功能梯度负泊松比蜂窝夹层板的振动特性

蜂窝夹层板作为一种常见的轻质多孔材料在航空航天和建筑等领域具有广泛的应用。研究了具有梯度的负泊松比蜂窝夹层板自由振动时的频率,及其随蜂窝芯层梯度和板几何参数的变化规律。利用Reddy高阶剪切变形理论和Hamilton原理推导了四边简支边界条件下的负泊松比蜂窝夹层板的偏微分运动微分方程,利用Navier法计算出系统的前十阶固有频率。借助有限元Abaqus软件建立了内凹六边形负泊松比蜂窝夹层板模型,计算其固有频率,两种方法的计算结果对比表明:理论计算求得的固有频率和有限元仿真得到的结果基本一致,验证了有限元模型的可靠性。基于此方法分别计算了蜂窝芯层具有角度梯度、厚度梯度和功能梯度的负泊松比蜂窝夹层板的前十阶固有频率,并与无梯度时的计算结果对比,分析了芯层梯度变化对系统固有频率的影响。     

一种新型三维负泊松比织物结构的压缩变形分析

对一种具有负泊松比性能的三维织物结构的压缩过程进行分析,讨论其变形机理,得到结构参数与泊松比间相互关系.三维织物结构压缩过程分析中不仅考虑织物结构几何参数的影响,还讨论了经纬纱弹性模量的影响.这一原因使压缩过程机理分析结果与实验结果有相同的变化趋势,随着压缩应变的增加,该三维织物结构的负泊松比效应愈加明显.但压缩过程分析中对纱线属性的假设与实际有差距和忽略经纬纱间各部分接触作用对泊松比的影响,以及实验误差,导致分析得到的负泊松比性能随压缩应变的变化略高于实验结果.考虑了结构的各参数对织物结构泊松比的影响规律的变形分析结果,对新型三维织物结构的设计具有一定的指导意义.     

负泊松比负热膨胀超材料微结构拓扑优化设计

提出一种拓扑优化设计方法,用于设计同时具有负泊松比和负热膨胀系数的超材料.超材料是人工设计的复合材料,由微米或纳米结构的周期性阵列组成,并具有天然材料难以具备的超常物理性质.基于拓扑优化理论,建立了一个表示多材料微观结构的多相边界的水平集模型,并采用数值均匀化方法来计算微观结构的等效性能,然后通过参数化水平集优化方法实现边界形状的演变和拓扑结构的设计.通过两个数值算例,给出超材料微结构材料分布的优化结果,证明了设计方法的可行性,为实现具备特殊性能的人工材料设计提供了一套系统的设计方法.     

负泊松比结构应用于拱结构中的探索

拱结构具有能将结构受到的竖向荷载或面外力转化为轴力的力学特性,本文主要对比不同拱结构的拱宽变化,探究由负泊松比胞元构成的拱结构受力时是否具有负泊松比效应.建立具有周期性胞元的拱结构,采取控制变量的方法,控制拱的矢跨比和宽度不变,对实心均质拱结构、网格型拱结构、内凹六边形拱结构在不同受力状态下的形变进行对比分析.结果表明...     

基于负泊松比结构的汽车B柱结构耐撞性优化设计

为了提高汽车的侧面耐撞性,基于传统B柱基本结构,提出了一种填充负泊松比内芯的新型B柱结构.根据我国新车评价规程C-NCAP要求,建立基于新型B柱结构的整车侧面碰撞模型;采用最优拉丁超立方试验设计法采取样本点,建立B柱各评价指标与设计变量之间的响应面模型;在此基础上,以B柱侵入位移和侵入速度为优化目标,采用NSGA-Ⅱ优化算法对新型B柱结构进行多目标优化设计.结果表明:新型B柱结构使得整车侧面碰撞的侵入位移下降了7.44%,侵入速度下降了5.10%,两者都有明显降低,这显著改善了汽车的侧面耐撞性能.     

波纹-负泊松比蜂窝混合芯夹层板的自由振动

夹层板作为一种复合材料结构,其芯层在系统特性中起着重要作用。基于三阶剪切变形理论(third-order shear deformation theory, TSDT),通过Rayleigh-Ritz法研究了由梯形波纹与具有负泊松比的蜂窝组成的混合芯夹层板的自由振动,分析了边界条件及参数变化对夹层板振动特性的影响。结果表明,边界条件、芯层结构与蜂窝倾角对夹层板的固有频率有重要影响。研究结果对混合芯夹层板结构在工程应用中的设计与优化具有一定的理论指导意义。     

基于复杂约束拓扑优化的负泊松比超材料设计

针对现阶段超材料拓扑优化设计在飞行器设计领域存在的微观尺度上难以制造和宏观尺度上不具有周期性的问题,提出了一种宏观尺度下的超材料拓扑优化设计方法,分别应用优化准则法和移动渐近线法进行了指定泊松比约束的超材料拓扑优化设计,得到了在横向、纵向两个方向上的泊松比都满足约束的负泊松比超材料,并对两种优化算法的设计结果进行了对比分析.针对拓扑优化得到的胞元构型,建立了理论模型和有限元模型,对拓扑优化结果的力学性能进行验证.经理论模型和有限元模型计算,拓扑优化设计结果的泊松比满足设计要求,证明了宏观尺度拓扑优化方法设计负泊松比超材料的有效性.     

