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.

周期性多材料结构稳态热传导拓扑优化设计

提出一种考虑周期性约束的多材料结构稳态热传导拓扑优化设计方法。针对多材料结构,提出基于有序有理近似材料属性模型(ordered rational approximation of material properties,Ordered-RAMP)的多材料插值模型。以结构散热弱度最小化为目标函数,体积为约束条件,将设计区域划分为有限个相同的子多材料区域。通过重新分配单元散热弱度基值,实现周期性几何约束,借助优化准则法推导设计变量的迭代格式。通过典型2D与3D数值算例,分析不同子区域个数对宏观结构与微观子区域多材料拓扑构型的影响。结果表明:所提方法可实现面向多材料结构的周期性微观构型设计,且各材料分布合理边界清晰,具有良好的稳健性;当子区域个数不同时,均可得到具有周期性的拓扑构型,且所获拓扑形式具有差异性。

考虑宏观结构性能的多材料微结构拓扑优化设计

多孔微结构材料以其质量轻、比刚度/比强度高、抗冲击等优异力学性能,被广泛应用于航空航天等工程领域。相比单一材料设计,多材料设计可获得力学性能更优的微结构拓扑构型。拓扑优化是实现多材料布局设计的有效方法之一。通过构建基于差集的多材料水平集描述模型和交替活动相算法,提出了基于参数化水平集的多材料微结构拓扑优化设计方法。首先,构建了基于差集的多材料水平集描述模型,利用N个水平集函数实现N+1相材料拓扑的精确描述。然后,引入交替活动相算法,将原始N+1相多材料优化问题分解为N(N+1)/2个双相材料优化子问题,以减少设计变量与约束条件,提高计算效率。最后,采用均匀化方法计算多材料微结构的等效弹性张量,以宏观结构柔度最小化为优化目标,各相材料用量为约束条件,构建多材料微结构拓扑优化模型,并利用优化准则法实现上述优化模型的高效求解。数值算例结果表明,所提方法可有效实现多材料微结构的拓扑优化设计,所设计微结构均具有光滑的结构边界和清晰的材料界面。

复合材料在汽车轻量化进程中的应用与展望

近年来，世界各国燃油经济和排放量等不断严苛的标准对汽车制造业提出更高要求，汽车轻量化势在必行。复合材料是最为重要的轻量化材料之一，在汽车工业中具有令人期待的发展前景。本文主要探讨了在需求强劲的汽车轻量化市场推动下复合材料面临的机遇与挑战，往此基础上从多材料结构的“智慧轻量化”、低成本复合材料制造技术、绿色纤维复合材料和复合材料的网收利用等方面讨论了汽车用复合材料的发展方向和面临的问题。

一种模拟铝合金与CFRTP界面反应过程的计算方法

铝合金与碳纤维增强热塑性复合材料(Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic composites,CFRTP)是兼具高性能与环境友好型的轻量化材料。针对铝合金与CFRTP异种材料的连接机理问题,提出了一种模拟界面反应过程中吸附能的计算分析方法,采用量子力学和分子动力学方法,在分子水平上研究异材界面的结合方式和微观作用机制。利用Materials Studio和LAMMPS商业计算软件,根据第一性原理优化确定高分子与金属铝晶面化学键的结合方式,能够获得键长、电子转移、态密度等微观数据。以6061铝合金与碳纤维增强PA66复合材料连接为例演示了计算过程,建立金属Al晶面模型、聚合物PA66稳定结构模型、PA66与Al(011)晶面键合模型,获得两相物质界面的化学键结合方式、化学键性质和体系的稳定性。该方法可推广应用于其他轻量化金属材料与CFRTP的连接问题,为连接界面设计及成型工艺优化提供理论指导。

自保温砌块墙体在夏热冬冷地区的传热性能研究

对陶粒泡沫混凝土砌块、加气混凝土砌块、黏土砖以及细石空心混凝土砌块(填充聚苯板/未填充聚苯板)5种砌体材料进行研究,并建立了多材料围护结构模型,采用热流计法同步测试了各墙体的传热系数。此外,还对墙体的热稳定性以及温差、环境温度以及温度传感器的分布对传热系数的影响进行了分析。结果表明,190mm厚陶粒泡沫混凝土砌块和加气混凝土砌块墙体以及290mm厚填充聚苯板的细石空心混凝土砌块墙体的传热系数均<1.0W/(m2·K);虽然陶粒泡沫混凝土砌块的传热系数与填充聚苯板的细石空心混凝土砌块基本相同,但前者块体容重却远比后者低。此外,还得到了陶粒泡沫混凝土砌块墙体传热系数的线性预测模型。

基于AFM的仿生贝壳增材制造模型表达

针对仿贝壳的多材料分层交叠结构表达及其3D打印制备的需求,提出一种多材料仿生结构模型。该模型采用构建几何模型,并引入材料索引表,而后建立几何空间和对应材料之间结合关系,完成模型几何信息和材料信息有效表达。通过建立顶点索引和三角面片索引,实现模型的优化,有效减少模型数据量。最后采用AFM文件格式对模型进行表达,并进行了实例仿真。该文件能有效表达多材料分层交叠结构模型,能够用于3D打印。