内旋层级类蜂窝结构的面外力学性能

结合几何学的胞元设计思路,提出了一种新型多胞结构—内旋层级类蜂窝(intorsion hierarchical honeycomb-like,IHH)结构,通过数值模拟方法对其面外力学性能和变形特征进行深入研究,并与普通蜂窝结构、填充圆管的蜂窝结构进行了比较。研究发现,采用内旋层级设计的多胞结构,其胞元内部产生了独特的约束效果,在多层级设计条件下,可以进一步加强这种约束效果,从而提高结构的力学性能。此外,通过开展参数化研究,以揭示相对密度变化对结构性能的影响;基于简化超级折叠单元理论,建立了内旋层级类蜂窝结构的理论模型。结果表明,内旋层级类蜂窝结构在渐进式折叠变形模式下表现出最佳的吸能效率,理论模型能够有效地预测内旋层级类蜂窝结构的平台应力。研究结果可为多胞结构性能优化设计提供指导。

新型六角类蜂窝结构的异面压缩吸能特性（英文）

探寻更优力学性能的轻质新颖结构一直是轨道车辆耐撞性设计持续追求的目标。为此,分析了三种增强型类蜂窝结构的异面压缩吸能特性,包括三角增强型、双层增强型和全填充增强型。基于最小能量原理构建了各型增强蜂窝结构的平均力、比吸能的理论表达式,并采用显式有限元数值模拟方法验证,结果吻合较好。所得结果表明:此三型类蜂窝结构维持了与常规蜂窝结构一致的压缩历程;胞元增强可显著提升类蜂窝结构的平台载荷与比吸能;相比于其它增强形式,全填充增强型类蜂窝结构与双层增强型结构具有相当的比吸能,但其平台载荷更高;折角单元环形曲面可耗散更多的塑性能,应考虑增加更多折角单元以提升耗能水平。所得结果为轻质多孔高性能能量吸能装置设计提供参考。

冲击荷载下类蜂窝结构的动态压缩特性研究

为了解不同排列组合形式对蜂窝结构动态压缩性能的影响,将3个菱形蜂窝胞元以新的排列组合形成胞元结构,并以菱形类蜂窝结构为模型,采用显式动力有限元ABAQUS模拟分析了菱形类蜂窝结构的动态压缩性能和吸能特性。此外,研究了菱形类蜂窝结构在不同冲击速度下的变形特性和能量吸收缓冲能力,并在同样条件下将常见的菱形蜂窝结构与菱形类蜂窝结构的变形及吸能特性进行比较。模拟结果表明:低速(v=15 m/s)冲击荷载作用下的菱形类蜂窝胞元先后呈现“X”型、“K”型及“一”型破坏,高速(v=70 m/s)冲击荷载作用下的菱形类蜂窝结构首先从冲击端开始破坏,随着冲击荷载持续施加而呈现“一”型,且随着惯性作用逐步扩展到固定端;随着冲击荷载的增大,类蜂窝结构的缓冲变形和能量吸收能力明显弱于菱形蜂窝结构。

类方形蜂窝夹层结构的声振特性研究

基于Reddy高阶剪切变形理论和双三角函数法,建立了类方形蜂窝夹层结构振动固有频率理论模型和隔声特性理论模型,运用Workbench和声学软件Virtual Lab分别对此夹层结构进行振动模态分析和声振耦合分析。结果表明,影响类方形蜂窝夹层结构隔声量的3个主要因素按所占权重由大到小依次为夹芯壁厚、面板厚度、夹芯高度。与传统六边形蜂窝夹层结构相比,类方形蜂窝夹层结构隔声性能更好。

类蜂窝复合夹层结构的力学特性及其在精密机床上的应用

为提高加工中心中立柱的静、动刚度及热刚度,提出一种类蜂窝胞元结构,并应用该结构对加工中心的关键部件进行重新设计。首先,针对蜂窝结构在共面方向承载力不足的问题,以传统六边形蜂窝胞元为对象,在外侧构建保护壁,构成类蜂窝结构,力学特性及仿真分析表明,强化后的结构具有更好的比刚度和承载性。其次,将机床立柱结构分为横梁和立柱两部分,将类蜂窝填充结构分别与"米"字形或"井"字形填充结构进行了对比分析,从定性和定量的角度评判方案的优劣。最后,计算了刀具在实际工况下的受力及主轴箱、导轨等处的生热状况,将力载荷和热载荷施加在立柱上,并对重新设计后的立柱进行了静、动力学分析及散热性能分析。结果表明:较"井"字形填充结构,类蜂窝填充结构的立柱质量减小了4.21%,沿z轴的变形下降了39.5%,一阶固有频率提高了29.22%,热稳态时间减少了81.39%。

