NiTi形状记忆合金的功能特性及其应用发展

NiTi形状记忆合金(shape memory alloys,SMAs)作为一种智能材料,具有良好的超弹性、形状记忆效应和生物相容性等功能特性,被广泛应用于航空航天、医疗器械和工程建筑等领域。其中超弹性在宏观上表现为发生较大的变形仍能恢复原形状,且其远大于常见金属可恢复的弹性应变。形状记忆效应则是温度激励下奥氏体和马氏体两相的相互转变,根据宏观变形分为单程、双程和全程形状记忆效应。而NiTi SMAs的生物相容性体现在低弹性模量和低生物毒性等方面,可应用于正畸、矫正、心血管支架等医疗器件。为充分发挥NiTi SMAs的功能,研究者们不断开发NiTi SMAs相关的智能结构。本文简要综述了近年来研究和发展NiTi SMAs的不同功能特性及其对应的智能结构典型应用,详细介绍和讨论了NiTi SMAs的功能特性、关注问题和应用领域。同时,也对NiTi SMAs阻尼性能和储氢特性进行了阐述。最后,展望了NiTi SMAs在各领域应用上尚需重点关注的问题:利用增材制造技术调控微观结构实现超弹性的稳定性提升;通过建立本构模型为形状记忆效应的稳定应用提供理论指导,并进一步优化结构实现形状记忆效应的宏观放大;提高NiTi SMAs在生物环境里的耐腐蚀性和医疗应用推广。因此,推动NiTi SMAs在不同应用领域的个性化和功能定制化,尚需大量的跨学科研究。

考虑剪切变形的欧拉梁单元一致质量矩阵

为明确考虑剪切变形的欧拉梁单元一致质量矩阵推导方法,以形函数为基础,基于虚功原理,区分伸缩、扭转以及是否考虑剪切变形的弯曲受力状态,给出了欧拉梁单元一致质量矩阵表达式。研究表明:不考虑剪切变形时,欧拉梁受弯状态的一致质量分析中一般不计单元上微元体水平方向的惯性力,此时仅需弯曲变形引发的竖向位移形函数即可;考虑剪切变形时,则需计入水平方向的惯性力,且同时需要完整的竖向位移形函数和纯弯曲转角位移形函数;对于变截面欧拉梁单元,其一致质量矩阵表达式过于复杂,可在等截面梁的基础上,根据元素位置对矩阵元素匹配左右端或平均截面面积及截面极惯性矩近似给出实用的质量矩阵表达式;考虑剪切变形时,欧拉梁的刚度矩阵亦可经竖向位移和纯弯曲转角位移形函数计算得到,这一过程与使用纯弯曲竖向位移和纯剪切竖向位移形函数的过程在本质上是一致的。

细长桁架臂卸载反弹动应力分布规律及试验

为研究细长桁架臂在卸载冲击下的动态响应变化规律,提出了基于等效梁振型函数的桁架臂动应力分布计算模型。根据等效梁振型函数,探讨了卸载后桁架臂动应力分布假设,分析了影响桁架臂卸载反弹动响应的相关参数。以装备细长桁架臂的动臂塔机为对象,建立了桁架臂精细化有限元模型和起重机刚柔耦合模型,通过仿真辨识了应力分布模型的关键参数。实施了动臂塔机系列载荷卸载冲击试验,桁架臂上主弦杆的动应力试验值与理论计算结果误差小于7%,表明动应力分布理论模型与实际相符。通过理论模型预测了极限工况下桁架臂上主弦杆动应力分布状态,发现在最大载荷卸载条件下起重臂动应力峰值超过结构承载极限,为卸载条件下起重机关键结构的优化设计提供依据。

