基于Ordered SIMP插值模型的 点阵-实体复合结构拓扑优化设计方法

为了提高点阵材料结构件的力学性能,提出了一种基于Ordered SIMP方法的点阵-实体复合结构拓扑优化方法.采用一种三维X型微结构单元作为点阵材料,通过数值拟合建立点阵材料相对密度与其等效物理属性之间的函数关系.在宏观结构拓扑优化问题中,以点阵材料等效密度为设计变量,基于Ordered SIMP插值方法建立点阵材料和实体材料相结合的多材料插值模型,进而,以材料体积用量为约束,以结构柔度最小化为目标实现点阵-实体复合结构的多尺度拓扑优化设计.通过数值算例和实验测试表明,相比于仅使用点阵材料填充的设计,本方法能够获得更好的结构刚度.     

基于机器学习的梯度点阵材料优化设计

点阵材料具有轻质、抗冲击、高能量吸收等特性，因而在航天飞行器承载部件设计等领域有广阔应用前景. 通过对点阵材料内部杆径进行合理的梯度设计，可以提高点阵材料在高速冲击载荷作用下的动态力学性能. 利用仿真模拟数据，基于随机森林模型实现了梯度点阵材料的动态力学响应预测和结构参数优化. 以面心立方（face center cubic，FCC）结构梯度点阵材料为研究对象，通过对杆径参数的调整实现点阵材料密度的梯度化设计. 通过LS-DYNA软件计算了密度分布不同的梯度点阵材料受到冲击载荷作用时的动态力学响应，包括冲击端面与支撑端面接触应力随时间的变化曲线. 基于随机森林模型，以各层胞元的相对密度为输入，实现对点阵材料端面峰值应力的预测，并基于Gini指数分析出对不同端面处峰值应力影响最大的胞元层. 将网格搜索算法与训练好的随机森林对接，分别以两个端面上的峰值应力最高作为优化目标，获得点阵材料各层胞元相对密度的最优值. 模型对梯度点阵材料端面峰值应力的预测误差在5%以内. 数值模拟验证结果表明，优化后所得梯度点阵材料相应端面上的峰值应力高于仿真数据集内任何结构.      

两种仿金属晶体结构晶格材料的等效弹性参数研究

基于金属微观晶体结构,采用Timoshenko梁模型分别建立了体心立方(BCC)及面心立方(FCC)晶格材料等效杨氏模量理论模型,确定了晶格材料的柔度矩阵。讨论了结点效应、剪力等对晶格材料等效杨氏模量的影响。结果表明：理论模型与有限元数值模拟结果吻合较好;晶格结点对BCC及FCC晶格等效杨氏模量及剪切模量均有较大影响,忽略结点效应将低估晶格材料的线弹性力学性能;FCC比BCC晶格有更高的比杨氏模量,BCC比FCC晶格有更高的比剪切模量。此外FCC晶格材料较大多数晶格材料具有更高的抗压比刚度。     

轻质点阵夹层圆柱壳的设计与分析

目前,蜂窝夹层和泡沫夹层的圆柱壳比较常见,而具有更高比刚度和比强度的拉伸主导型点阵材料的夹层圆柱壳却鲜有报道。该文对点阵夹层圆柱壳的力学性能进行了研究,利用点阵材料的均质化等效理论,建立了点阵夹层圆柱壳的刚度模型和强度模型,并与有限元商业软件的计算结果进行了对比验证。结果表明,拉伸主导型点阵材料作为芯子的圆柱壳具有比传统蜂窝芯子圆柱壳更好的力学性能,相同承载能力下可实现减重25%以上。利用缠绕与二次固化成型工艺,制备了双蒙皮点阵夹层圆柱壳结构。试验表明,该结构的承载力和刚度比国外同等尺寸和重量的网格加筋圆柱壳提高了3倍以上。     

选区激光熔化制备Al_(0.5)CoCrFeNi高熵合金的工艺参数及组织性能

为了验证采用选区激光熔化(SLM)技术制备高熵合金的可行性,使用原始混合粉末进行了Al_(0.5)CoCrFeNi高熵合金的SLM制备。通过对相对密度进行表征,探讨了激光功率、扫描速度、扫描间距等工艺参数对成型质量的影响,并采用扫描电镜及X射线衍射仪等进行了显微组织、相组成分析,通过硬度和拉伸试验对材料的力学性能进行了表征。结果表明:激光功率、扫描速度、扫描间距三者间的交互作用对材料的相对密度有很大的影响,材料相对密度随着能量密度的增加而增加。SLM制备的高熵合金试样的相对密度最高可达99.92%,组织细小均匀,由简单的面心立方结构和体心立方结构两相构成,屈服强度达到540 MPa,拉伸强度达到878 MPa,延伸率为18%,综合性能优于传统熔炼高熵合金,表明采用SLM技术制备高熵合金是可行的。     

