复合材料热结构孔隙缺陷表征与分形维数评价

受制备工艺约束,复合材料热结构内部的基体会存在不可忽视的细观孔隙缺陷。本文基于航天材料及工艺研究所制备的热结构CT图像开发了一种能够识别基体细观缺陷的机器学习模型,通过将注意力机制模块与深度学习框架进行结合,利用注意力机制模块能够关注特定预期分割目标区域的特点,实现对热结构CT图像进行图像分割,试验证实本方法能够识别局部细观孔隙等缺陷,提升图像分割的精度。为了定量分析缺陷的几何形貌,本文提出采用分形维数对其进行表征,最后重点研究热结构制造缺陷的形貌定量分布规律。

金属增材制造若干关键力学问题研究进展

金属增材制造是一种兼顾复杂结构和高性能构件成形需求的颠覆性制造技术,在航空、航天、交通、核电等领域具有广阔的应用前景和发展空间.该技术大规模推广应用所面临的制造效率和控形保性挑战是一个涉及力学、光学、材料、机械、控制等多学科交叉的难题.本文针对其中涉及的若干关键力学问题,阐述了近年来国内外在面向金属增材制造的结构拓扑优化设计、制造过程数值模拟、成形材料与结构的缺陷表征和性能评价方面的研究进展,并对金属增材制造的结构设计-制造模拟-性能评价的发展趋势进行了展望.

负泊松比结构力学设计、抗冲击性能及在车辆工程应用与展望

轻量化多功能负泊松比结构由于具有优异的可设计性、拉胀特性、剪切模量、断裂韧性、抗冲击吸能、减震降噪等特性,在车辆吸能结构设计和多功能优化方面具有巨大的应用潜力.本文详细综述了负泊松比结构的力学设计及其在车辆工程中的典型应用:(1)负泊松比基本概念及其力学特性,以及近几十年来的快速发展趋势;(2)负泊松比材料与结构构型设计方法的基本分类、负泊松比泡沫材料微结构特征及制备工艺、负泊松比复合材料设计方法的基本发展历程以及前沿人工智能设计方法;(3)针对典型负泊松比结构的力学设计进行详细介绍,主要包括手性结构、方格旋转结构、双箭头内凹结构、内凹蜂窝结构、拉伸扭转效应负泊松比结构等;(4)负泊松比材料与结构的冲击吸能特性及相关的实验、理论和模拟研究;(5)负泊松比材料与结构在汽车轻量化设计领域的典型应用,主要包括汽车吸能盒、B柱、发动机罩、安全带、悬架、免充气轮胎等典型吸能结构件;(6)负泊松比结构在汽车工程中的应用前景,所面临技术挑战和巨大应用潜力.

舱内爆炸作用下舰船舱壁失效机理与抗破损设计

水密舱壁破损是反舰导弹舱内爆炸作用下舰艇多舱进水沉没的重要原因。开展了舱内爆炸作用下方形板的失效模式的试验研究,进行了数值仿真分析,结合应力状态、应力变化和塑性变形特性分析了有无变形协调装置时舱壁的失效机理,在不明显增加结构重量的前提下提出了一种基于变形协调机制的高性能抗破损设计,讨论了不同半径的变形协调装置对舱壁抗破损能力的增强作用,结合梁变形理论分析了边缘破损的主要机制。研究结果表明:(1)边缘拉伸失效是舱内爆炸作用下舱壁的主要破坏模式;(2)设置边缘变形协调装置能有效提高舱壁在准静态气压作用下的抗破损能力;(3)提高变形协调装置半径能有效降低最大塑性变形并调整塑性变形集中区域的分布;(4)边缘变形协调装置提高舱壁抗破损能力的主要原因是提高了边缘的曲率变形,降低了局部弯曲正应力。

局部冲击载荷作用下星形蜂窝夹芯梁的动态响应研究

鉴于星形蜂窝结构的吸能效益和夹层结构在比刚度和比强度的优势,设计和制备了铝板-星形芯层-铝板的夹芯梁结构.利用泡沫铝子弹高速撞击夹芯梁模拟局部冲击载荷,分析芯层胞元壁厚对夹芯梁结构动态冲击性能的影响规律.采用高速摄影记录了泡沫铝子弹撞击夹芯梁的变形过程,采用DIC记录了后面板的变形过程.根据实验结果对夹芯梁的变形和失效模式进行了归类和分析.实验结果表明,夹芯梁面板、背板和芯层具有不同的失效模式;胞元壁厚对夹芯梁结构的变形有显著影响;夹芯梁背板挠度和泡沫铝子弹初始速度成线性关系.

改变应力状态的抗内爆炸舱壁

舱壁损毁是舱内爆炸破坏范围增大的重要前提。本文根据缩比模型实验结果划分了舱内爆炸作用下的舱壁破坏模式,采用考虑应变率效应的Cowper-Symonds本构关系建立了舱壁结构有限元模型,分析了其在内爆炸作用下舱壁变形的主要过程,对比了有无弧形边界过度时舱壁的变形、塑性变形及应力状态,讨论了新型舱壁抗爆炸破损的主要机理。研究表明:(1)舱内爆炸作用下舱壁结构有大塑性变形、边缘撕裂、整体倾覆和整体吹飞等4种破坏模式;(2)新型舱壁能有效提高舱壁的抗破损能力;(3)提高抗破损能力的机理主要有两个,分别为降低局部塑性变形和剪切应力、通过改变应力状态提高材料的临界失效应变。

