用拓扑优化设计多体分比蜂窝状结构(英文)

提出用拓扑优化及增材制造法设计同一材料制作的蜂窝状结构,并把设计可归结为在不同的设计域内使用不同的体分比的拓扑优化问题。首先推导了多体分比约束条件下的蜂窝状结构拓扑优化问题;然后提出了基于多阈值的等值面法及与商用有限元分析软件对接的算法。给出了有三个体积约束的最小柔顺性问题的数值算例。计算结果表明,对于具有三个体积约束的拓扑优化设计问题,存在一个最佳的体积约束组合;使用等量的材料,与两个体积约束的最佳拓扑设计相比,用最佳体积约束组合所得到的优化结构的柔顺性还要小10%。

面向结构形状控制的压电纤维复合薄膜驱动器布局方式与控制参数协同优化设计

能够根据工作环境改变翼面形状的自适应变形能力是未来航空、航天飞行器结构设计追求的重要目标。研究驱动器布局方式以及控制参数的设计技术是实现该目标的关键。以压电纤维复合薄膜(Macro fiber composites,MFC)作为驱动器,研究在一定数量的MFC驱动器条件下,通过驱动器布局与控制参数的协同设计,以实现类翼面平板结构具有理想形状的最优控制设计方法。以驱动器的铺设位置、铺设角度、层数、对称性以及控制电压为设计变量,以驱动器的击穿电压、铺设位置限制等为约束,建立多参数下的协同优化设计模型。数值算例以类机翼平板的弯曲、扭转、弯扭型面作为理想型面,以实际型面与理想型面在81个参考点位置的均方差为评价指标,设计获得弯曲、扭转和弯扭组合型面的均方差分别为9.977×10–5、4.394×10–4和5.308×10–4,实现了较高的变形控制精度。研究了驱动器数量对变形精度的影响,制作了具有6个驱动器的类翼面平板结构测试平台,仿真与试验结果高度吻合,从而验证了所提出的驱动器布局与控制电压协同优化设计模型的有效性和可行性。

四节点四边形拟协调Mindlin板单元

本文运用近年来发展的拟协调元法的基本思想,构造了一个简单有效的四节点四边形的Mindlin板单元.该单元完全控制了W的“时漏模式”(hourglass-mode)对有限元解的影响.数值结果表明该单元实施简单、不缺秩且收敛快.

基于压电悬臂梁的驱动器与传感器性能分析的精确解析模型

三层压电梁结构在电场作用下发生变形后会产生诱发电势,进而改变材料整体电势分布,本文考虑此变形和电势耦合效应,基于欧拉-伯努利梁变形理论,推导出能够准确预测压电智能悬臂梁传感器与驱动器性能的解析表达式。考虑压电梁结构弯曲变形后产生的电场影响,建立了三层压电梁结构的控制方程;建立了压电梁作为驱动器时端部输出位移、驱动力矩与输入电压之间联系的解析表达式,以及作为传感器时输出电压与端部作用力之间联系的解析表达式。通过与ANSYS有限元模拟结果以及传统的驱动器和传感器性能表达式的对比,验证了所推导的解析表达式的准确性。

结构储能碳纤维复合材料设计及其在无人机上的应用

随着航空航天领域的迅速发展以及世界各国低空领域不断开放,各种无人机应用显著增多,空中环境污染问题也随之而来,各国清洁天空计划不断推进。与此同时人们对无人机本身的属性要求也越来越高,对复合材料应用提出了新的挑战。将储能电芯和超薄碳纤维复合材料相复合,制备了储能、承载一体化的结构储能碳纤维复合材料(Structural energy storage carbon fiber composite,SESCFC),对其空载和受载条件下的电化学性能进行了测试;并将其集成在自主设计的无人机机翼上,对集成后无人机的重量和续航里程进行了分析比较。结果表明:当充放电电流为0.1A时,SESCFC能量密度达到了13.2W·h/kg,功率密度达到了119.6W/kg;在1200N的载荷作用下,由于电芯正负极片间距变小,SESCFC的能量密度提高到了14.5W·h/kg。集成SESCFC后的无人机较锂电池无人机的自重减少37.5%,续航里程增加了20%;较集成太阳能电池板的无人机自重减少近20%。研究结果对于碳纤维复合材料结构-功能一体化设计及其在无人机设计中的应用具有指导意义和应用价值。

超薄碳纤维复合材料结构电池制备及其性能评价

智能系统、无人驾驶等现代交通的不断发展,对传统电池的轻量化、安全性、有效负载和循环寿命都提出了新的挑战。本文利用活性炭、介孔碳以及将两者按50%比例混合制备了三种不同的碳材料电极片,对其进行了微观形貌和电化学性能对比分析。选取性能最优的电极片与超薄碳纤维预浸料集成制备了结构电池,并采用万能试验机对其进行了拉伸、压缩、弯曲测试。实验结果表明:活性炭和介孔碳混杂制成的电极片具有更有利于离子迁移的表面形貌,用其制成的结构电池具有良好的充放电特性。在受载条件下,拉伸测试单位质量载荷小于240 kN/kg时,比电容和能量密度数据波动在15%以下;压缩测试单位质量载荷达到58 kN/kg时,比电容和能量密度提高了39.5%;弯曲测试单位质量载荷为16 kN/kg时,比电容和能量密度提高了12%。超薄碳纤维复合材料结构电池作为一种储能复合材料,在提高结构电池性能和系统轻量化方面具有巨大潜力。

碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的形状记忆效应

为推动形状记忆聚合物在空间等极端恶劣环境中的应用,以超薄碳纤维增强聚醚醚酮(Carbon fibers reinforced polyether-ether-ketone,CF/PEEK)预浸料为实验对象,采用薄膜叠层与热压成型工艺制备厚度为0.036 mm超薄预浸料的层合片材,研究了其在热应力驱动下的形状记忆行为。结果表明,在320℃加热-冷却热循环温度场的作用下,CF/PEEK复合材料超薄层合板的初始变形的形状回复率近似可达100%,当变形循环达到100次时,其形状回复率仍然可以保持在90%以上。此外,根据层合板变形的温度与应力-应变关系,解释了CF/PEEK复合材料的热应力驱动变形机制。在此基础上,改变CF/PEEK层合板厚度进行仿真设计,实现了初始状态与深海珊瑚形状、立方体、灯笼草形状之间的变形与回复。利用记忆变形产生的机械夹紧力,完成了硬币抓取实验,验证了CF/PEEK复合材料在主动变形结构应用的可行性。