浅议沥青路面结构与材料一体化设计

目前的沥青路面结构和材料设计中仍存在许多问题,导致了路面结构早期破损严重.现行沥青路面设计规范有着许多缺陷:比如设计内容单一、设计指标缺乏有效性、材料设计与结构设计缺乏关联等,结合陕西几条高速公路调查结果,提出了高速公路沥青路面结构与材料一体化设计的基本思想。

沥青路面结构与材料一体化设计研究

高速公路一直以来都是我国经济飞速发展的重要产物，它是交通运输方面现代化的一个重要标志。作为一种车流量较大、设施方面相对较完善、科技方面含量较高的一种现代化交通载体，高速公路具有安全、快捷以及舒适的三大特点，在社会效益及经济效益层面上所发挥的一系列作用是不可言喻的。但随着我省高速公路通车里程及运营时间的推移，一些高速公路沥青路面病害也随之而来，针对我国现行规范中沥青路面结构与材料设计相互割裂，无法进行优化设计的缺陷，分析重载交通对路面结构的作用和影响，我们进行了沥青混合料级配优化和沥青混合料配比设计力学参数研究，提出沥青路面结构与材料一体化设计方法和原则。

多功能床椅一体化助老机器人结构设计与实现

为满足下肢运动功能障碍群体的生理需求,设计一款多功能床椅一体化助老机器人。首先在solidworks中对床椅一体化机器人进行建模,验证结构设计的合理性和可靠性;其次对各模块的机械部分进行详细设计;最后完成了多功能床椅一体化样机制作和调试。实验表明,设计的床椅一体化机器人达到了预定设计目的,为实现多功能床椅一体化助老机器人的大规模生产提供有效途径。

复合材料薄膜盖结构与功能一体化设计

目的解决传统硬质泡沫塑料易碎盖存在的承压能力不足、冲破性能不稳定、不能有效防潮控湿、电磁兼容性差等缺陷。方法以某型导弹武器系统发射筒密封盖为主要应用对象开展薄膜盖设计,主要包括总体结构设计、零部件设计、功能设计及仿真验证。结果薄膜盖经密封、承压、冲破、电磁兼容等性能考核,均满足装备贮存使用要求,冲破盖体所受的最大峰值冲击力可稳定保持在1200~1600 N。结论建立了薄膜盖结构与功能一体化设计方法,可满足在研型号对新型密封盖的设计需求,并为新型号弹箭发射筒大尺寸密封盖的顺利研制提供技术储备。

基于参数化模型的结构一体化设计

在装备设计工作中,结构设计通常在系统外形、结构布局、质量分布等总体指标确定之后进行,在系统方案设计阶段,结构分系统设计介入程度较低。经常会发生各分系统之间协调不到位,或无法满足总体指标等原因,需要反复进行协调、设计修改。为提高设计效率,结构设计方法的参数化和一体化是有效途径。介绍了在研发平台的协同式产品开发环境基础上,通过建立参数化的基本型结构主框架模型,快速建立新型产品的结构模型,实现结构设计参数化、一体化。

面向一体化设计的船用碳玻混杂复合材料帽型加筋板结构多尺度分析

[目的]复合材料设计与结构设计一直处于分离的“双轨”状态,旨在提升船用复合材料结构的极限强度,提出复合材料与结构一体化设计方法。[方法]基于多尺度方法,建立细观材料与宏观结构的尺度关联,探究细观参数对宏观加筋板极限强度的影响以及碳玻层内混杂与层间混杂的力学性能差异,通过对比分析获得更优结构形式。[结果]采用建立的微-细-宏观力学模型,改善了复合材料细观参数,提高了宏观加筋板极限强度。通过调整TC33纱线间距和纱线截面积、WR纱线截面积、混杂方式,使得设计的复合材料帽型加筋结构具有更优的极限强度。[结论]通过多方案对比寻优,在满足规范要求的前提下可实现材料与结构一体化设计,为新一代舰船设计提供理论指导和技术支撑。

基于复合材料夹芯结构的辐射/承载一体化天线设计与表征

传统天线安装在飞行器上会产生增大飞机雷达截面积(RCS)、影响气动性能等问题,严重影响飞行器性能,因此,天线与飞行器结构进行一体化设计是未来机载天线的发展趋势之一。本文通过将玻璃纤维复合材料(FR-4)格栅结构与微带天线进行复合,提出了一种辐射/承载一体化天线设计方案,设计了格栅夹芯天线和泡沫填充格栅天线。通过电磁仿真和测试表征了两种天线结构的辐射性能,其工作频段均在12.65~12.85GHz之间,增益均大于10dBi。面外压缩试验结果表明,通过在格栅夹芯天线填充泡沫,可有效地提升原结构的承载特性和能量吸收特性。本文提出的一体化天线结构有效地提高了结构效率,在工程应用中可替换飞行器中现有夹芯结构,进一步扩展一体化结构的应用空间。

结构-功能一体化异种复合材料壁板优化与验证

基于航空壁板结构承载-电气功能的一体化需求,对适用于智能蒙皮的异种复合材料壁板开展了优化设计与试验验证。通过在高模量碳纤维蒙皮的外侧增加玻璃纤维层,进行了以碳纤维-玻璃纤维-金属结构单元阵列-玻璃纤维复合顺序的壁板承载-电气功能一体化设计。针对异种复合材料结构的铺层优化需要考虑共胶接的分区域及铺层连续性的工艺要求,发展了基于丢层序列的优化方法,并对于加筋壁板的几何外形、筋条数量、筋条几何参数以及筋条与蒙皮的铺层角度进行了优化设计。通过压缩稳定性试验验证了该结构在承载能力和稳定性方面的收益,明晰了其压缩载荷下的屈曲模态及后屈曲失效机理。

