不同胞元结构多孔钛合金支架的力学性能

目的研究不同胞元结构对多孔钛合金支架静态力学性能和动态力学性能的影响,为临床下颌骨缺损修复支架的应用提供力学理论基础。方法采用3D打印技术制造钻石胞元、立方体胞元和截面立方体胞元结构的多孔钛合金支架,开展支架单轴压缩试验和压缩棘轮疲劳试验,分析不同胞元结构支架的静态和动态力学性能。结果钻石胞元、截面立方体胞元、立方体胞元支架的弹性模量分别为1.17、0.566、0.322 GPa,屈服强度分别为71.8、65.1、31.8 MPa。棘轮应变达到稳定阶段后,截面立方体胞元结构、钻石胞元结构、立方体胞元结构支架的棘轮应变分别为3.3%、4.0%、4.5%。棘轮应变随平均应力、应力幅值和峰值保持时间的增加而增加,随加载速率的增加而减小。结论静态力学性能的评估结果为钻石胞元支架最优,截面立方体胞元支架次之,立方体胞元支架最差;动态力学性能评估结果为截面立方体胞元支架最优,钻石胞元支架次之,立方体胞元支架最差。研究结果为临床下颌骨缺损修复支架的构建提供新思路,也为该支架技术的进一步临床应用提供实验依据。

通孔球壳胞元结构压缩力学性能

球壳胞元结构作为一种新型轻质功能材料,在航空航天、交通运输等领域有着广阔的应用前景。本工作通过实验和数值模拟的方法对简单堆积的通孔球壳胞元结构受压缩时的力学性能进行了研究,得出其名义应力-应变曲线,分析了结构的有效弹性模量、屈服极限、平台应力、比吸能等性能随球壳壁厚和球心距变化的规律。结果表明,部分球壳胞元结构在压缩过程中出现屈曲现象,并翻转形成塑性铰,从而增强结构的承载能力。球壳胞元结构的有效弹性模量、屈服极限随着球心距增大呈先增加后减小的规律,其平台应力和比吸能随着球心距增大而增加。综合各项数据可得,球壳胞元结构的球心距大于等于18.0 mm是更理想的结构形式。

轻型木质基互锁格栅夹芯胞元结构的力学性能

为减少材料和制造技术对环境的不利影响,研究木质基夹芯胞元结构的力学性能,对于适应快速增长的改造房屋和预制建筑场所具有重要的现实意义。该文设计并制备3种结构形式相同组成材料不同的木质基互锁格栅夹芯胞元结构,对其进行静态压缩实验,并采用理论分析及数值模拟方法,分析其压缩强度、质量载荷比和比能量吸收特性。研究结果表明,3种胞元的力学性能均高于其组成材料的力学性能,属于轻质高强的材料结构。得到结论为,木质基互锁格栅夹芯胞元结构的芯层是承受外部作用力的主体,面板材料对胞元结构的承载能力起着重要作用。

多孔介质的胞元结构对燃烧温度分布的影响

本文对泡沫型多孔介质进行了结构分析,构建了表述其结构特征的Kelvin模型与W-P模型,并基于所构建模型对多孔介质预混燃烧进行了数值模拟,研究了泡沫多孔介质胞元结构参数对温度分布的影响。结果表明,随着骨架直径的增大,气体温度受入口速度变化的影响越来越小,固体温度的峰值向下游移动;骨架直径越小,当量比的变化对温度分布的影响就越小,同时出口处气、固两相的温度均越低;在同样工况下,采用W-P模型的多孔介质在燃烧区的固体温度分布更均匀,服役寿命更长。

爆炸载荷下多胞元液舱结构的防护效能研究

为探究多胞元液舱结构对爆炸载荷的防护效能,提出了内凹多胞元液舱结构,建立了常规液舱结构、内凹多胞元液舱结构的三维数值模拟模型,比较了两类结构在不同强度的爆炸载荷作用下的响应和防护特性,讨论了充液方式变化对多胞元液舱结构抗爆效能的影响。结果表明:在爆炸载荷作用下,完全充液液舱结构的前、后面板均呈现出与爆轰方向一致的弯曲变形,其余外侧面板呈现出向结构外部的弯曲变形,部分充液液舱结构的变形形貌与充液位置有关;在对结构进行完全充液时,内凹多胞元液舱结构的抗爆效能优于常规液舱结构;在对结构进行部分充液时,于近爆端进行部分充液的内凹多胞元液舱结构的抗爆效能优于常规液舱结构,于远爆端进行部分充液的内凹多胞元液舱结构的抗爆效能劣于常规液舱结构。

