大型网架式可展开空间结构的非线性动力学与控制

我国航天工业迫切需要掌握可入轨后展开的大型网架式空间结构技术,以便研制口径十几米、乃至数十米的星载天线.该技术的主要科学基础是这类空间结构展开和服役过程的非线性动力学建模、分析和控制.本文综述了与上述科学基础相关的研究进展,提出应重点关注的3个科学问题:一是大型网架式空间结构展开过程的多柔体系统动力学,尤其是如何对微重力环境下索网的接触和缠绕、运动副内碰撞、结构展开与航天器本体间的耦合等导致的非线性动力学进行建模和分析;二是大型网架式空间结构展开锁定后服役的动力学分析,尤其是如何揭示结构柔性、众多运动副间隙、交变热载荷等因素引起的复杂非线性振动机理;三是大型网架式空间结构展开锁定后服役的动力学控制,尤其是如何在欠驱动、低能耗条件下对非线性振动和波动传播提出有效的控制方法.

非厄米力学系统基本原理与研究进展

非厄米理论是研究开放系统动力学行为的一种理论框架,其概念起源于量子力学,借助该理论可以揭示出奇异点、手性模态转换、拓扑趋肤效应等新奇现象,为反常波动与振动调控提供了新思路.本文着重以力学的语言对非厄米系统的基础概念进行介绍,阐明经典系统与非厄米系统的关联和扩展关系,并介绍相关前沿研究进展.首先介绍非厄米力学系统中的奇异点、宇称-时间反演对称性等基本概念,并介绍奇异点微扰理论及其在高灵敏度传感等领域的应用机理,之后介绍奇异点附近特征值曲面的拓扑结构,以及环绕奇异点的模态演化规律,最后介绍非厄米力学系统中的拓扑波动行为.

非均匀微极介质的有效性质分析

首先讨论了不同尺度关系下宏细观过渡方法,然后重点介绍了尺度关系满足L l A≈l_m时(适用于金属基复合材料,泡沫基复合材料和纳米复合材料等),构元材料看作微极介质,而均质化后的材料仍可看作传统Cauchy介质时的解析弹塑性细观力学方法。在这样的理论框架下,细观结构的尺度影响可作为变量引入细观力学模型,并且当A l_m时 该方法自然退化成传统的细观力学方法。

复合材料有效弹性性质分析方法

建立复合材料的有效性质与微结构参数的关联，是复合材料优化设计的基础．本文具体针对有效弹性性质，重点介绍了建立有效性质的基本思路和主要分析方法．首先讨论了代表单元的概念，然后分别从复合材料有效性质的普适关系、界限理论和近似方法三个不同的视角较全面地介绍了建立非均质材料有效性质的方法、主要结果和最新进展．重点从构型的概念和微结构分布形式上分析了各种模型间及分析方法之间的联系与差别．最后还就建立非均质材料有效性质中存在的问题和研究热点做了简单的介绍．

复合材料力学性能细观预测

利用细观力学平均应力场理论和割线模量，本文给出了分析复合材料弹塑性能的统一模型，并详细地分析了单向增强、平面、空间任意取向、叠层等复合材料，弹性、屈服、硬化性能与微观结构的关系．模型预测结果与实验值吻合较好．

微结构分布对复合材料弹塑性性能的影响

目的 分析夹杂分布和取向对复合材料塑性性能的影响方法 用PCW(PonteCasteneda和Willis)的弹性细观力学模型及应力二阶矩割线模量法,给出分析复合材料微结构分布及取向对其塑性性能影响的一种模型结果 对所研究的SiCAl复合材料系统,计算结果表明颗粒分布对材料的塑性性能影响不大本文证明MoriTanaka模型在分析夹杂具有取向分布时,它相当于PCW方法中刻划夹杂分布的椭球域的形状和取向与夹杂一致,但这种分布是无法在PCW的结构中实现结论 提出能够同时考虑夹杂形状、取向及分布对复合材料塑性性能影响的解析模型。