高地应力缓斜半煤岩巷道断面形状优化研究

为了优化高地应力缓斜半煤岩巷道的断面形状,以东欢坨矿3018工作面运道为工程背景展开研究。通过复变函数理论推导得出了倾斜煤层中不同断面形状的应力解析解,然后运用FLAC3D数值模拟求解了不同断面形状巷道的应力集中和塑性区情况,并以此为基础确定了巷道最优断面形状,最后结合现场工业性试验对研究结果的可靠性进行了验证。研究结果表明:高地应力作用下缓斜半煤岩巷道破坏呈现非对称形式;不管断面形状如何,巷道均在左、右两底角处呈现高应力集中,且应力集中程度矩形>梯形>直墙拱形;直墙拱形巷道稳定性最佳,梯形巷道次之,矩形稳定性最差,确定直墙拱形为最终巷道断面形状;现场巷道表面位移量监测结果表明,直墙拱形巷道更能满足现场安全生产要求。

改进PCA方法的牙颌特征提取和数据集构建

为了提高牙颌数字模型特征提取的准确性和牙齿分割的效率,提出一种几何变换和主成分分析相结合的坐标系标准化方法,并以离散曲率、法向量、形状直径函数和离散测地距离为基础特征对牙颌数字模型进行了特征提取,在此基础上进一步扩展构建了76个特征数据集。采用提出的坐标系标准化方法和数据集对上颌进行了牙齿分割实验。结果表明:改进主成分分析方法能够快速准确地实现牙颌数字模型坐标系对齐,能够准确识别牙齿的特征信息并作出标记,牙齿分割完整,平均分割准确率达到99.74%。基于改进主成分分析方法的牙颌模型特征提取方法能够极大地提高特征对牙齿的区分性,从而降低位姿对牙颌特征提取带来的负面影响,实现在特征数据较少的情况下准确分割牙齿,可为数字化口腔诊疗提供一定的参考。

清代服饰云纹探析

针对清代服饰云纹的形态和设计方法,采用文献考据法、实证研究法和比较研究法,梳理清代服饰云纹的形态演变脉络,归纳清代服饰云纹的造型特征、色彩特征和装饰功能。研究表明:清代服饰云纹在承袭明代样式的基础上发展演变,受清代舆服制度等的影响而形成时代风格。清代服饰云纹按造型可归纳为沉稳敦厚型、纤秀流畅型、短圆规则型3大类,这3类云纹有着明显的演变渐进关系;清代服饰云纹按色彩可归纳为五彩云纹、青云纹、金云纹3大类,这3种调式的云纹各自有着较为固定的配色程式;清代服饰云纹在整幅纹样中或充当主纹,或充当辅纹,起着点题、完善情景、丰富寓意等作用。

基于物理驱动深度学习的结构形状优化设计

结构形状的优化设计本质上是一类泛函极值求解问题.在求解高维度泛函极值问题时,传统的变分法往往面临着求解目标函数类型有限、求解过程呈现振荡行为等问题.利用深度学习模型的高维非线性映射能力,建立了一种基于物理驱动深度学习的泛函极值求解模型.首先将描述结构形状优化问题的物理信息(控制方程、初始条件和边界条件等)作为正则化项嵌入深度学习模型中,基于性能目标构建损失函数;采用随机梯度下降法完成深度学习模型的训练,进而实现泛函极值的求解和结构形状的优化设计;通过分析最优曲面和最优拱轴线问题验证模型的有效性,并与遗传算法进行对比,结果表明该模型在小样本的目标任务上具有较高的预测精度和效率.作为一种非参数模型化技术,物理驱动深度学习模型对解决数据采集成本高、难度大的工程问题具有重要意义.

传统套鞋的形制功能考析及造物思想释读

“套鞋”是中国传统鞋履中实用与审美相结合的功能性样式,它们与人类的生产生活共生共存。本文以收藏家钟漫天先生提供的典型“套鞋”标本为主要研究模本,同时结合史料,针对性地对中国传统套鞋结构形制及其功能进行研究,并在其基础上对传统套鞋的造物思想进行探讨;强调考物与文献相结合而重考物的方法,对实物标本一手资料进行系统的信息采集,通过文献考证和实物结构的比较研究,力求展现中国传统套鞋的文化力量和个性风韵,为多元一体的中华文化特质提供一个生动的鞋履范式。