胞元材料拓扑构型与力学性能的相关性

为了进一步探索胞元材料力学性能与材料拓扑构型的相关性,分析了不同二维和三维胞元材料的拓扑构型特征以及材料的模量与强度,得到了拉伸主导型和弯曲主导型胞元材料的力学性能与材料相对密度之间的关系,并对各种构型的力学性能进行了对比分析。在Deshpande拓扑规则的基础上,由等效连续介质刚度矩阵的非奇异性特征得到了拉伸主导型胞元材料的基本拓扑构型特征。研究表明:平面条件下拉伸主导型胞元材料必须具有3组或3组以上不同方向的连续杆件,而空间状态下拉伸主导型胞元材料必须具有6组或6组以上不同方向的连续杆件。     

多层金属多孔复合结构面外压缩吸能特性实验

轻量化及多功能一体化设计成为武器装备性能提升的迫切目标需求,以金属点阵和金属泡沫为代表的金属多孔材料由于具有超轻、超强、高能量吸收率及多功能可设计性等优点得到了广泛的重视,但金属点阵结构的屈曲及泡沫金属的低强度问题成为制约其工程应用的瓶颈。通过将泡沫金属填充到金属点阵孔隙中的方法获得3种不同几何构型的多层金属多孔复合结构——泡沫铝填充双层金属波纹板,并对其承载及能量吸收特性进行了面外压缩实验研究。研究表明新型金属多孔复合结构单位质量峰值压缩强度及单位质量能量吸收可分别高达其对应的空心结构的9.3及21.8倍,甚至和泡沫铝这一优异吸能材料相比仍可分别提高19%和20%。耦合增强机理表明正是泡沫铝的填充改变了波纹芯体的屈曲变形模式,使其转化为更为复杂高阶的屈曲变形模式,产生耦合增强效应,从而引起强度及能量吸收效率的大幅提升。     

利用第一性原理计算方法对NbMoTaWV_x高熵合金的研究

为了分析NbMoTaWV_x高熵合金中V组元对材料特性的影响,利用第一性原理计算方法对其进行了研究,该方法是一种基于密度泛函理论框架下的精确糕模势轨道结合相干势近似模型的方法。首先,对NbMoTaWV_x高熵合金的相与结构性质进行了研究,结果表明:当0≤x≤1.5时,NbMoTaWV_x高熵合金在平衡态中的最稳定构型为体心立方结构;V组元物质的量比的增加会减小NbMoTaWV_x高熵合金的密度、晶格尺寸和体心立方相的稳定性。其次,计算了NbMoTaWV_x高熵合金的弹性力学性质,结果表明:随着V组元物质的量比的增加,合金的内在塑性会提高,理论强度会降低,弹性各向异性几乎不变。     

选区激光熔化制备Al0.5CoCrFeNi高熵合金的工艺参数及组织性能

为了验证采用选区激光熔化(SLM)技术制备高熵合金的可行性,使用原始混合粉末进行了Al0.5Co Cr Fe Ni高熵合金的SLM制备。通过对相对密度进行表征,探讨了激光功率、扫描速度、扫描间距等工艺参数对成型质量的影响,并采用扫描电镜(SEM)及X射线衍射仪(XRD)等进行了显微组织、相组成分析,通过硬度和拉伸试验对材料的力学性能进行了表征。结果表明:功率、速度、间距三者间的交互作用对材料的相对密度有很大的影响,相对密度随着能量密度的增加而增加。SLM制备的高熵合金试样的相对密度最高可达99.92%,组织细小均匀,由简单的面心立方结构和体心立方结构两相构成,屈服强度达到540 MPa,拉伸强度达到878 MPa,延伸率为18%,综合性能优于传统熔炼高熵合金,表明采用SLM技术制备高熵合金是可行的。     

选区激光熔化制备Al0.5CoCrFeNi高熵合金的工艺参数及组织性能

为了验证采用选区激光熔化(SLM)技术制备高熵合金的可行性,使用原始混合粉末进行了Al0.5Co Cr Fe Ni高熵合金的SLM制备。通过对相对密度进行表征,探讨了激光功率、扫描速度、扫描间距等工艺参数对成型质量的影响,并采用扫描电镜(SEM)及X射线衍射仪(XRD)等进行了显微组织、相组成分析,通过硬度和拉伸试验对材料的力学性能进行了表征。结果表明:功率、速度、间距三者间的交互作用对材料的相对密度有很大的影响,相对密度随着能量密度的增加而增加。SLM制备的高熵合金试样的相对密度最高可达99.92%,组织细小均匀,由简单的面心立方结构和体心立方结构两相构成,屈服强度达到540 MPa,拉伸强度达到878 MPa,延伸率为18%,综合性能优于传统熔炼高熵合金,表明采用SLM技术制备高熵合金是可行的。     