残余应力对复合材料弹-塑性变形的影响

从细观力学的角度给出了分析残余应力对一般复合材料塑性性能影响的一种解析方法 ,该方法基于应力二阶矩的割线模量法及 Ponte Castaneda和 Willis给出的弹性细观模型。有残余应力时 ,所提的细观解析模型能够同时考虑纤维形状 ,体积百分比 ,纤维取向及纤维的分布对复合材料变形的影响。计算结果表明 ,残余应力的存在会引起复合材料拉压变形的不对称 ,材料宏观的拉压硬化曲线又与复合材料的细观结构参数密切相关。对单向复合材料 ,本文作者对其等效割线热膨胀系数 ,拉压应力 -应变曲线的有限元分析结果与给出的细观解析模型定量吻合。

复合材料宏观性能的细观力学研究

本文利用Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ平均场理论，从细观力学的角度讨论了建立复合材料宏观性能与微观结构联系的方法．

左手材料

左手材料同时具有负的介电常数和磁导率及负的折射率,与电磁波的相互作用和传统材料有本质的区别。针对左手材料的基本特性及其设计与制备的一些相关问题,作了简单的总结和介绍。

颗粒增强高分子基复合材料细观塑性研究

基于基体的Ｒａｇｈａｖａ屈服准则，及改进的割线模量法，本文给出了一种细观力学方法来描述由于基体的Ｓ－Ｄ效应及宏观三轴应力对复合材料塑性变形的影响。

Effective Moduli of Two-Layered Spherical Inclusions Reinforced Composites

A model is proposed to evaluate the,effective modufi of a composite reinforced by two-layered spherical inclusions.This model is based on the localisation problem of a two- layered spherical inclusion embedded in an infinite matrix.The interations of the reinforced phases are taken into account by using the average matrix stress concept.When the external layer vanishes,the proposed model reduces to the classical Mori-Tanaka's model for spherical inclusions.Theoretical results for the composite of polyester matrix filled by hollow glass spheres and voids show excellent agreement with experimental results.

钨合金易碎动能穿甲弹穿甲有限元模拟与分析

研究具有不同力学特性的材料作为钨合金易碎动能穿甲弹的侵彻和破碎性能.在建立钨合金易碎动能穿甲弹有限元分析模型的基础上,运用大型动态非线性有限元分析软件MSC-Dytran模拟具有不同拉-压强度比的钨合金穿甲弹在穿透靶板时的侵彻和破碎过程.仿真结果表明,弹体的破碎及毁伤性能随其材料拉伸强度的降低而提高;弹体材料拉伸强度的提高有助于侵彻的进行.数值模拟和结果分析有助于为易碎钨合金动能穿甲弹的研制提供一定的理论参考依据.

弹性拓扑材料研究进展

拓扑绝缘体起源于量子波动系统,因其单向传输、能量无耗散等新奇物理性质,近年逐渐被拓展到电磁波、声波、弹性波等经典波动领域,为经典波的调控提供了新思路.本文将系统介绍拓扑绝缘体理论及其在弹性波领域的相关研究进展.首先以一维、二维离散点阵系统为例,阐释拓扑物理研究中的基本数学、物理概念,如狄拉克锥、能带翻转、贝里曲率、拓扑数等.随后,依次讨论弹性系统谷霍尔绝缘体、陈绝缘体、自旋霍尔绝缘体的设计思想及目前研究进展,并讨论了近年来逐渐受关注的高阶拓扑现象.最后,讨论了静力学中拓扑孤立子、拓扑零能模式现象.

左手材料设计及透明现象研究进展

左手材料具有负的介电常数,磁导率和折射率,它与电磁波相互作用的规律与传统材料有本质的区别.首先讨论了金属线点阵结构实现负介电常数和开口谐振环点阵结构实现负磁导率的内在机理,综述了目前实现左手材料的设计与制备方法,讨论了左手材料研究中能量如何定义以满足守恒律,左手材料的宏观等效参数的确定,以及影响左手材料负折射相对频带带宽的因素。最后对左手材料在光子隧道效应和电磁波透明方面的应用进行了介绍,重点讨论了利用力学中的"中性夹杂"概念对电磁波透明的设计.论文还探讨了声波左手材料的概念和物理意义,介绍了用声波左手材料实现声波透明的方法.