基于NSGA-Ⅱ传感位置优化的曲面重构及误差补偿方法

通过优化光纤布拉格光栅形状传感技术中传感点位置和补偿重构结果来提高薄层合金板三维形状重构精度。通过ANSYS workbench建立合金板仿真模型,提取应变和位移模态振型,根据模态置信准则、转换矩阵稳定性和模态振型相似性分别设计了三个目标函数,采用快速和精英机制的多目标遗传算法优化传感器位置。将镍钛合金板弯曲成不同曲率半径的弧形,利用光纤布拉格光栅中心波长漂移量和线性插值算法计算得出不同形状下的结构应变,重构合金板形状,均方根误差和最大误差相较于单目标优化算法分别减小30%和15%。利用粒子群优化径向基函数神经网络算法拟合误差与位移的关系实现误差补偿,均方根误差和最大误差比无补偿时分别减小了90%和70%,最大相对百分比误差仅为5%,提高了三维形状重构算法精度。

平滑注意力与谱上采样细化的非等距三维点云模型对应关系计算

为了解决非等距3维点云模型对应关系计算易受模型大尺度形变影响而导致对应失真、准确率低且平滑性差的问题,该文提出一种结合平滑注意力与谱上采样细化的非等距3维点云模型对应关系计算新方法。首先,利用点所在表面的几何特征信息设计平滑注意力机制与平滑感知模块,提高特征对大尺度形变区域非刚性变换的感知能力;其次,将深度函数映射模块与平滑正则化约束相结合,提升函数映射计算结果的平滑性;最后,在谱上采样细化模块中,以多分辨率重建的方式得到最终的逐点映射结果。实验结果表明,与已有算法相比,本算法在FAUST、SCAPE和SMAL数据集上构建的对应关系测地误差最小,处理大尺度形变模型时,能够提升逐点映射的平滑性和全局准确率。

中心刚体-形状记忆合金层合功能梯度梁的动力学特性研究

文章对中心刚体-形状记忆合金层合功能梯度梁系统在平面内作大范围运动进行动力学特性研究。SMA层采用多项式的形状记忆合金的本构模型和假设的层合部分的功能梯度分布,在考虑横向变形引起纵向变形的非线性耦合量。采用假设模态法对SMA层合FGM梁系统进行离散,运用第二类Lagrange方程推导得到系统高次刚柔耦合模型,编写软件程序进行动力学仿真。研究了形状记忆合金层的在不同功能梯度下温度对动力学特性的影响以及不同温度下增加SMA层厚度对动力学特性的影响。研究结果表明温度和SMA层厚度对系统的动力学特性影响较大。

基于二阶链式子区的金属拉伸试验DIC辅助测试方法

为提高金属材性试验的测量精度和测试效率,在传统拉伸试验方法的基础上引入数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)技术,提出相应形变测量理论及方法。基于拉伸试件的颈缩变形特征,提出链式形变测量理论,该理论通过一种跟随表面形状变化而自由变形的柔性链条来表征各阶段的试件形变。进一步通过设置多个连续且等尺寸的DIC二阶链式子区,采用DIC亚像素算法得到任意变形时刻的链式子区角点坐标,并进一步得到沿试件长度方向的柔性离散链形变结果,实现对试件各处应变、颈缩极值点等的求解,从而建立了一套完整的金属拉伸试验DIC辅助测试方法。开展了多个标准金属试件的拉伸试验,通过与引伸仪、靶标图像测量等传统方法对比,验证了该文方法对颈缩效应、弹性模量、极限伸长率、真实应力-应变曲线等金属材性指标具备较高测量精度及有效性,同时该文方法能够实现高度自动化测量,可在金属拉伸试验领域进行工业化推广普及。

功能梯度形状记忆合金纳米梁力学性能研究

功能梯度形状记忆合金(Functionally Graded Shape Memory Alloys,FG⁃SMA)兼具功能梯度材料和形状记忆合金的双重特性,故在航空航天、生物医疗、微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)中得到了广泛的应用。当微结构尺度达到纳米尺度,表面效应对微结构力学性能的影响是十分显著的。为了探究表面效应对功能梯度形状记忆合金纳米梁力学性能的影响规律,基于梁弯曲理论及Gurtin⁃Murdoch表面弹性理论,考虑拉压不对称、温度对FG⁃SMA纳米梁的影响,建立了考虑表面效应的FG⁃SMA纳米梁相变力学模型。分析了梯度指数、载荷、温度及拉压不对称系数对FG⁃SMA纳米梁力学性能的影响规律。研究表明,弯矩、梯度指数对截面响应影响显著,而温度和拉压不对称系数对其影响较小;忽略表面效应的影响会低估FG⁃SMA纳米梁的抗弯性;在弯矩达到一定程度后,表面效应对FG⁃SMA纳米梁中性轴偏移趋势影响不大。研究结果对FG⁃SMA纳米梁在微机电领域的设计及应用提供了一定的基础与依据。

