基于类桁架材料模型优化方法计算稳定性研究

推导了2相正交类桁架材料模型,建立了基于类桁架连续体材料模型的单工况和多工况应力约束拓扑优化方法.以杆件在结点位置的密度和方向为设计变量,在单工况下,采用满应力准则法优化杆件密度,将杆件方向与主应力方向对齐;在多工况下,采用方向刚度包络线拟合的方法,由各单工况优化结构导出.通过反复迭代形成类桁架连续体材料优化分布场,进而形成类桁架结构.通过3个经典算例,验证了不同有限单元网格密度和形状下该拓扑优化方法的稳定性,克服了各种拓扑优化普遍存在的单元依赖性.     

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.     

组合点阵材料GBCC-BCC变形机制及力学性能分析

点阵材料是一种轻质多功能周期性的开孔多胞材料,与传统材料相比,点阵材料具有高比刚度/强度、高抗爆抗冲击性能等优异力学性能,在高新技术领域中拥有广阔的应用前景,受到了国内外研究者的广泛关注.本文设计了一种变密度体心立方嵌套体心立方(Graded Body Centered Cubic nested Body Centered Cubic, GBCC-BCC)点阵材料,与常规体心立方(Body Centered Cubic, BCC)点阵材料相比,具有更为优异的比力学性能(比刚度、比强度和比吸能).利用3D打印技术制备了不同相对密度的GBCC-BCC点阵材料,采用实验与数值模拟相结合的方式,研究了新型点阵材料GBCC-BCC的力学性能,包括尺寸效应、变形模式、拉压不对称性以及不同相对密度下的比力学性能.实验数据和数值模拟结果均表明在单轴压缩工况下,相对密度大于0.3时, GBCC-BCC点阵材料Z方向的比刚度、比强度和比吸能优于多数基本构型点阵材料和拓扑组合构型点阵材料.     

《中国学术期刊文摘》综述文摘选登

格栅结构力学性能研究进展范华林(清华大学航天航空学院,北京100084)格栅复合材料是一种新型轻质高强材料。综述了格栅复合材料的周期构型特征和格栅结构的制备工艺。归纳了二维周期格栅材料的等效刚度矩阵计算方法,比较了不同构型格栅的基本力学性能,介绍了胞元材料的微极弹性理论和格栅的强度与屈服面计算方法。     

层厚比对钛/铝复合板拉伸力学性能的影响

针对TA1/3003层状复合板,考虑钛/铝层状复合板厚度方向非均质材料力学特性,通过单向拉伸实验,研究层厚比对钛/铝复合板拉伸力学性能的影响及断裂机理。结果表明,钛/铝复合板的强度、均匀伸长率、断裂伸长率等力学性能均介于两种组元材料之间,拉伸过程中试件在宽度方向上产生附加应力,产生向钛侧翘曲的现象。用ABAQUS模拟不同层厚比复合板的单向拉伸过程,结果表明复合板力学性能与组元层厚比和组元材料性能有关,对比模拟、加权公式与实验结果,表明抗拉强度、屈服强度与弹性模量基本符合层厚比加权平均规律,上述方法可用于预测复合板的性能参数,并为实现复合板综合力学性能定量化设计奠定了基础。     

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。     

声学多孔材料的孔结构优化

介绍了一种基于微结构的声学模型,可用来对多孔材料的微组织结构进行优化,从而使多孔材料具备最佳的声学性能.该模型是一种适用于低雷诺数的非稳态线性声学模型,主要微结构考虑平行排列的柱形杆件或圆球列阵,包括3个子模型:①声波传播方向平行于圆柱形杆件的子模型;②声波传播方向垂直于圆柱形杆件的子模型;③声波在圆球列阵中传播和吸收的子模型.前2个子模型通过考虑多边形周期边界条件的影响,计及了相邻圆柱形杆件间的交互作用.由于模型是线性的,因此可以结合起来描述任意角度入射声波的传播特性.第3个子模型可用于描述胞状多孔材料中节点处的情形.文中利用这3个子模型来扩大吸声材料的设计空间,根据不同用途所要求的声学特性计算最优的胞元结构,并对这种模型的应用领域进行了分析讨论.     