选区激光熔化制备Al0.5CoCrFeNi高熵合金的工艺参数及组织性能

为了验证采用选区激光熔化(SLM)技术制备高熵合金的可行性,使用原始混合粉末进行了Al0.5Co Cr Fe Ni高熵合金的SLM制备。通过对相对密度进行表征,探讨了激光功率、扫描速度、扫描间距等工艺参数对成型质量的影响,并采用扫描电镜(SEM)及X射线衍射仪(XRD)等进行了显微组织、相组成分析,通过硬度和拉伸试验对材料的力学性能进行了表征。结果表明:功率、速度、间距三者间的交互作用对材料的相对密度有很大的影响,相对密度随着能量密度的增加而增加。SLM制备的高熵合金试样的相对密度最高可达99.92%,组织细小均匀,由简单的面心立方结构和体心立方结构两相构成,屈服强度达到540 MPa,拉伸强度达到878 MPa,延伸率为18%,综合性能优于传统熔炼高熵合金,表明采用SLM技术制备高熵合金是可行的。     

短纤维增强脆性基复合材料破坏过程和力学性能研究

 研究短纤维增强脆性基复合材料在单轴拉伸荷载下的力学性能和破裂机理。采用基于细观损伤力学基础上开发的针对材料破坏过程的数值分析软件,考虑材料细观非均匀性,对复合材料的变形、损伤直至失稳破坏的全过程进行数值模拟。结果表明,加入短纤维后,材料试件的强度和韧性都比基体材料显著提高。短纤维强度的变化对复合材料试件的强度和刚度没有明显影响;而短纤维弹性模量的变化对复合材料试件的强度、刚度和韧性均影响明显,随着短纤维弹性模量的增加,复合材料试件的强度和刚度不断增加,但韧性却逐步降低。     

增强短纤维长径比对复合材料力学性能的影响

研究了理想界面短纤维的不同长径比对脆性基复合材料在单轴拉伸荷载下力学性能的影响.从细观尺度上考虑基体材料介质的非均匀性,对复合材料的变形、损伤直至失稳破坏的全过程进行数值模拟.结果表明:随着增强短纤维长径比的增加,复合材料的强度、韧性以及刚度都随之增加,同时材料试件的失稳破坏模式也受到长径比的影响而有所不同.     

双锥构型三维点阵材料压缩特性

对空心杆双锥构型点阵材料的压缩性能进行研究,对比了点阵材料与均质材料的压缩性能.点阵材料及均质材料的试件都采用多喷头光固化树脂增材制造技术制备,通过试验测试了均质材料件及2种元胞尺寸点阵材料件的压缩性能,获得了不同应变率载荷下的压缩应力-应变曲线,探索了元胞尺寸、加载应变率对材料压缩性能的影响,得到了材料破坏前的应力-应变关系预测表达式,应力预测结果与试验结果相吻合.研究结果表明:点阵材料的元胞尺寸对材料压缩性能影响显著;不同应变率下点阵材料的屈服应变变化不大,屈服强度差异相对较大;制备的点阵材料屈服应变大于均质材料屈服应变,但屈服强度不具备优势.     

TPMS点阵结构的密度梯度杂交优化设计

三周期极小曲面（triply periodic minimal surface,TPMS）点阵结构因其优异的综合性能受到中外学者的广泛关注。在点阵结构实际应用过程中,常常需要对其进行优化设计以兼顾轻量化与承载性能两方面的要求。目前,对TPMS点阵结构的优化设计主要集中于密度梯度层面,未综合考虑载荷方向对其力学性能的影响。为此,首先研究了TPMS点阵结构的各向异性特征。基于平均场均匀化方法求解了不同类型TPMS点阵结构的等效弹性矩阵,通过Matlab插值计算,绘制了其在三维空间范围内的杨氏模量图。发现不同类型的TPMS点阵结构呈现出不同的各向异性特征,其中W点阵结构在[100]等轴线方向上性能较强,在[111]等斜向对角方向上性能较弱,而P点阵结构则刚好相反。根据TPMS点阵结构的各向异性,同时考虑主应力方向以及相对密度分布对其性能的影响,提出了TPMS点阵结构的密度梯度杂交优化设计方法。以悬臂梁模型为基础,基于载荷边界条件对其进行拓扑优化设计,并将拓扑优化密度云映射为点阵结构的相对密度分布,从而实现密度梯度设计。根据TPMS点阵结构的各向异性特征以及单元主应力方向分别选择W和P点阵单胞填充悬臂梁,使主应力方向位于点阵结构性能较强的方向,避免点阵结构在性能薄弱的方向承受较大的应力。将不同类型的TPMS点阵单元合理分布后,利用激活函数将它们进行杂交连接,实现结构梯度设计。综合相对密度分布和单元结构分布,生成密度梯度杂交点阵结构。采用有限元仿真方法对比分析优化设计前后点阵结构的承载性能,结果表明密度梯度W和P点阵结构的刚度与对应的均质点阵结构相比都有明显提高,而由W和P两种点阵单胞组成的密度梯度杂交点阵结构刚度最大,比密度梯度W和P点阵结构分别提高4.63%和33.63%。该结果表明在密度优化的基础上,根据承载时单元主应力方向将不同类型的点阵结构进行合理分布以及混合杂交设计能够进一步提高结构的整体刚度。建立的TPMS点阵结构密度梯度杂交优化方法为其在轻量化设计等方面的应用提供了一定的指导。     

