新型负泊松比材料等效性能与吸能性能研究

近年来,负泊松比(Negative Poisson′s Ratio,NPR)材料以其优异的力学性能与在传统工业领域巨大的应用潜力引起了学术界的广泛关注。设计并研究了一种新型负泊松比材料(基于YSH结构胞元)在动态压缩工况下的力学性能。通过有限元仿真的方法,对比了不同结构参数(斜壁倾角、宽度比、纵横比)对胞元等效力学性能参数的响应差异,探究了这些结构参数对吸能性能的影响程度,并进一步扩展到对四种常见的功能梯度阵列排布下的结构的研究。采用吸能量Ea、吸能效率Eε和平台应力σp三个指标评判了结构的能量吸收效果。研究发现:斜壁倾角θ越大,结构整体的能量吸收表现越佳;宽度比α对于结构整体的等效力学性能与能量吸收均影响较小;纵横比β越小,结构的负泊松比效应越明显,但相反地,其数值越大却能带来更高的能量吸收效率。所得结果可为负泊松比材料的功能导向设计提供参考。

求解复合材料等效性能的混合均匀化方法

考虑到层合板结构的多尺度特征,将均匀化方法与三维弹性子层板方法相结合,推导出一种新的方法,用以求解层合复合材料的等效刚度.该方法通过均匀化过程,将此三维刚度问题简化为二维问题,便于有限元网格划分及数据处理,提高计算效率.其潜在的优点是,可在二维规模上方便、准确地求得纤维方向含有周期性损伤时的损伤刚度.数值算例显示该方法具有较好的精度.

类方形蜂窝夹芯胞元尺寸的等效力学性能与优化

为了提升类方形蜂窝等效力学性能,在推导了其尺寸参数与等效力学性能的函数后,将尺寸参数作为设计变量、等效力学性能为优化目标,建立了类方形蜂窝夹芯胞元优化数学模型,采用了多目标遗传算法进行优化设计。给出胞元尺寸单参数响应及多尺寸协同作用的响应分析并从多目标优化代表性解中选取到最优解。优化结果得到:当夹芯胞元尺寸参数l/t取114.3899、l/h取0.9598时,等效密度增加59.52%,y方向等效弹性模量减小了67.37%,但x方向等效弹性模量增大了109.77%,等效剪切模量增加了421.94%,类方形蜂窝夹芯的等效力学性能显著提升。研究结果对类方形蜂窝夹层结构的优化设计提供一定的依据和参考。

负泊松比蜂窝结构的选型和等效弹性性能分析

对负泊松比多胞蜂窝结构性能进行分析,得到更加准确的等效弹性性能预测公式。使用ANSYS软件对4种负泊松比蜂窝结构进行压缩模拟实验和三点弯曲模拟实验,选取出等效弹性性能最佳的蜂窝结构为椭圆型蜂窝结构。用有限元分析和孔隙率修正2种方法,分别求得椭圆蜂窝结构的等效弹性模量、等效泊松比、等效剪切模量在孔隙率为0.1~0.7的曲线变化,得出有限元拟合的等效性能误差较小,使用有限元拟合公式预测等效弹性性能结果较为准确。

周期性点阵类桁架材料等效弹性性能预测及尺度效应

比较了D irichlet型和Neum ann型边界条件下的代表体元法及均匀化方法对具有周期性结构的点阵类桁架材料等效弹性性能的预测结果.数值结果表明,D irichlet型和Neum ann型边界条件下的代表体元法所得结果随着参与模拟的单胞(微结构的最小周期)个数的增加,分别从上下界逼近均匀化方法的结果.对于一类具有特殊微结构的桁架材料,只需一个单胞即可充分逼近均匀化结果.指出产生尺度效应的判据是,对D irichlet型边界条件下的代表体元法,单胞公共边界处的节点支反力是否平衡;对Neum ann型边界条件下的代表体元法,单胞边界间变形是否协调.最后,我们证明了对于一类均匀化方法求解中没有广义自由度的桁架材料,其均匀化结果就是各构件性能按照体积份数加权平均得到.