泡沫填充类蜂窝夹层结构的耐撞性

本文创新构型一种聚氨酯泡沫填充类蜂窝夹芯结构,取类蜂窝胞元壁厚分别为0.3、0.5、1.0 mm,运用数值模拟方法对该填充结构在不同冲击速度作用下的耐撞性进行了系统研究,并分析了类蜂窝胞元壁厚对结构耐撞性及变形机制的影响。结果表明,在7、14、33 m/s冲击载荷作用下,类蜂窝胞元壁厚为0.3 mm填充结构的比吸能、载荷稳定性及吸能效率要高于其他两种壁厚结构的相应值,此条件下填充结构的耐撞性最优,胞元壁厚为0.5 mm结构的耐撞性次之。对于该泡沫填充类蜂窝结构而言,减小类蜂窝胞元壁厚能显著提升结构的载荷稳定性,在相同胞元壁厚条件下,填充结构在低速载荷冲击作用下表现出了比中、高速冲击作用下更优的载荷稳定性和吸能效率。

超轻多孔“类蜂窝”夹层结构材料设计方法研究综述

随着夹层结构材料在工程领域中的不断推广应用,现有夹层结构材料逐渐不能满足工程设计要求,迫切需要开发高效、节能并易于加工的新型夹层结构材料。结合重大应用背景(主要包括超轻高强金属夹层结构材料在汽车、航空航天、机械等领域的高质量、高能耗装备中的应用),提出并构建一种新型"类蜂窝"夹层结构材料,研究夹芯层的力学性能等效方法,夹层结构的强度、刚度和固有频率特性,以及基于失效准则的结构材料一体化设计方法,为轻量化材料和结构的创新设计提供新的思路。

轻质高强类蜂窝夹层结构轴向压缩屈曲失效分析

基于传统力学理论和Engesser法,建立类蜂窝夹层结构受压载荷模型,推导轴向压缩载荷作用下的临界屈曲载荷计算公式,通过实验与数值模拟相结合的方式验证了该理论公式准确性。同时,运用理论分析和数值模拟相结合的方法研究了类蜂窝芯胞元个数、面板厚度以及胞元参数等对结构稳定性的影响,进而得到等效密度与屈曲载荷对胞元参数响应关系。研究结果表明,在不考虑结构轻质时,增大上、下面板厚度和胞元壁厚可提高屈曲载荷,增强结构可靠性;在考虑结构轻质时,增大斜边边长在有效减小等效密度的同时,可有效增大整体屈曲载荷。

类蜂窝夹层结构振动特性分析及应用研究

对新型类蜂窝夹层结构进行了振动特性研究,运用Hoff理论对类蜂窝夹层结构进行振动特性分析,计算类蜂窝夹层结构在四边简支边界条件下的振动固有频率方程解。并用有限元软件ABAQUS进行振动模态分析与理论值进行对比,结果表明误差保持在10%以内,吻合度较好,检验了理论公式的可行性。在此基础上研究类蜂窝夹芯壁厚和面板与夹层板厚度比等结构参数对类蜂窝夹层结构固有频率的影响。进一步研究类蜂窝夹层结构的优良性,在蜂窝夹芯胞元数量、材料、边界约束以及其他相关参数相同的条件下,与六边形和正方形蜂窝夹芯结构相比,仿真结果表明:根据蜂窝夹芯结构的整体振动固有频率和振动位移等仿真数据,可知类蜂窝夹层结构的性能更好,并与某型号电动车车身零件频率对比,由仿真数据表明:可应用在此车底盘甲板中。振动分析对未来的蜂窝夹层结构设计具有重要意义,扩展了蜂窝结构在工程振动方面的应用。

蜂窝聚类网络的能量级别分簇和簇头选择算法

针对无线传感器网络分簇结构存在簇间重叠覆盖率较高和簇内节点能量不均衡的问题,提出一种能量级别的蜂窝聚类结构无线传感器网络结构。给出最小化总簇头能耗下的簇间通信距离,减少簇头在通信上的能量负担,由于分簇结构的正六边形特征使得所有的簇间通信距离相同,有利于簇头间的能量均衡,簇间的重叠覆盖率达到最小,提高网络的能量利用效率。在簇头的选择上,采用一种基于能量级别的簇头选举机制,延长节点的平均寿命。实验结果表明,相比基于多层次和距离感知的集群机制以及基于多目标模糊聚类的分簇算法,CSLC算法在节点平均剩余能量上分别提高了15.6%和24.5%,节点存活时间分别提高了15.8%和4.7%。

柚子皮衍生类蜂窝状碳材料在同步检测重金属离子中的应用（英文）

不含金属的碳材料通过廉价且易获得的柚子皮经KOH活化和高温热解获得,该碳材料具有高比表面积(1 055 m^2·g^(-1))和高石墨化程度的类蜂窝状结构。将多孔碳(PAC)材料修饰后的电极作为工作电极,采用阳极溶出伏安法(SWASV)同步检测Cd^(2+)、Pb^(2+)和Cu^(2+)离子,表现出较高的灵敏度、可重复性、稳定性和较低的检测限。研究认为PAC的微孔和中孔可以充当有效的离子传递通道,从而加速离子的扩散并显著提高交换效率,而高的石墨化程度提高了材料的导电性,加速了电子传输。