改变力学环境后松质骨胞元结构的预测

松质骨是骨的重要组成部分 ,结构疏松、多孔 ,由针状、片状骨小梁组成多种胞体 ,其结构称为胞元结构。正常生理状态下 ,骨质的形成与吸收呈平衡态 ,骨结构稳定。当骨所处的力学环境发生变化时 ,骨的结构形态也随之变化。松质骨细观结构数值模拟变化的力学环境与骨结构的关系目前未见报道。本文是采用带有生理限定应力的自适应生理模型与有限元相结合的方法 ,在力学环境发生变化后用计算机预测松质骨胞元结构 ;定量的研究了松质骨胞元结构从一种优化平衡态到另一种平衡态与其力学环境的关系 ,模拟了松质骨胞元结构的变化与力学环境的适应性 。

元胞空间结构下的文化算法

针对以往文化算法种群空间没有地域的概念,信念空间缺少文化的进化机制,以及求解优化问题时寻优精度不高且易陷入局部最优等缺陷,提出一种新的基于元胞空间结构的文化算法.将元胞空间网格分别嵌入文化算法计算框架中的种群空间和信念空间以模拟文化算法的双层进化体系;对于种群空间,将进化个体分布于下层元胞网格,并对网格进行地域划分,使每个地域内的个体均以差分进化算子独立进化;对于信念空间,将进化信息放入与种群空间地域对应的上层元胞网格当中,利用文化的扩散机制实现文化的进化.实验结果表明,该算法具有收敛精度高以及全局搜索能力强等优点,在处理高维复杂优化问题时同样具有优势.

填充多胞元抗冲击防护结构动力学特性及防护性能研究进展

随着结构防护设计理念的发展,众多新兴的填充多胞元抗冲击防护结构不断涌现。国内外的研究表明,填充多胞元抗冲击防护结构的综合特性相对传统结构有较大改善,其结构的整体优化方向也由传统的线性设计方法衍生出各类非线性及多材料复合设计方法。针对各类填充多胞元结构,从力学性能、破坏模式与防护特性等方面进行论述,归纳各类填充多胞元结构的基础力学理论计算方法和结构响应特性,并对填充多胞元抗冲击防护结构的发展予以展望。所做研究可为填充多胞元抗冲击防护结构的结构形式、优化设计与应用方向等提供参考。

胞元结构液态复合装甲对射流的干扰特性

为了提高坦克防护装甲的高级别防护能力,应用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对射流侵彻胞元结构液态复合装甲的过程进行数值模拟。分析不同的胞元高度和靶板倾角对胞元结构液态复合装甲抗射流侵彻性能的影响,研究液体的径向汇聚和飞溅对射流的干扰情况,以及面板、背板的鼓包变形情况;并通过射流垂直侵彻液态复合装甲的剩余穿深试验,验证了数值计算模型的可靠性。研究结果表明:复合装甲内部液体的径向汇聚和飞溅都会影响射流的稳定性,降低射流的剩余侵彻能力,增加胞元高度和复合装甲的倾角都能降低射流稳定性,可有效提高液态复合装甲的防护性能。

胞元结构准静态压缩力学行为及吸能特性研究

为探究结构构型和规格参数对胞元结构综合力学特性的影响,设计了7种体积相等、结构构型不同的胞元结构,开展了准静态压缩试验,得到了各胞元结构的变形破坏过程和应力应变关系,分析了胞元构型和壁厚变化对结构承载能力及能量吸收性能的影响,结果表明:内凹鼓形、内凹六边形、内凹弧形胞元结构均呈现出宏观负泊松比特性,外凸六边形、外凸鼓形、正方形胞元结构呈现出宏观正泊松比特性,外凸弧形胞元结构呈现出近似零泊松比特性;胞元结构的直立壁面和曲面(折线面)共同承担压缩载荷,直立壁面主要发生失稳变形,曲面(折线面)主要发生弯曲外张变形或弯曲回缩变形,直立壁面的失稳临界载荷和屈曲模式对结构承载力和平台应力起主导作用;在各个宏观正泊松比胞元中,外凸六边形胞元的结构承载能力较强,外凸鼓形胞元的结构吸能特性较好,在各个宏观负泊松比胞元中,内凹弧形胞元的结构承载能力和结构吸能特性均较好。