纤维柱增强泡沫夹芯的等效力学性能研究

纤维柱增强泡沫夹芯结构是沿厚度方向在泡沫中植入纤维柱,以提高泡沫夹芯结构的抗压性能、抗剪切性能和抗弯曲性能.根据纤维柱增强泡沫夹芯结构的这一特点,通过建立细观力学模型,并结合修正的Mori-Tanaka方法预报纤维柱增强泡沫芯材的法向弹性模量和横向剪切模量.实验结果验证了该方法预报结果的准确性.利用该模型进一步探讨了纤维柱增强泡沫夹芯结构参数对芯子等效性能的影响.结果表明,纤维柱内纤维体积的变化对结构的法向弹性模量影响较大,对横向性能影响不大;纤维柱直径增大芯子法向比刚度也增大,但芯子的横向比剪切刚度反而降低.

铝蜂窝胞元结构参数对其宏观等效表征性能的影响

将均匀化理论与有限元方法相结合,建立了预测铝蜂窝宏观等效特征参数的细观力学模型,研究铝蜂窝胞元结构参数对其宏观等效表征性能的影响,并采用MATLAB语言编程,计算了不同高长比、不同厚长比及不同胞璧夹角的不规则正交各向异性蜂窝铝芯的等效弹性参数,得到了胞元结构参数对铝蜂窝宏观力学性能的影响规律,所得结果对蜂窝铝芯的结构设计及其在风力机叶片的工程应用中具有一定的指导意义。

一种计算复合材料等效弹性性能的有限元方法

在最小二乘意义下提出了一种计算复合材料等效弹性性能的有限元方法.这种方法由于考虑了等效弹性张量各分量之间的耦合关系,所求得的等效弹性常数比传统方法更可靠,可适用于求解含任意形状的夹杂和夹杂物问题.通过算例计算了在不同弹性模量对比度下两相复合材料的等效弹性性能,并与相关的理论及数值结果进行了比较,结果表明,利用该方法计算含夹杂复合材料等效弹性常数是可行的.

基于子层刚度法性能等效的风机叶片分析研究

为简化风机叶片的建模和计算、提高效率,研究基于子层刚度法的复合材料层合板性能参数等效方法。从层合介质的本构关系出发,推导适合正交各向异性复合材料具有3个正交弹性性能对称面特殊结构层合板的性能等效整体刚度矩阵。将改进后的子层刚度等效算法应用于某[0°,±45°]三向层合板,计算结果与实测数据十分接近;分别对某风机叶片根部层合单元模型和等效模型进行结构分析和对比,结果表明,二者数值吻合良好,该方法具有可行性和有效性。

基于能量法的复合材料层合板性能等效算法研究与应用

为简化风力机叶片的建模和计算、提高效率,提出基于能量法的复合材料层合板性能参数等效方法。以材料的代表性体积单元RVE为研究对象,在能量法二维理论的基础上,根据RVE和均质等效体应力场与应变场在一定条件下相同的特点,利用变形能守恒理论,通过对不同形式变形能公式的变换,推导出层合板三维情况的性能等效刚度矩阵系数与RVE变形能的关系及等效矩阵的能量表达式。将该算法应用于[0°,±45°]三向层合板,计算结果与实测数据吻合。分别对1.5 MW叶片根部层合单元模型和等效模型进行结构分析和对比,结果表明二者数值吻合良好,验证了算法的可行性和有效性。

含周期性圆形孔洞胞元的材料等效弹性性能研究

基于变形等效原理,研究了含周期性圆形孔洞方形胞元的多孔材料的等效弹性性能。通过分析具有不同直径圆孔的方形胞元的弹性性能,拟合了胞元的等效弹性参数与孔径之间的函数关系。其中胞元内圆孔直径与胞元边长比例在0.1~0.8内变化。利用该函数关系,可以预测任意一个圆孔直径与胞元边长比值介于上述范围内的胞元的弹性性能。为考察上述函数关系的正确性,由胞元构造悬臂梁,通过比较其解析解和数值解,对所得结果进行了验证。结果表明,即使应悬臂梁中胞元数目较少时,解析解与数值解也吻合很好。

