分相的本构方程出发,分别将应力、应变张量在相间界面分解成互相正交的2个部分:面内分量和面外分量. 在理想界面条件下,考虑了纤维与基体的相互作用,建立了基于理想界面的均匀化方法.选取CCA模型分析了单向纤维增强复合材料的弹性性能,得到了满意的结果.     

三维四向编织复合材料改进模型弹性性能计算

针对三维四向编织复合材料,在改进的矩形截面单胞模型的基础上,考虑了相邻纤维束之间的界面粘结效应,推导了单胞的几何特性与编织工艺参数之间的数学关系,并且采用ANSYS软件建立了实体有限元模型,得到了等效弹性性能参数;之后,分析了各工艺参数对弹性模量的影响规律.通过有限元计算的材料弹性性能常数与试验数据符合较好,较为真实地模拟了该材料的细观结构,对三维编织复合材料的设计和工艺具有一定的参考价值.      

三维四向编织复合材料弹性性能的有限元预报

在四步法方型三维编织复合材料细观结构单胞模型的基础上,假设纱线具有六边形横截面,应用ANSYS软件,建立了实体有限元模型,该模型表面与预制件表面平行,更加符合三维编织复合材料的实际结构,且有利于力学性能的分析,同时,该模型中还考虑了织物的编织角与内部编织角的几何关系.基于该模型,计算了材料的弹性常数,分析了编织角和纤维体积含量对弹性常数的影响规律.结果表明,数值计算与实验结果吻合较好.此外,还确定了材料内部的应力场分布,为材料的强度预测奠定了基础.