考虑光强分布的光通信光栅列阵光束整形方法

光栅单元阵列由大量的单元组成,每个单元的大小和形状都需要精确控制,以确保光束的整形效果。然而,在光通信过程中,光强分布的变化会导致光栅列阵中每个单元的响应度不一致,从而引起每个单元接收到的光信号出现差异,进而影响光束的整形效果。因此,提出一种考虑光强分布的光通信光栅列阵光束整形方法。以光通信光栅列阵中的最常用的列阵波导光栅为例,通过阵列波导结构中的阵列波导的芯区宽度、芯区折射率、包层折射率、波导周期宽度等参数,结合波导中的传播常数受到光束波长和折射率影响,得到阵列波导的归一化本征方程,将其结果结合匀化洛伦兹函数得到入射光和出射光的光强分布,通过计算得到光通信光栅列阵光束入射光及出射光的映射函数,利用函数调整光学参数,实现光通信光栅列阵光束整形。实验结果表明:该方法对光通信光栅列阵光束的整形效果好,整形光束的能量利用率高,光束不均匀性小。

渐递进邮轮造型与功能布局逆向设计方法

为了形成我国邮轮的自主设计能力,提升在邮轮概念方案阶段中的智能化设计水平,提出一种渐递进邮轮造型与功能布局逆向设计方法。在剖析大型邮轮外观形态特征和内部功能区布局特征基础上,形成中大型邮轮典型特征值船型库,采用匹配值和关联值等逆向设计法来生成设计船造型与方案,并基于RHINO的二次开发,编制一套专门针对中大型邮轮上层建筑造型和内部功能区布局概念方案设计的软件模块,进行示例验证。结果表明,该方法生成的设计方案与原船设计拟合相似度高,方案逆向还原性强,证明应用该设计方法生成的方案具有直观性和可行性。该方法的实施可有效帮助设计师与船东来描述和展现邮轮船型方案,为将来进一步构建“邮轮设计脑”做出积极探索。

基于形函数的非一致网格接触修形新方法

针对接触压力分布不均导致机械零部件过早失效的问题,提出了一种非一致网格接触修形新方法。基于单元形函数和“虚拟节点”建立了非一致网格接触节点之间的力学关系,推导得到了节点修形量与接触压力之间的数学方程,提出了一种通过最小化最大接触压力求解修形量的极小极大模型,并根据其数学特点将该模型转换为线性规划模型,提高了修形量计算的效率和全局收敛性。通过三个弹性接触修形实例,验证了该方法对一般弹性接触修形问题的适用性和有效性。

前外侧入路联合胫骨远端L形钢板内固定治疗胫腓骨远端骨折的临床研究

目的探讨前外侧入路联合胫骨远端L形钢板内固定治疗胫腓骨远端骨折的临床疗效。方法选取2021年1月至2022年12月抚州市第一人民医院收治的60例胫腓骨远端骨折患者作为研究对象,根据治疗方案的不同分为对照组与研究组,每组30例。对照组采用传统术式入路治疗,研究组采用前外侧入路联合胫骨远端L形钢板内固定治疗。比较两组踝关节功能、术后引流量、术中出血量、手术时间、并发症发生情况。结果研究组踝关节功能恢复优良率高于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。两组术中出血量、手术时间、术后引流量比较差异无统计学意义。研究组并发症发生率低于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。结论前外侧入路联合胫骨远端L形钢板内固定治疗胫腓骨远端骨折疗效显著,可降低患者并发症发生风险,有利于恢复踝关节功能,明显提升患者恢复效果,临床应用价值较高。