基于渐近均匀化方法的波纹结构力学性能等效分析研究

波纹结构广泛地应用于工程实践中,如波纹板与波纹管.由于波纹结构的复杂性,解析方法很难精确表达其基本力学性能参数,同时,数值建模耗时较多,难以提高分析效率.波纹结构呈现典型的周期性,基于渐近均匀化方法可推导得到新格式.其便于在商业有限元软件上二次开发实现快速求解,从而获得波纹结构单胞等效力学性能参数.通过尺寸效应分析获得单胞选取的最佳尺寸;同时,针对某一波纹板建立其等效分析模型,在集中荷载作用下模拟其力学变形,通过与精细数值分析结果对比,发现其误差不到2%.充分验证了该等效方法的可行性,其为工程中波纹结构快速设计提供了一种有效途径.

类蜂窝夹芯结构等效力学性能优化设计

为提高新型类蜂窝夹芯结构的等效力学性能,本文在分析夹芯胞元尺寸对其等效力学性能影响的基础上,选取胞元尺寸为设计变量、以等效力学性能参数为目标函数,建立类蜂窝夹芯结构等效力学性能优化数学模型,并采用多目标遗传算法对其进行优化设计。经优化设计分析发现:当夹芯胞元厚度t与六边形短边长l比值为0.0134、正方形边长h与l比值为0.6932、六边形短边与水平方向夹角θ为45°时,夹芯胞元等效密度增大46.7%、等效弹性模量增大102.14%、等效剪切模量增大465.62%,泊松比降低16.27%。研究表明,通过优化设计,类蜂窝夹芯结构等效力学性能得到了大幅提升。本文的研究内容将对新型蜂窝夹芯结构的创新设计与优化提供重要的参考依据。

复合固体推进剂等效力学性能VCFEM细观预示方法

根据固体推进剂的细观结构特征,采用等圆最优装载方式生成代表性体积单元(Representative Volume Element,RVE)模型,并结合Voronoi单元有限元方法(Voronoi Cell Finite Element Method,VCFEM)和均匀化方法,发展了一种可预示固体推进剂等效力学性能的数值分析方法,从而得到体分比和组分材料对等效模量和等效泊松比的影响规律。为证明该方法的有效性,设计一个对称数值模型,通过对该方法和传统有限元方法的节点位移结果的比较,发现两者之间的相对误差小于5%,且VCFEM用少量单元就完成了分析,提高了计算效率。通过对不同细观结构下推进剂RVE模型的计算,发现随着夹杂体分比的增大,夹杂的颗粒增强效应越明显,基体材料的变化比夹杂材料对等效力学性能有着更加显著的影响。

混杂复合材料等效热传导性能预测的小波-机器学习混合方法

混杂复合材料是一种新型复合材料,其复杂的细观结构导致预测其等效热传导性能极富挑战性.本文结合渐近均匀化方法、小波变换方法和机器学习方法发展了一种新的可以有效预测混杂复合材料等效热传导性能的小波-机器学习混合方法.该方法主要包括离线多尺度建模和在线机器学习两部分.首先借助渐近均匀化方法通过离线多尺度建模建立了混杂复合材料的热传导性能材料数据库,然后利用小波变换方法对离线的材料数据库进行预处理,接下来分别运用人工神经网络和支持向量回归方法建立混杂复合材料等效热传导性能预测的在线机器学习模型.最后通过对周期和随机混杂复合材料进行数值实验,验证了小波-机器学习混合方法的有效性,数值实验结果表明小波-神经网络混合方法具有最优的预测效果和抗噪能力.此外,需要强调的是对于具有高维大规模数据特征的随机混杂复合材料,小波-机器学习混合方法不仅可以提取离线材料数据库的重要特征,还可以显著减少在线监督学习的输入数据规模并提高机器学习模型的训练效率及抗噪性能.本文建立的小波-机器学习混合方法不仅适用于混杂复合材料等效热传导性能的预测,还可进一步推广应用于复合材料等效物理、力学性能的预测.