考虑裁切效应飞艇囊体模型充气数值模拟与试验

为了研究飞艇囊体结构的力学性能,建立了考虑裁切效应的囊体缩比模型.首先进行了织物膜材的双轴拉伸试验,根据试验结果拟合出材料力学参数的应力响应面并编写了材料模型子程序.利用Abaqus模拟了囊体裁切过程,建立了飞艇囊体初始构型的有限元模型,并对囊体充气过程进行了数值模拟.最后设计并制作了飞艇缩比模型并进行充气试验,测量了不同内压下膜面的变形特征.结果发现:考虑裁切效应得到的囊体初始构型和理想回转体模型存在明显的差异;裁切模型膜面变形最大值误差在12%以内,并且随着内压的增大,模型分析误差逐渐减小;裁切效应在飞艇精细化建模分析中具有不可忽略的作用.     

牙本质区域对塑性损伤力学性能的影响研究

牙本质的力学性能随着深度的变化而发生改变.建立了牙本质的塑性损伤模型模拟了牙本质的纳米压痕实验,并解释了纳米压痕实验卸载阶段刚度下降的原因.数值模拟结果表明内层牙本质的屈服强度低于外层和中层牙本质的屈服强度.并且更容易发生损伤.     

面心立方金属的基于位错密度的循环本构模型

在晶体塑性理论框架下,建立适用于面心立方金属多晶材料的基于位错密度的循环本构模型.在各向同性硬化律中总位错密度被离散为螺位错和刃位错两部分,考虑了位错增殖、湮灭和相互作用的演化机制,同时采用了修正的非线性随动硬化律,建立单晶的循环本构模型,通过显式尺度过渡准则,把该模型拓展到多晶尺度.应用该模型模拟了典型面心立方结构材料多晶铜的棘轮行为.数值模拟结果表明,该模型不仅可以从多晶尺度模拟材料的棘轮行为和循环硬化特征,还可以从单晶尺度预测不同晶向和不同应力水平下的棘轮行为.     

一种新型仿生层次多胞薄壁管的耐撞性研究

薄壁结构以其优异的力学性能被广泛应用于汽车的防撞吸能设计中.本文以生物层次结构为仿生原型,提出了一种新型的多胞薄壁吸能结构,并采用理论和数值模拟对不同阶次层次截面的铝合金薄壁结构进行动力学分析,研究了层次结构对薄壁结构耐撞性能的影响.研究表明:在同等材料以及壁厚的情况下,层次多胞薄壁结构的比吸能与载荷效率等吸能特性优于传统的单胞和多胞结构,并随着层次结构的不断增加而进一步提升.     

仿竹子结构八重桁架点阵结构设计与增材制造

针对航空航天、汽车工程等领域中对轻量化、高强度、高吸能构件的迫切需求,受启发于竹子的特殊宏微观空心结构,提出了空心八重桁架的高比强吸能点阵结构优化设计方法．空心八重桁架点阵结构由空心面心立方体和正八面体点阵结构组合而成,采用光固化技术分别成形3种点阵结构并利用准静态压缩试验测试其力学性能,结果表明：空心八重桁架点阵结构的弹性模量低于空心面心立方体和正八面体点阵结构之和,屈服强度、抗压强度和能量吸收值高于两者之和．当点阵结构的边长为8 mm时,空心八重桁架点阵结构的弹性模量低于空心面心立方体和正八面体点阵结构总和的4.76%,而屈服强度、抗压强度和能量吸收值分别高于空心面心立方体和正八面体点阵结构总和的12.80%,7.09%和51.68%．当空心八重桁架结构的边长从8 mm增加到20 mm时,弹性模量、屈服强度、抗压强度和能量吸收分别下降19.96%,24.73%,30.77%和33.69%.