材料结构与性能课程线上线下混合式教学改革初探

为加强材料结构与性能双一流本科课程建设,提高课程教学质量,提升学生的自主学习、科研思维、交流协作、实践创新等综合能力,培养兼具扎实的理论知识、熟练的实操技能、高尚的职业道德的复合型人才,文章在总结传统教学弊端的基础上,对课程体系和教学内容进行重构,采用线上线下混合式教学模式,同时兼顾经典与前沿、理论与实践,并引入多模块化过程考核评价方式进行教学改革探索,以供高校同类课程借鉴。

某型飞机复合材料结构损伤分布规律

针对飞机复合材料结构的损伤和修理问题,对某型固定翼飞机机翼、机身等部位的复合材料结构应用和损伤情况进行统计,复合材料在该型飞机的主要应用形式主要有实心整体壁板和夹芯层合板2种,建立随时间变化的结构损伤分布模型,利用统计方法对损伤分布进行拟合和检验。结果表明:结构损伤的数量比例分别为蒙皮分层占75%、长桁分层约占20%、长桁脱黏约占4%;对数正态分布、Weibull分布、Γ分布均可以拟合这3种类型损伤的几何参数分布,其中对数正态分布模型的拟合效果最好;单架飞机的损伤几何参数分布规律不随时间变化,同型号飞机之间的损伤几何参数分布规律也高度相似,可采用统一的函数形式描述。

基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化设计

为了满足多相材料结构动态性能要求,提出一种基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化设计方法。采用序列固体各向同性料插值模型惩罚刚度矩阵和质量矩阵,以多个动载荷作用的多相材料结构总动态柔顺度最小化为优化目标,以结构质量和成本为约束条件,构建多相材料结构动态拓扑优化模型,利用等效静态载荷法将多相材料结构动态拓扑优化问题转化为多工况下的多相材料结构静态拓扑优化问题,以降低灵敏度分析的复杂程度;采用移动渐近线算法求解多相材料结构动态拓扑优化问题。数值算例结果表明所提方法是有效性的,与传统的拓扑优化方法相比,基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化求解时间节省了75%,大大提高了计算效率;与单相材料拓扑优化结果相比,多相材料结构动态拓扑优化设计获得的结构具有更好的动态性能。

基于BP神经网络的木芯复合材料结构疲劳寿命预测

以不同试验条件下木芯复合材料结构的三点弯曲疲劳试验和四点弯曲疲劳试验的疲劳试验数据为样本,构建载荷等级疲劳寿命(S N)曲线模型和BP神经网络模型,并对试件疲劳寿命进行预测,同时利用BP神经网络对木芯复合材料结构疲劳寿命影响因素进行权重分析。结果表明:指数函数模型、幂函数模型、BP神经网络模型均可有效实现对木芯复合材料结构的疲劳寿命预测,其中BP神经网络模型的预测精度最高;载荷等级、均质化格构腹板面积比、跨高比对疲劳寿命的影响权重依次降低,合理设置格构腹板是提高木芯复合材料结构疲劳寿命的有效方法之一。

随机复合材料结构非线性热-力耦合模拟的统计高阶多尺度方法

对于具有复杂随机细观构造的复合材料结构的非线性热-力耦合问题的随机多尺度建模和计算仍是一个具有挑战性的问题。本文发展了一个新的统计高阶多尺度方法,克服了随机多尺度问题直接模拟时巨大的计算量,实现了具有随机复合材料结构非线性热-力耦合问题的数值模拟。借助统计多尺度渐近分析和泰勒级数方法,本文严格推导了可以精确分析随机复合材料结构宏-细观尺度非线性热-力耦合响应的统计高阶多尺度计算模型。然后,通过局部误差分析证明了统计高阶多尺度计算模型中高阶校正项在保持计算模型局部能量和动量守恒的重要意义。进一步,建立了可以高效模拟随机复合材料结构非线性热-力耦合行为的具有离线和在线两阶段的时空多尺度算法。最后,通过数值实验验证了统计高阶多尺度方法的计算高效率和高精度。

基于离散变量的多材料结构拓扑优化设计

多材料结构拓扑优化相比于单材料结构优化具有更大的设计空间,展现出巨大的设计潜力和应用前景。本文基于离散设计变量研究多材料结构拓扑优化,通过建立有效的设计优化方法,获得轻质高效的结构设计。首先,根据离散变量的特点,建立多材料结构拓扑优化模型,由离散变量下约束函数和目标函数的灵敏度信息构造序列近似整数规划子问题,采用运动极限策略限制设计变量的改变量以保证整数规划子问题的近似精度。为了解决离散变量的组合复杂性,采用具有多项式复杂度的正则松弛算法来高效求解(和经典的连续变量算法效率相当)。本文利用多材料结构最小柔顺性优化问题以及最大传热效率优化问题研究离散变量方法的有效性。数值算例表明,离散变量优化方法可以获得稳定迭代收敛的多材料拓扑设计,优化构型中的材料界面清晰分明,有效避免了出现模糊区域。