驻波电帘除尘效率的实验研究

月尘将对在月球表面进行巡视探测的设备产生严重不利影响。文章分析了利用驻波电帘对探测器的太阳电池板进行尘埃清除和防护,给出了电帘表面的电场分布,颗粒在电帘表面的受力状态和起跳、跃移过程,通过实验测量给出了电帘结构各参数对除尘效率的影响,制备了自清洁演示系统,对电帘的能耗进行了测定;表明驻波电帘是月表探测任务中尘埃防护的有效方法。

五模材料及其水声调控研究

五模材料是一种具有固体特征的复杂流体,可通过超材料技术由固体材料经过微结构精心设计近似得到.可调的模量各向异性和固体特征赋予五模材料优越的水声调控能力,在降低水下物体目标强度等领域有着重要潜在应用,因此受到了国内外工程和学术界关注.本文就五模材料基本概念、微结构设计、声波调控、加工制备等方面对该类材料的研究进展进行详细介绍,并对五模材料在工程中应用存在的问题进行了讨论,以期为后续相关研究者提供参考.

基于交变电场的月表除尘方法研究进展

实施月球表面探测时,月表尘埃物质容易在探测设备表面沉积并造成严重不利影响.近年来交变电场除尘方法被认为是在月表进行尘埃防护的有效手段,但要使该方法实用化,仍需要弄清除尘的机理,确定相关影响的因素,以便进行优化设计.本文从实现交变电场的电帘出发,分别介绍电帘表面的交变电场分布、颗粒在电帘表面的受力状态、颗粒群运动过程中的摩擦电荷分布、颗粒运动的模拟方法、颗粒运动过程、除尘效率和能耗的理论和实验研究,并对自清洁太阳能电池板系统的设计与制备进行了总结.对颗粒的起跳过程、静电的生成和除尘效率影响因素等普遍关注的问题进行了细致的讨论和总结,指出了颗粒的带电量对起跳过程的关键作用.最后,对该除尘防尘存在的问题进行了归纳,并展望了该领域的发展趋势.

连续变化界面层对复合材料弹性性能影响

界面层对复合材料的变形和破坏有着重要的影响,实际界面层的性能是随位置而连续变化的,但目前大多数考虑界面层影响的工作都假设界面层材料性能均匀或分层均匀。假设界面层的性能是空间位置的幂函数形式,给出了具有上述界面层的纤维和球形夹杂在球压和剪切载荷下的解,然后利用平均场方法建立了上述复合材料的有效弹性性质与微结构的联系。还将上述方法与均匀界面层模型进行了比较,计算结果表明,界面层的性质对复合材料有效性质和局部应力的分布有着重要影响。

大型航天器结构的热致振动研究

多数航天器在轨服役期间会受到冷热交变热辐射载荷作用而出现热致振动问题,因此,在结构设计阶段准确地预测热诱发的航天器动力学行为至关重要。基于绝对节点坐标方法,并采用耦合的热-结构分析模型,建立了可以对大范围运动的薄壁管和复合材料层合板进行热-动力学耦合系统分析的非线性有限单元,同时基于浓缩的形函数推出了非线性弹性力的高效计算公式。利用所建单元,针对受到太阳辐射热冲击载荷作用的航天器结构展开研究。首先,研究了经典的悬臂梁和板结构的热致振动,其位移响应都出现了不稳定的热颤振现象,并从热弯矩做功角度解释了产生热颤振的原因;然后,又研究了UARS卫星和Ulysses自旋稳定航天器的热致振动,将它们简化为刚-柔耦合的多体系统动力学模型,UARS的加速度响应出现了热跳变现象,而Ulysses的姿态角响应出现了热拍现象;最后,研究了大型环状天线的桁架结构及其支撑机械臂结构,热变形和振动幅值都较小,即结构较稳定。

高体积分数颗粒增强复合材料有效线性与非线性介电性质的研究

基于两球相互作用的近似解,提出了一种解析方法来预测颗粒增强复合材料的线性有效介电性质,该方法可以应用于颗粒体积分数较高(可达50%)的情况.利用割线方法还研究了该类复合材料的非线性有效性质.结果表明当外加电场较弱时该文提出的方法与Stroud和Hui的方法比较接近,当外场较强时与Yu和Hui的方法一致.