利用结构基因法研究非线性周期性板结构的等效力学性能

非线性周期性板结构是一类在智能复合材料领域具有巨大应用潜力的结构,因其构成材料的非线性特性,以及结构中经常包含增强纤维、肋板和空洞等复杂微结构导致的材料几何非线性,利用常规的有限元方法进行建模和分析较为困难。本文提出了一种结构基因法,通过提取非线性周期性板结构的最小模型单元作为其结构基因,将异质周期性板结构等效为均质板结构,便捷地求解了非线性周期性板结构的微观力学性能和整体等效力学性能。算例表明,结构基因方法可用来分析复杂非线性复合材料结构问题,计算结果精度足够,为复合材料微观力学研究提供了有价值的参考。

四节点手性拉胀超材料在弹塑性大变形下的等效力学性能研究

拉胀超材料(即具有负泊松比效应的材料)具有很多独特的优良性能.等效力学性能是设计拉胀超材料的重要指标,同时也是建立相应本构模型的基础.目前对拉胀超材料的等效力学性能研究大都局限在弹性小变形框架下,而在实际应用中,拉胀超材料通常会产生弹塑性大变形.为此,采用了基于周期性边界条件的数值均匀化方法,对一种经典的四节点手性拉胀超材料在弹塑性大变形下的等效力学性能开展了系统的研究.结果表明,四节点手性拉胀超材料的等效力学性能随着变形的增加而产生规律性的变化.

碳纳米管增强风机叶片复合材料多尺度模型及性能预测

将均匀化理论与有限元法相结合,应用于真空树脂转换成型风机叶片碳纳米管/碳纤维/环氧树脂复合材料的性能预测。根据实验分析,将碳纳米管/碳纤维/环氧树脂复合材料内部结构分别用宏观、细观和纳观三个层次来描述,建立了碳纳米管增强风机叶片复合材料的多尺度模型,编写了MATLAB程序,并运用二次均匀化预测了材料参数(体积份数、长径比、弹性模量等)对碳纳米管/碳纤维/环氧树脂复合材料性能的影响。当分别增大碳纳米管弹性模量、长径比和体积份数时,碳纳米管/碳纤维/环氧树脂复合材料的性能均能得到提高。本文结果对风机叶片复合材料的制备有一定的指导作用。

基于力学性能等效的混合式集束生产立管强度分析研究

混合式集束生产立管用于连接水下设施和浮式平台,是深水油气开发的重要组成部分。该类立管通常由中心管、油管、注水管、气举管和电缆等子结构构成,属于具有复杂横截面的细长结构。在其应力分析中,需要由梁模型分析其整体性能,由实体或壳模型分析其局部性能。本文通过理论推导给出了混合式集束生产立管的等效惯性矩计算方法,基于数值模拟计算了其等效极惯性矩;将混合式集束生产立管等效力学性能赋予梁单元,模拟了其整体响应并确定危险位置;针对危险位置采用实体单元进行了数值模拟,获得了局部模型的应力分布并基于规范进行了强度校核。以上方法兼顾计算效率和精度,为混合式集束生产立管的力学性能分析提供了有效手段。

原位生长碳纳米管增强复合材料风机叶片性能预测

本文采用均匀化理论,结合有限元方法,预测了碳纤维表面原位生长碳纳米管增强复合材料风机叶片的等效性能。根据实验分析,将碳纳米管/碳纤维增强复合材料风机叶片内部结构分别用宏观、细观和纳观三个层次来描述。利用APDL编写的均匀化计算程序,分析了碳纳米管的长度、直径以及弹性模量对复合材料等效性能的影响。计算结果表明,随着碳纳米管长度的增加,复合材料的等效性能增加;当长度一定时,增加碳纳米管的直径和弹性模量,也能提高复合材料的性能。本文结果对复合材料风机叶片的制备有一定的指导作用。