酸性聚离子液体溶胀诱导自组装形成类蜂窝状固体酸催化剂及其高效催化水解反应

酸催化反应在化学工业中占据着十分重要的地位.传统的液体酸催化剂催化性能优异,但面临着能耗高,腐蚀设备和环境污染严重等问题.相比于传统的液体酸催化剂,固体酸催化剂,如分子筛和磺酸树脂等大大缓解了经济和环境方面的问题,但也存在着催化活性差和易失活等缺陷.酸性聚离子液体因其高密度的反应活性位点,可设计调变的结构和酸性以及可循环利用等特性而成为一种新型的高效多相酸催化剂,引起了广泛的研究兴趣.然而,当酸性聚离子液体用作催化剂时,由于其酸中心不能充分地暴露在反应底物中,使得它们的催化活性难以达到甚至超越均相催化剂的水平.因此,发展一种催化活性高于均相的酸性聚离子液体催化剂仍是一个巨大的挑战.我们研究组发现在反应底物中溶胀的聚离子液体可作为一种准均相催化剂,其催化活性与相应的均相离子液体相当,这为提高多相催化剂的催化活性提供了一种新的策略.本文报道了一种在水中溶胀且自组装成类蜂窝状网络结构的酸性聚离子液体催化剂,该催化剂在水解和水合反应中表现出优异的催化性能,其活性高于均相酸催化剂.首先通过自由基聚合和酸化两步合成了一系列在水中高度溶胀的酸性聚离子液体(SAPIL-1-6).以三甲基磷氧(TMPO)为探针分子,用31P魔角旋转核磁共振(31P-TMPO NMR)对SAPILs的酸性进行了分析.结果表明,SAPILs具有中等强度的单一酸性.热重分析表明SAPILs拥有优异的热稳定性能(300-345℃),显著地优于商用磺酸树脂Amberlite IR-120(H)(245℃).扫描电镜和冷冻电镜表明,当SAPILs在水中溶胀时,无孔的结构会自发地形成微米级三维类蜂窝状网络结构.这些类蜂窝状网络结构的酸性聚离子液体在催化乙酸环己酯水解制备环己醇中表现出卓越的催化性能,其催化活性明显高于多相酸催化剂(Amberlite IR-120(H)和H-ZSM-5)和均相酸催化剂(硫酸,对甲苯磺酸和均相酸性离子液体[VSIm]HSO4).通过气相色谱定量分析了在一系列模拟的反应体系中溶胀SAPIL-1内部和外部各组分的平衡浓度,发现SAPIL-1内部乙酸环己酯的浓度和乙酸环己酯与环己醇的摩尔比分别是其外部的7.5-23.3倍和4.5-16.4倍,这表明在反应过程中乙酸环己酯被大量富集.此外,SAPILs在环己烯直接水合制备环己醇以及环氧乙烷水合制备乙二醇的反应中均表现出优异的催化性能.值得说明的是,SAPILs具有很好的循环使用性能,10次循环后催化活性无明显改变.这些具有蜂窝状结构和对反应底物高富集SAPILs的成功合成及应用为开发高效的多相酸催化剂提供了一种新的思路.

钛表面夹层薄膜对微小碎片撞击防护的影响

目的提高航天器材料表面空间微小碎片的防护能力。方法基体采用高纯钛。以氟化铵的乙二醇溶液为电解液,采用阳极氧化法在钛表面制备类蜂窝状TiO_2纳米管阵列夹层;用氢氧化钠溶液,通过碱热处理方法,在钛表面制备泡沫状多孔结构夹层。再采用溶胶凝胶方法制备SiO_2表板覆层,最终在钛表面形成具有类蜂窝状纳米管阵列夹层和泡沫状多孔结构夹层的两种防护膜层体系。通过扫描电子显微镜、超景深三维体式显微镜分析表面形貌;采用激光驱动飞片模拟碎片撞击试验,评价膜层对微小碎片撞击防护的效果;用纳米压痕仪测定材料表面载荷-深度曲线,评价表面力学性能。结果钛金属表面具有类蜂窝状纳米管阵列和泡沫状多孔结构夹层时,表面接触刚度可明显降低,提高了外力作用下的接触变形能力。受到高速撞击时,可以较好地吸收高速撞击产生的能量,对高速撞击有一定的防护作用。结论在钛表面制备了TiO_2纳米管阵列/SiO_2和多孔结构/SiO_2两种复合防护膜系,可以有效提高表面抗冲击能力。开展表面膜层结构化设计,是对空间微小碎片表面防护的有益探索,对于空间微小碎片防护具有重要意义。