尺寸不规则度梯度分布参数对泡沫金属单轴拉伸力学性能的影响研究

采用数值模拟的方法,定量研究了尺寸不规则度参数为连续梯度分布时,泡沫金属在单轴拉伸下的力学性能;通过对比形状不规则度相同但尺寸不规则度不同的模型结果,明确了尺寸不规则度是影响泡沫金属力学性能的重要因素。结果表明,不规则度连续梯度变化的3D Voronoi模型是横观各向同性材料,单轴拉伸时胞孔局部变形显著;梯度参数影响梯度方向和非梯度方向的力学性能,且对梯度方向的单轴拉伸屈服强度和破坏强度尤其突出,呈二次函数关系,存在最优解。通过对比尺寸不规则度不同但形状不规则度相同的3D Voronoi模型单轴拉伸力学性能,发现梯度方向比非梯度方向的屈服强度和破坏强度受尺寸不规则度的影响更明显,不同于单轴压缩,尺寸不规则度参数是影响单轴拉伸力学性能的重要细观结构参数。对细观结构对多胞材料力学性能的影响研究进行了完善,有助于多胞材料的优化设计。     

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.     

桁架结构拓扑及截面尺寸优化设计方法

为克服传统基结构设计方法对最优解的束缚,实现桁架结构的拓扑布局及尺寸优化,提出了将连续体与离散杆系相结合的桁架结构优化设计方法。从连续体出发,基于SKO连续体拓扑优化方法得到了最优拓扑布局;以二值图像细化算法为基础,提出了基于有限单元8邻域网格模型的骨架提取算法,通过剥离冗余单元,得到了连续体拓扑优化结果的中心传力骨架;以单元主应力为判据,精确找到骨架中的关键点,并连接关键点形成了初始桁架结构;基于拉格朗日乘数法和KuhnTucker条件,以初始桁架中杆件的内外半径为设计变量,结构体积为约束条件,结构柔度为目标函数,建立了桁架结构杆件尺寸优化的数学模型,并推导出其优化迭代准则。最后,以一悬臂结构为例对该优化方法的应用进行了说明,并使用一经典算例与其他文献中的方法进行了对比,结果表明:该优化方法得到的桁架结构具有优化的拓扑构型和力学特性,杆件布局、尺寸合理,应力均匀。     

Enhanced resistive switching properties of HfAlOx/ZrO2- based RRAM devices

Resistive Random-Access Memory (RRAM) devices are recognized as potential candidates for next-generation memory devices, due to their smallest cell size, high write/erase speed, and endurance. Particularly, the resistive switching (RS) characteristics in oxide materials have offered new opportunities for developing CMOS-compatible high-density RRAM devices. In this study, the RS behavior of HfAlO_x/ZrO₂ thin films sandwiched structure between TiN bottom electrode and Au top electrodes were investigated. It was found that Au/HfAlO_x/ZrO₂/TiN stacks were superior in terms of RS performance when compare to Au/HfAlO_x/TiN memory stacks. The devices demonstrated a good resistance ratio of high resistance state and low resistance state ～10³ for Au/HfAlO_x/TiN and ～10⁵ for Au/HfAlO_x/ZrO₂/TiN stacks, respectively. Both stacks showed good retention characteristics (>10⁴ ?s) and endurance (>10³ cycles). The experimental current-voltage characteristics fitted with different conducting mechanisms, the linear lower bias region is dominated by ohmic conductivity, whereas the non-linear higher bias region was dominated by space-charge limited current conduction mechanism.     

钢-混凝土组合梁弹性屈曲的力学性能

为避免钢混凝土连续组合梁发生局部失稳 ,对负弯区钢梁腹板在弯曲应力、轴向压应力和剪应力联合作用下的力学性能进行了研究。基于偏心受压与剪切作用下的相关方程和各种简单受力条件下的屈曲分析结果 ,计算了钢梁腹板在复杂应力状态下的弹性屈曲因数 ,并提出了组合梁在弹性受力阶段钢梁腹板不设横向加劲肋的高厚比限值。计算表明 ,连续组合梁负弯矩区钢梁腹板的弹性临界高厚比主要受弯曲应力的影响 ,其次为剪应力。与现有规范相比较 ,该计算方法具有更广泛的适用性     

火灾后混凝土连续构件的损伤与加固试验研究

为了研究受火后混凝土连续受弯构件的力学性能,进行了5个混凝土两跨连续板和7个两跨连续梁的系列试验.试验内容包括依据ISO 834标准升温曲线进行的混凝土连续构件受火试验,以及高温后受损构件和修复加固构件的静载试验.试验结果表明,高温对混凝土连续受弯构件的力学性能有明显的影响;随着受火程度的加重,混凝土构件力学性能呈下降趋势.分析试验结果可知,初始刚度降幅最为明显,正常使用承载力的降幅大于极限承载力的降幅;连续板试件的损伤大于连续梁试件.通过置换受损混凝土并采用碳纤维布加固受火后连续构件可使其承载力恢复到甚至超过受火前的状态,加固后初始刚度的提高并不明显.     