基于基因芯片的嘉禾系列长粒优质食味粳稻综合评价与比较

【目的】嘉禾系列长粒粳稻粒型(细)长,外观品质突出,食味优良,丰产性与主栽品种相近,抗病性较好。本研究旨在明确嘉禾系列长粒粳稻品种的特点与存在问题,解析嘉禾系列长粒粳稻品种优质性状形成的遗传基础,为长粒粳稻品种创新利用提供依据。【方法】以5份嘉禾系列长粒粳稻品种(系)为材料,利用GSR40K水稻高密度芯片分析品种籼粳属性、相似度,鉴定育种相关功能基因,同时比较嘉禾系列长粒粳稻品种(系)与东北长粒粳稻稻花香2号遗传基础差异。【结果】嘉禾系列长粒粳稻品种(系)和稻花香2号基因组中,粳稻区段数占比84.20%~88.38%,均为典型粳稻类型;嘉禾系列长粒粳稻品种(系)间遗传相似度超过92%,基因组相似度为77.59%~91.73%,与稻花香2号遗传相似度为84.55%,基因组相似度为49.52%~53.68%;嘉禾系列长粒粳稻含有长粒优势功能基因gs3和GW7,嘉禾香1号还含有大粒型基因qSW5/GW5和多穗粒数基因LAX1;嘉禾系列品种的品质性状形成主要是ALK^(c)/Wx^(b)/OsAAP6等优势功能基因组合所致,嘉禾香1号香味是由Badh2第2外显子突变所致;嘉禾系列长粒粳稻品种(系)含有较多的抗稻瘟病基因,如抗病基因组合Pizt+Pii/HIT7/pi5-1、Pizt+Pi-ta、Pizt+Pii/HIT7/pi5-1+Pi-d2/Pid2+Pid3+Pi-ta,抗白叶枯基因只有Xa26/Xa3。【结论】嘉禾系列长粒粳稻食味优、丰产稳产、抗病抗逆的突出优点,是品种含有较多的产量、品质、抗性、株型、生育期等优势等位基因变异综合影响的结果,但也存在品种相似度较高、白叶枯抗性基因单一的不足。本研究结果也为后续嘉禾系列长粒粳稻品种遗传改良提供了依据。

冰区船载荷识别不确定性的区间分析方法

冰载荷识别的适定求解是冰区船实尺度监测反演的核心,针对信息不完备条件下冰载荷识别问题,面向识别结果不确定性评估建立区间分析理论的非概率性方法。采用形函数表征冰载荷快速识别模型中冰激时域响应。基于Taylor展开及区间扩张理论建立冰载荷识别不确定性估计的区间分析方法。采用分析识别计及结构参数及测试信号双不确定特征的冰载荷界值。提出的预报方法能较为有效识别出涵盖冰载荷真值的区间解,可为冰区船研发设计及安全预警提供更为可靠的冰载荷工况。

高三学生体育锻炼特点及其与高考成绩关系的实证研究

党和国家高度重视青少年身体健康与体育锻炼,出台各项政策保障青少年每天校内锻炼至少1小时,而面临高考压力的高三年级学生的体育锻炼时间很容易被学业挤占。基于某省2021届高三毕业生调查数据,使用统计分析、计量回归分析、倾向性得分匹配等方法,分析高三学生的体育锻炼情况及其与高考成绩的关系,发现近八成高三学生坚持每天锻炼1小时及以上,不足两成学生每天锻炼2小时及以上。其中,女生、独生子女、城镇户口、父母文化程度较高、中考成绩较好、优质高中的学生平均体育锻炼时长更短。参加体育锻炼的学生高考成绩显著高于未参加的学生,差异主要体现在女生、中考成绩较好、优质高中等本身较少参加体育锻炼的学生中。体育锻炼时长与高考成绩之间呈倒U型关系,每天锻炼1.1小时的学生高考成绩最优,女生、中考成绩排名靠前、优质高中学生的最优体育锻炼时长更长、高于其平均体育锻炼时长。以上发现侧面检验了相关政策的现实价值,并对明确高中学生体育锻炼要求、提高学生体育锻炼意识具有重要启示。