考虑最小尺寸精确控制的SIMP和MMC混合拓扑优化方法

拓扑优化作为一种先进设计方法,已被成功用于多个学科领域优化问题求解,但从拓扑优化结果到其工程应用之间仍存在诸多阻碍,如在结构设计中存在难以制造的小孔或边界裂缝和单铰链连接等.在拓扑优化设计阶段考虑结构最小尺寸控制是解决上述问题的一种有效手段.在最小尺寸控制的结构拓扑优化方法中,通用性较强的固体各向同性材料惩罚法SIMP优化结果边界模糊不光滑,包含精确几何信息的移动变形组件法MMC对初始布局具有较强依赖性.本文提出一种考虑最小尺寸精确控制的SIMP和MMC混合拓扑优化方法.所提方法继承了二者优势,避免了各自缺点.在该方法中,首先采用活跃轮廓算法ACWE获取SIMP输出的拓扑结构边界轮廓数据,提出了SIMP优化结果到MMC组件初始布局的映射方法.其次,通过引入组件的3个长度变量,建立了半圆形末端的多变形组件拓扑描述函数模型.最后,以组件厚度变量为约束,构建了考虑结构最小尺寸控制的拓扑优化模型.采用最小柔度问题和柔性机构问题验证了所提方法的有效性.数值结果表明,所提方法在无需额外约束的条件下,仅通过组件厚度变量下限设置,可实现整体结构的最小尺寸精确控制,并获得了具有全局光滑的拓扑结构边界.

H型膨胀管爆炸分离仿真分析

用LS-DYNA对运载火箭结构线性分离装置的爆炸分离过程进行仿真分析。针对影响分离装置分离性能的主要设计参数建立有限元模型,对分离性能进行预示和分析,获取削弱槽厚度、槽内圆角、叉型结构夹角、扁平管与叉型处的接触面积、分离板在两螺栓之间的间距、分离板厚度、分离板与叉型处的圆切角等相关结构设计参数对离装置恰好分离时的临界药量的影响。结果表明,削弱槽厚度对分离性能影响较大,槽内圆角、扁平管与叉型处的接触面积和分离板厚度对分离性能也存在一定影响。

局部脉冲载荷作用下星形夹芯梁的动态响应

研究星形夹芯梁结构在局部脉冲载荷作用下的动态响应,通过泡沫铝子弹撞击星形夹芯梁来模拟局部脉冲载荷,建立了泡沫铝子弹撞击夹芯梁的有限元模型,并开展泡沫铝子弹撞击星形夹芯梁的实验,验证了有限元模型的准确性.利用数值模拟研究泡沫铝子弹的初始速度、面板厚度和胞元壁厚等参数对星形夹芯梁变形和吸能的影响.结果表明,夹芯梁的背板挠度与泡沫铝子弹的初始速度和胞元壁厚成线性关系,并受面板厚度影响;夹芯梁的吸能与泡沫铝子弹初始速度的平方成线性关系,并受面板厚度和胞元壁厚的影响.

热-力-氧环境下C/SiC材料损伤失效行为研究

C/SiC复合材料广泛应用于航空航天领域,在热-力-氧耦合环境下不可避免会面临损伤失效问题。本研究结合独创的高温力学加载装置、三维X射线显微成像技术和SEM表征,详细探究了C/SiC复合材料的内部微结构演化特征和断口形貌,分析了微孔洞/裂纹的分布与演变,揭示了C/SiC复合材料在1650℃有氧环境下的力学性能和损伤失效机制。研究结果表明,在热-力-氧环境的共同作用下,纤维迅速发生氧化反应,导致孔隙率快速增加;微裂纹在纤维与基体界面迅速诱发并扩展,从而引发纤维束的断裂、拔出,以及裂纹偏转等相互交织的损伤断裂机制。

某型火箭发射装置起竖臂拓扑优化设计与仿真

火箭发射装置是火箭飞行试验所必需的设备,主要对火箭提供支撑和初始射向的瞄准功能,其中发射装置中承担这两项功能的关键结构为起竖臂,起竖臂质量与其结构强度的优化设计问题是本文研究的重点。根据航天四院现有发射装置成熟部件,结合外部约束条件与载荷,本文采用Matlab优化算法对起竖臂关键参数进行优化,同时利用ANSYS拓扑优化模块对起竖臂进行拓扑优化并逆向重构几何模型,最后通过结构强度和模态有限元计算分析,进一步核实了优化模型的性能。本文的研究结果和研究方法对今后火箭发射装置关键部件的设计有一定的参考意义。

探空火箭离轨扰动角分析

由于火箭的发动机存在推力偏心,火箭发射时火箭滑块会在发射装置导轨定向器凹槽内不断碰撞,这使得发射装置导轨产生一定的变形和挠度,影响火箭离轨射角精度。本文采取理论方法分析了火箭离轨时导轨的转角,确保了子午工程"鲲鹏1B"探空火箭的离轨扰动角满足要求,为其成功发射提供有力的理论支撑。

金属梯度多孔夹芯板振动特性分析

金属梯度多孔材料芯层的胞孔壁厚度及半径沿芯层厚度方向逐渐变化,使得芯层的材料参数如密度和弹性模量等逐渐变化;采用金属梯度多孔材料代替传统均质多孔芯层会影响夹芯板的振动特性。基于高阶夹芯板理论且考虑梯度多孔芯层密度和弹性模量的耦合影响,建立了复合材料面层-金属梯度多孔夹芯板的振动方程。分析了3种密度的梯度芯层:单向分布、正梯度对称分布和负梯度对称分布对夹芯板固有频率的影响;最后讨论了3种梯度夹芯板在相同三角脉冲载荷作用下的振动响应。计算结果表明梯度芯层密度对称分布的夹芯板固有频率大于单向分布的夹芯板固有频率。