高速铁路下承式钢箱系杆拱结合桥的受力分析

为了了解下承式系杆拱结合桥的受力性能,根据武广客运专线某140 m下承式钢箱系杆拱结合桥,设计制作1个比例尺为1-8的全桥试验模型,并对桥梁在全桥均布、半桥均布、全桥偏载、半桥偏载和超载共5种工况进行加载试验和分析.研究结果表明:在均布荷载作用下,半桥加载方式引起的竖向挠度约为全桥加载时的2倍;在偏载作用时,重载侧与轻载侧竖向挠度之比小于它们的荷载之比;在受力上,拱肋、系梁和纵梁的半桥均布加载都比全桥均布加载时更不利;对于横梁,端横梁梁端面内接近固结,其他横梁梁端面内接近铰结,面外弯曲问题则可通过采用箱型横梁和加大端横梁截面尺寸等措施加以缓解;刚性吊杆既受轴拉作用,也受弯曲作用,以端吊杆受力最为不利,设计时需引起注意;混凝土板的受力状态以第一系统引起的轴拉作用与竖向荷载引起的弯曲作用为主,采用3%以上的高配筋率时裂缝宽度能得到有效控制.     

微孔结构对多孔材料细观力学特性的影响

在三维孔隙材料如泡沫材料中，胞孔的形状及大小并非完全均匀，因此借助二维均匀化方法来讨论胞孔形状及大小对多孔材料性能的影响。在线弹性范围内，根据均匀化理论，基于虚位移原理，结合有限元方法推导出二维周期性结构的均匀化的有限元格式。取具有不同孔洞形状的正方形胞元作为周期性结构的代表胞元，将三维孔隙材料简化为截面上具有规则孔洞的二维结构，来计算不同微孔形状及大小下的等效弹性常数；比较分析了微孔结构对多孔材料等效弹性常数的影响。计算结果分析表明，多孔材料的等效弹性参数不仅取决于微孔结构的数量，而且对微孔结构的形状也有一定程度的敏感，同时对基体材料的泊松比的变化敏感与否也与微孔结构有关。     

开孔碳纤维复合材料层合板的拉伸失效有限元分析

基于ABAQUS有限元软件中的二维壳单元和三维实体单元,对铺层角度为［0°/(±45°)₃/(90°)₃］_s的开孔T300/1034-C碳纤维复合材料层合板在拉伸载荷作用下的失效过程进行研究.首先,在ABAQUS有限元软件中建立壳单元和连续壳单元碳纤维复合材料模型,利用自带的2D Hashin准则与退化模型模拟了层内失效.但二维模型没有考虑各层失效间的相互影响,进而通过编写材料子程序VUMAT,引入3D Hashin准则和基于断裂能的等效应力-应变双线性退化方式,采用实体单元模拟碳纤维复合材料的失效行为.通过对三种单元模型进行模拟,结果表明:开孔造成的应力集中会使层合板在拉伸过程中纤维与基体更易失效,成为裂纹源;在层合板失效过程中,都呈现“X形”向“沙漏形”失效发展趋势,最终沿宽度方向断裂;实体模型模拟精度相比于传统壳单元、连续壳单元的偏高更接近实验数值,三种单元模拟极限失效载荷与实验数据相差分别为26.1%,31.1%,8.64%.     

角焊缝弯扭计算的两类问题

利用已知弯扭力学模型和力学知识，对连接中角焊缝弯扭问题给出一套界定办法，使弯扭问题的判别变得明确清楚，从而解决了弯扭设计中的一些模糊问题。     

泡沫金属材料孔结构力学行为研究进展

概要叙述了泡沫金属材料的制备方法，着重介绍了泡沫金属材料孔结构力学行为方面的研究成果，主要讨论了微缺陷对孔结构力学性能的影响、孔失效机理、孔的几何形态对荷载作用的敏感性、变形带的形成和发展以及开孔结构的理论力学模型．并在此基础上对该研究领域的发展趋势进行了讨论和展望，展现了计算机形态分析方法和数字图像处理技术在孔结构力学性能测试方面具有广泛的应用前景．     

Enhanced mechanical properties of AZ31 magnesium alloy sheets by continuous bending process after V-bending

The effects of V-bending process, continuous bending process and combination process on the microstructure and mechanical properties and formability of an AZ31 magnesium alloy sheet were investigated. The experimental results showed that no twins were found in the microstructure of all samples after processes due to the fine grain. The V-bending and continuous bending processes were proved to be an effective approach to modify the mechanical properties and formability. While the samples after the combination process exhibited better mechanical properties and formability than the single processed sample. The yield strength significantly decreased with the value of 100 MPa and the fracture elongation enhanced to 18.3% at room temperature. The Erichsen value was 5.0 mm which was significantly increased by 117% compared with as-received sample. The superior formability of combination processed samples was mainly attributed to the smaller r-value and n-value.