民用航空复合材料结构服役安全创新团队

民用航空复合材料结构服役安全创新团队共有固定研究人员20余人,其中教授3人,副教授4人,讲师3人,高级实验师1人,实验师1人,在读博士及硕士研究生40余人,已培养硕士研究生80余人。团队长期从事航空复合材料结构工程应用中的基础力学与软件开发问题,涉及高精度板壳分析理论、先进数值方法、异性材料断裂与损伤力学、多物理场求解理论、多尺度分析理论、复合材料结构修理技术、民用飞机结构健康监测与管理技术等。

“材料结构表征与应用”课程实践性教学模式探索

培养研究生的科研实践能力是研究生教育的重要任务,课程教学是研究生能力提升的一条重要途径。在“材料结构表征与应用”课程教学过程中,通过完善线下课堂教学、丰富线上课程任务、营造开放教学环境、开展多元化实践教学的一系列改革举措,激发学生的自主学习兴趣,加强理论知识与工程实践的深度融合,有效提高研究生的创新思维及应用所学知识分析问题、解决复杂工程问题的能力。

高参数球阀的变形分析及材料结构的优化对比分析

高参数球阀具有良好密封性能、快速切断能力以及耐腐蚀性,用于控制流体介质的流量、压力和方向,因此在多个工业领域具有广泛应用。为了优化高参数球阀设计,模拟不同工况下球阀的应力应变状态,并对比多种材料和结构方案,提出球阀优化策略,既能保证密封性能,又能兼顾流通能力和结构紧凑性,期望能够为相关工作者提供参考与帮助。

复合材料结构超级电容器碳纤维电极的制备与改性方法

高性能的碳纤维电极可以应用于更多的电化学装置,拓宽超级电容器的应用范围。通过优化制备和改性工艺,可以降低碳纤维电极的生产成本,从而降低超级电容器的整体成本,使其更具市场竞争力。通过分析复合材料结构超级电容器工作原理,基于氧化处理、电极涂覆和化学气相沉积等手段,探讨了复合材料结构超级电容器碳纤维电极的制备工艺,并提出相应的改进方法。通过分析碳纳米管(CNTs)、石墨烯和金属纳米颗粒等改性材料对碳纤维电极性能的影响,并通过测试对比,证实了复合改性材料对于提升碳纤维电极性能具有显著效果。通过测试分析,以期为未来超级电容器和其他电化学装置的开发提供一定参考。

复合材料结构优化设计及其在化工工艺中的应用

化工工艺中常用的材料主要包括金属、陶瓷、有机聚合物、玻璃、石蜡等,它们具有不同的物理特性,在不同的工艺条件下,需要选用不同的材料。传统上,化工工艺中大多数都是根据经验进行材料的选型,很少考虑采用多种材料复合形成高性能新型材料的方式,不能完全满足化工工艺对材料的要求。复合材料具有优异的物理性能和力学性能,兼具有结构优化设计、成型工艺适应性强、重量轻、强度高、耐腐蚀等优点,完全能满足化工工艺的各种要求,得到广泛应用。

面向工程应用的复合材料结构强度校核模块设计与研发

由于具有高比强度和高比模量的显著优势,复合材料结构日益成为大型航空航天装备轻量化设计的首选材料之一。但在设计与分析过程中,复合材料的强度校核会涉及到大量复杂的公式和运算量,严重降低装备结构的设计效率和研发周期。为提高复合材料强度校核的工作效率,基于国产自主CAE平台HAJIF,研发了适用于复杂工程装备的复合材料结构强度校核模块。该模块紧密围绕复合材料结构分析与校核,提供了层合板、夹层板结构的刚度、强度、稳定性分析流程。各个流程与HAJIF平台的前后置有机融合,从而实现有限元模型、分析结果和强度校核结果的一体化显示。以某型无人机复合材料机翼结构为验证对象,分析结果表明,研发的强度校核模块能够满足复合材料强度校核的基本流程和功能,可实现大型复合材料结构的快速强度校核,明显提高了复合材料结构的校核效率。

考虑惯性载荷的多材料结构拓扑优化

基于导重法构建了惯性载荷作用下的多材料结构拓扑优化数学模型,在体积约束下使得其结构柔度最小.将多材料拓扑优化问题分解为一系列单材料拓扑优化问题,采用材料属性有理近似模型(Rational Approximation of Material Properties,RAMP)来表达密度与弹性模量间假定的非线性函数关系,利用导重法建立惯性载荷下设计变量的迭代表达式并通过数值算例验证导重法在考虑惯性载荷作用下多材料结构拓扑优化的有效性.算例结果表明:RAMP插值方法相比其他常用插值模型得到的拓扑构型更清晰,灰度单元更少,在算例1的对比中结构柔度最高降低了35.2%.受惯性载荷影响越大的设计区域其分布的材料弹性模量越大,且高模量密度比能够显著提升结构刚度.