部分充液多胞元结构的面内动态力学特性研究

为探究部分充液多胞元结构的抗冲击防护性能,结合充液内凹胞元的落锤冲击试验,建立了充液内凹胞元、部分充液内凹多胞元结构的冲击动态特性二维FEM数值分析,计算得到了部分充液内凹多胞元结构的变形破坏模式,讨论了不同冲击速度下部分充液内凹多胞元结构的动力学响应特性。结果表明:在充液胞元破损后,水介质会流入相邻未充液胞元,形成二次鼓胀吸能效应,从而有效提高结构壁面的变形吸能水平;结构中的充液区域和未充液区域的变形破坏模式分别为鼓胀拉伸和屈曲弯折;随着冲击速度的提高,结构的单位体积应变能以及对初始冲击载荷的削弱作用均得到增强。横向充液方式可以等效为变刚度弹簧的串联布置,该方式仅影响结构的局部刚度,纵向充液方式可以等效为多层变刚度弹簧的并联布置,该方式会影响结构的整体刚度;充液区域与未充液区域的等效刚度呈动态变化,结构变形模式由各区域实时的等效刚度决定。当载荷冲击速度较高时,横向和纵向部分充液内凹多胞元结构对初始冲击载荷的削弱能力均优于未充液内凹多胞元结构。

胞元结构对点阵多孔材料力学性能的影响

为丰富点阵多孔材料的胞元结构,提高点阵多孔材料力学性能,文中以PA12(尼龙)粉末为原料,采用激光粉末烧结(SLS)技术制备了正立方体、小斜方截半立方体和大斜方截半立方体3种晶胞单元结构的尼龙点阵多孔材料试样,并通过准静态压缩试验获得了3种不同胞元结构的尼龙点阵多孔材料的工程应力应变数据。结果表明,胞元结构对尼龙点阵多孔材料的压缩强度、弹性模量等力学性能影响较大;小斜方截半立方体尼龙点阵多孔材料在3种胞元结构中表现出最优的力学性能。最后,通过扫描电镜对断口形貌进行观察与分析,发现尼龙点阵多孔材料的加工缺陷会影响其力学性能;准静态压缩的尼龙点阵多孔材料其断裂模式为韧性断裂,与试验结果一致。

多目标柔性作业车间调度的多交叉策略元胞进化算法

针对经典Job-shop调度问题的局限性,构建了以加工成本、瓶颈机器负荷、机器总负荷及制造工期为目标函数的柔性作业车间调度多目标优化模型,提出了基于多交叉策略的元胞多目标遗传算法。在分析优化模型的基础上,使用双层编码方式,并采用多个交叉算子协同进化,提出一种多交叉策略的进化算子。针对元胞多目标遗传算法的特点,提出一种改进的精英策略,保证更多的精英个体参与进化,从而提升算法收敛速度。通过2个基准实例求解对比分析,表明所提方法的有效性。将新算法应用于实际生产企业的车间调度问题中,得到了一组Pareto解集,并采用层次分析法得到一种满意度最大的方案。数据结果表明,该算法在解决多目标FJSP的工程有效性。

基于元胞小生境遗传算法的物流配送路径优化

现在物流业面临着小批量和多动态的需求,对物流配送路径进行优化显得越来越重要。然而,解决此优化问题的核心是设计一种快速有效地优化方法,基于此,文章在经典元胞遗传算法的基础上,引入小生境技术,得到了一种元胞小生境遗传算法,使算法具有较好的多样性保持能力。将该算法应用于带有时间窗的车辆路径问题的求解当中,并针对该问题设计了一种顺序逆转交叉算子,结果表明,新算法相对于经典元胞遗传算法和小生境遗传算法能更好的避免陷于"早熟",所得结果精度更高,是解决物流配送路径优化问题的有效算法。