基于参数化建模的负泊松比微结构性能分析与优化

为提高分析微结构单胞结构参数对其力学性能影响的效率,提出一种基于ABAQUS二次开发的参数化建模方法。该文以双箭头负泊松比微结构为研究对象：基于ABAQUS二次开发设计参数化建模的图形用户界面(GUI),且采用3D打印方法制造样件开展准静态压缩试验,以验证上述参数化平台所建立有限元模型的准确性;基于此,建立峰值力和比吸能的响应面模型,采用NSGA-Ⅱ多目标遗传优化算法,以峰值力最小、比吸能最大为目标,以θ₁、θ₂、T_L、T_M为设计变量,对微结构的冲击性能进行优化,获得最优的微结构拓扑参数。与优化前微结构的冲击性能进行对比分析,结果表明峰值力降低了14.36%,比吸能增加了33.72%。     

基体材料对蜂窝结构抗爆炸冲击性能的影响分析

为了研究不同结构形式的蜂窝芯层的基体材料对其防护性能的影响,通过Hypermesh软件建立了爆炸冲击载荷下的仿真分析模型,比较了不同基体材料下蜂窝结构背板吸能占比、背板的动能特性以及面板背板的最大变形量,通过三者的加权评估,找到了不同结构形式下的蜂窝芯层最优基体材料。研究结果表明:面内蜂窝结构下,基体材料H14抗爆炸性能最优。异面蜂窝结构下,基体材料Q235的抗爆炸性能最优。     

基于负曲率方向的复数域共轭梯度法

共轭梯度法是优化大规模目标函数的一种经典方法.根据复梯度、复Hessian阵与实梯度、实Hessian阵之间的关系,将共轭梯度法推广到复数域,用于解决复数域的优化问题.针对共轭法的一些缺点,如每步迭代利用线性搜索来确定优化的步长及可能寻找到的极值点不一定为极小值等缺点,提出在Hessian阵不正定时利用负曲率方向作为搜索方向,利用实数域二阶导数简化思想,使寻找下降负曲率方向简单化,同时根据目标函数信息调节搜索步长,保持函数值单调下降.对该算法进行复数域优化数值仿真,结果表明:该算法与复数域的SCG算法及Quasi-Newton算法相比,计算较为简单且优化效果更优.     

基于随机方差调整梯度的非负矩阵分解

针对求解非负矩阵分解的乘性更新规则存在计算复杂度高且迭代效率低等缺点,提出一种随机方差参数调整梯度的方法.将方差缩减策略和乘性更新规则相结合,通过引入一个调整随机梯度估计量的参数校正梯度下降方向使其偏差与方差达到平衡,从而能快速、准确地逼近最优解.在真实数据集上进行仿真实验,结果验证了该算法的可行性和有效性.     

新型全电介质平板结构负折射性能的模拟分析

利用全电介质材料,设计了一种新型的高介电质平板-普通介电质-高介电质平板结构.该平板结构中入射电磁波激发的位移电流取代金属材质左手材料中的传导电流,在特定的激发模式下可以产生负折射现象.利用提取的有效介质参数和楔形棱镜模拟证实了这种全电介质结构的左手性能,并研究了高介电质平板尺寸变化对负折射率通带的影响.用具有高介电系数的介电质材料构筑左手材料可以克服传统的基于金属基元的左手材料在红外和太赫兹波段面临的结构复杂和损耗问题,为高频低损电磁超介质的开发提供一种新的结构设计思路.     

基材塑性模量对手性拉胀结构拉胀性能的影响

针对两种经典手性拉胀结构(三节点反手性材料和六节点手性结构),系统考察了基体材料塑性模量对其拉胀性能(负泊松比行为)的影响.结果表明:塑性变形会抑制三节点反手性结构的拉胀性能,基体材料塑性模量越小,其拉胀性能越差;与之相反,塑性变形会促进六节点手性结构的拉胀性能,基体材料塑性模量越小,其拉胀性能越好.此外,在初始变形时,两种结构的负泊松比响应均为各向同性,但随着变形的增加,负泊松比响应转为具有旋转对称性的各向异性.     

手性蜂窝夹芯概念发动机罩行人头部保护性能仿真

为了减小汽车事故中的行人头部损伤,提出了一种具有四韧带手性蜂窝芯体的夹芯吸能式发动机罩概念设计.建立了头型冲击器、四韧带手性蜂窝以及传统六边形蜂窝夹芯的吸能式发动机罩有限元模型,仿真对比了两种机罩对行人头部的保护性能.结果表明:与六边形蜂窝相比,四韧带手性蜂窝夹芯机罩能更有效地减小行人头部碰撞损伤.建立的四韧带手性蜂窝夹芯吸能式发动机罩,可以为汽车事故中用于行人头部保护的新型吸能发动机罩设计提供参考.     

负泊松比结构的三点弯曲性能研究

该文研究了内凹六边形负泊松比结构的三点弯曲力学性能,基于显式动力有限元ANSYS/LS-DYNA建立了该结构的有限元模型,进行了冲击试验仿真,并以单位质量吸能量(SEA)和碰撞力峰值(PCF)为评价指标,探究了胞元结构参数对其性能的影响。研究结果表明,胞元厚度增加或胞元高度降低,可使SEA与PCF同时增加;SEA随着胞元宽度的增大先升高后降低,而PCF则呈相反的趋势;SEA随着胞元内凹角的增大而减小,而PCF在内凹角较小及内凹角约45°时较大。因此,合理选择胞元参数对提高负泊松比结构的弯曲力学性能具有重要意义。     

求解非负约束优化问题的可行LS共轭梯度法

结合子空间思想和Liu-Storey(LS)共轭梯度法,提出了求解大规模非负约束优化问题的可行共轭梯度算法,并分析了算法在Armijo型线性搜索下的全局收敛性.数值实例表明该算法是有效的.