“互联网+”背景下线上线下混合式教学探索与实践--以《复合材料结构修理》课程为例

信息技术的发展为各行业领域带来了创新和机遇。在教学领域中,信息技术的应用促使了线上线下混合式教学模式的诞生。这种教学模式能够充分结合传统和现代教学方法的优势,为学生创造更全面和完善的学习条件,满足当前社会背景下的人才培养要求。相比传统的课堂教学,线上线下混合式教学不仅拓宽了教师的教学视野,还使学生能够以更多元化的方式进行学习。同时让学生的主体地位得到了充分的尊重。本文以《复合材料结构修理》课程为例,探讨在“互联网+”背景下线上线下混合式教学的探索和实践,以期为相关教学工作的开展提供支持及参考。

《材料结构与性能》课程与思政教育的融合探索

《材料结构与性能》是材料化学专业的重要基础课程,深入分析该课程的教学内容及特点,结合时事热点与先进技术,将马克思主义基本原理和中国特色社会主义核心价值观融入课堂教学,以期潜移默化地培养身心健康、品行高洁、爱党爱国、专业技能扎实的全面人才,实现高等教育院校“立德树人、协同育人”的有机统一。

大跨距复合材料结构弯曲载荷监测及定位方法

针对复合材料构件服役过程中载荷监测需求及其面临的实时监测问题,将光纤光栅(FBG)传感器粘贴于碳纤维复合材料表面,用于测量碳纤维复合材料应变,通过建立应变与载荷大小、加载位置理论模型,实现了碳纤维复合材料所受弯曲载荷大小及加载位置的监测,为复合材料服役过程超载警示提供方法与技术支撑。在复合材料构件弯曲载荷作用下,首先对比了有限元分析应变值与理论计算应变值,验证了有限元分析模型的有效性,然后对比了FBG传感器监测应变值与理论计算值之间的误差,最后结合FBG监测应变值计算出复合材料所受弯曲载荷的大小及位置。结果表明:中心载荷作用下,FBG监测应变值与理论计算值最大误差不超过16.22%,载荷大小误差最大不超过10.37%,载荷位置误差最大不超过2.83%;偏心20 mm载荷作用下,FBG监测应变值与理论计算值最大误差不超过10.69%,载荷大小误差最大不超过13.89%,载荷位置误差最大不超过5.70%。

压电复合材料结构的减振/致动性能优化

压电复合材料由于其优越的机械能-电能转换能力,既可用于吸收结构振动能量进行减振,也可施加电压进行致动,但是针对减振与致动性能的设计异同点未被探讨与研究。针对碳纤维-玻璃纤维-压电纤维组成的多层压电复合材料结构的减振及致动性能进行设计与优化,给出了相应的结构铺层建议及优化结果。所设计的复合材料结构包括多层单向混合纤维复合基底和分布式压电片两个主要部分,基底中碳纤维、压电纤维和玻璃纤维对称铺设,压电片贴于基底最外层。基于Euler-Bernoulli梁理论及Hamilton原理推导了压电复合材料结构的机电耦合模型并分析其动力学特性。通过对比不同铺层顺序下结构的减振与致动性能,得到了混合控制结构的最佳铺层顺序。在此基础上,使用遗传算法对分布式压电片贴附位置和整体复合结构中的铺层角度进行优化,分别提升了结构的减振和致动性能。结果表明,分布式压电贴片在最外层时减振效果最好,压电层在内部时致动能力更优。压电贴片的贴附位置优化后,相比于在高应变区贴附的经验布置策略,前三阶模态减振性能分别提升了0.67 dB、0.77 dB及1.87 dB;碳纤维和玻璃纤维铺层角度分别为90.001 5°、53.065 2°时致动效果最佳。

直升机复合材料结构低速冲击有限元仿真方法

本文针对直升机复合材料结构低速冲击,提出有限元仿真方法的观点。在直升机复合材料结构低速冲击损伤领域起到辅助结构设计作用。随着航空航天科技的快速发展,先进复合材料以其比重小、比强度比模量高、耐高温性能好、耐疲劳性能优越等优势在现代直升机结构中获得广泛应用,较好地满足了对高性能低成本制备工艺和减重方面的高要求。然而复合材料在制造和使用维护过程中不可避免会受到外物的低速冲击。

复合材料结构在航空领域的故障及维修研究

复合材料结构综合性能良好,所以在航空领域应用日广,发生的故障也随之增多,未能采取合理的维修技术将给结构后续安全使用带来严重影响。在把握复合材料结构应用情况的基础上,根据结构损伤程度进行故障区分,针对表面损伤、结构分层、夹芯脱胶等不同故障提出相应的维修方法,为科学开展结构维修工作提供技术指导,希望能够增强结构在航空领域应用的安全性。

关于第三届飞行器燃油系统及复合材料结构闪电防护论坛(2023)征文的通知

各有关单位及个人:为促进国内飞行器燃油系统及复合材料结构闪电防护技术的可持续及创新发展,增进国内外技术发展现状、研究趋势以及工程实践的交流探讨,兹定于2023年8月23日-25日在西安举办“第三届飞行器燃油系统及复合材料结构闪电防护论坛”。本次论坛将邀请国内一线专家、学者及工程技术人员,以专题报告形式,围绕燃油系统及复合材料结构的闪电点火源防护开展研讨。