基于改进元胞多目标遗传算法的机床主轴优化

为了进一步提高元胞遗传算法在求解多目标优化问题时的收敛性和分布性。在多目标元胞遗传算法的基础上,引入了三维空间元胞,提出了三维元胞多目标遗传算法。采用多目标基准测试函数对该算法进行了测试,并将其与目前比较流行的几种多目标遗传算法进行对比。结果表明,此种算法在收敛性和分布性上取得了更好的效果。采用以上这几种算法分别对机床主轴多目标优化问题进行了求解,相比其他几种算法,改进的多目标元胞遗传算法得到了更优的结果,说明了改进的算法在求解此问题时行之有效。

基于差分元胞多目标遗传算法的车间布局优化

以物料搬运费用最小和车间设备占地面积利用率最大为目标,建立了车间设备布局多目标优化设计模型。针对常用多目标算法不能很好求解该模型的问题,提出一种差分元胞多目标遗传算法。该算法在经典元胞多目标遗传算法的基础上引入差分演化策略,从而集成了元胞算法多样性好和差分演化策略在解决复杂问题时收敛性强、覆盖范围广的特点。分别运用该算法、经典元胞多目标遗传算法和NSGAII对测试函数及车间设备布局模型进行计算,通过数据和性能比较分析表明,针对多约束、多变量、非线性的模型,新算法具有良好的收敛性、分布性和扩展性,能有效解决相关生产实践问题。

生物质材料点阵夹芯胞元力学性能分析

研究生物质点阵夹芯胞元结构的力学性能,可以减少木建筑重量和降低木材使用量,对适应现代木结构建筑具有重要的现实意义。本研究通过对胞元结构进行力学建模,分析了芯子直径和长度对胞元承载能力的影响,并应用ANSYS有限元软件,仿真分析芯子直径和面板厚度2个因素对胞元受力的影响,依据胞元承载能力和变形程度,进行胞元结构的优选。最后依据优选的胞元结构,设计和制作不同类型的试件进行平压测试。结果表明,胞元平压状态下芯子是受力主体,芯子直径越大,胞元的平压能力越强,但平压性能并不是最优;面板材料对胞元承载力和吸能性有显著影响,生物质复合材料胞元的比强度高于自然纤维材料的比强度。该研究结果为木质复合材料在大跨度坡面屋等木结构建筑工程中的应用奠定了理论和实验基础,具有良好的应用价值。

航空航天结构轻量化设计制造技术发展现状与挑战

轻量化技术是指在满足结构性能需求的前提下,通过对材料、结构和制造工艺等方面的优化,减少结构质量的技术,已经成为新一代航空航天装备发展的关键技术之一。本文首先分析了轻量化技术的发展历程。其次,从设计原理、组成方式和优化方法角度,介绍了仿生结构设计、胞元结构设计和高效拓扑优化设计三类轻量化设计方法。然后,从轻量化制造工艺和模式的角度阐述了增材制造、协同制造和复合材料制造在航空航天结构轻量化制造中的应用。最后,讨论了轻量化技术面临的挑战和未来的发展。

新型斜十字负泊松比结构弹性力学性能研究

负泊松比(Negative Poisson’s Ratio, NPR)结构优异的能量吸收和体积变化可调能力,使其在航空航天、生物医学和军工设备等领域具有广泛的应用前景。提出了一种水平和铅垂方向具有负泊松比特性而45°方向具有正泊松比特性的新型斜十字结构,并利用能量法和卡氏第二定理,推导了该结构的等效弹性模量、等效泊松比及相对密度的解析表达式。利用有限元模拟和实验测试,验证了解析表达式的正确性。同时,给出了几何参数对结构等效弹性模量和泊松比的影响规律。研究结果完善了该类结构在力学性能方面的研究,为其在工程实际中的推广和应用提供了理论依据。

骨小梁结构及胫骨平台假体简化模型的设计与分析

临床治疗结果显示,带有骨小梁结构的膝关节假体相比传统膝关节假体有更好的术后恢复效果。在目前对骨小梁结构与膝关节假体研究的基础上,设计了骨长入效果更好的分区骨小梁结构;通过设计8种不同的骨小梁胞元结构,经对比分析,选择出一种综合性能最佳的骨小梁胞元结构;根据该结构构建了两组具有分区骨小梁结构的胫骨平台假体简化模型,通过有限元分析,选出了一组骨长入效果较好且适用于膝关节假体设计的分区骨小梁结构。