无人艇载多波束测深系统一体化结构优化设计

为了提升无人艇载多波束测深系统(以下简称多波束系统)在复杂环境下的作业安全和精度,通过对多波束系统与无人艇艇型一体化安装结构的分析,采用基于有限元协同仿真技术开展动力及平台结构性能优化设计研究,设计出了在一定航行速度下能保证较优效率和航行安全的无人艇载多波束系统安装结构,并在珠江口海域进行了试验。结果表明:与传统的无人艇平台与多波束系统分离式设计的方法相比,设计的无人艇载多波束系统横摇角度小,抖动现象减弱,作业性能得到提升。运用该系统不仅可以获取水下高精度的三维地形数据,也可以为水下障碍物排查、目标物搜寻和水下构筑物巡检巡查等提供技术支撑。

风速可调的地空一体化风力灭火遥控机结构设计与性能分析

风力灭火遥控机作为地面灭火装备的一种创新形式,具备机动性强、远程操作、快速响应等特点,能够在复杂的火情环境中灵活作业,大大提高了灭火效率和安全性。为探讨风力灭火遥控机在应对森林和草原地表火灾地空一体化监测系统中的角色与作用,对风力灭火遥控机进行结构设计,分析旋转开合结构的安装位置和开口大小对出口风速的影响。利用Fluent软件对风力灭火筒进行流体仿真,结合Design Expert软件对仿真数据进行处理,建立了位置S和开口大小d对出口平均风速和出口最大风速的响应曲面和二次模型。结果表明,安装位置和开口大小均为出口风速的重要影响因素,当风筒入口风速设定为70 m/s、旋转开合结构开口大小为30 mm且安装在位置5处时,出口平均风速和出口最大风速达到最大,分别为97.7551 m/s和290.001 m/s。相较于开口大小,安装位置对出口平均风速和出口最大风速的影响更大,且安装位置越靠近风筒出口处风力灭火机的灭火性能越好。

基于改进材料和结构融合的仪表板横梁轻量化设计

针对现有钢质仪表板横梁(CCB)重量较重、零件较多、工艺复杂且表面处理会污染环境的问题,提出一种将改进材料和优化结构相融合的全塑仪表板横梁轻量化设计方法。首先依据复合材料的成型工艺要求和CCB的安装环境对CCB进行模型设计,使其实现一体化的目标;然后应用Moldflow模流分析对CCB模型的工艺进行全局验证和寻优;最后,基于HyperMesh有限元分析对全塑CCB力学性能进行验证,结果表明,通过设计优化得到的全塑CCB质量下降了53.5%。

基于遗传算法的再生材料结构优化设计——以轻型木结构楼盖格栅为例

木材是一种典型的可再生材料,以其为主要建材的轻型木结构在双碳背景下拥有广阔前景。然而基于力学分析软件调整验算的轻型木结构楼盖格栅传统设计方法过分依赖主观工程经验,存在效率低、构件结构性能冗余,经济性不足的缺点;为实现轻型木结构楼盖格栅高效经济节材的设计,引入客观的遗传算法进行优化,通过Grasshopper搭建相关参数化几何模型与优化设计数学模型,调用Galapagos中的遗传算法模块以格栅总体积最小为目标执行优化,最后以某现代木结构幼儿园为优化算例,并通过MIDAS软件验证优化结果的可靠性。结果表明:轻木楼盖格栅节材优化变量均为离散数据,优化算例中班单元楼盖格栅工程量最大适应度个体在第5代已出现,优化效率整体可观;优化后的算例设计方案满足结构安全要求且相较于原方案节材6.4%。基于本方法所提出的各建筑功能类型轻型木结构楼盖格栅经济性设计方案能作为相关工程实践的有效参考。

轻质材料与结构的一体化设计

针对多孔材料微结构构型的可设计性,基于材料多尺度均匀化计算理论,提出以宏观结构最大刚度为目标,材料微结构构型为变量的材料与结构一体化设计新方法,实现了材料宏观布局设计与材料微结构精细设计的统一。采用凸规划对偶优化求解技术与二次型周长约束格式相结合的途径,实现了快速求解与材料分布棋盘格效应的控制。数值计算结果表明,在材料用量一定的情况下,本方法能有效地实现蜂窝结构及夹层结构的拓扑优化设计,为满足极端环境下航空航天结构的设计需求提供了新的设计思想。

硅碳复合材料结构设计及其在锂离子电池中的应用进展

新能源行业的快速发展对锂离子电池能量密度的需求提出了更高的要求。传统石墨负极容量接近理论极限,而硅材料凭借高比容量、低锂化电位和丰富储量,成为下一代高性能锂离子电池的理想选择。然而,硅材料在合金化过程中会产生巨大的体积变化,且其较差的本征电子导电性,限制了进一步的产业化应用。通过与具有优异导电性及良好稳定性的碳材料复合可有效解决上述问题。本文基于硅材料的反应机理及体积膨胀引发的问题,阐述了硅碳复合材料的性能优势及研究进展,对包覆型、负载型以及分散型硅碳复合材料的结构设计策略进行了分析对比,并在成本、可制造性等方面对未来硅碳材料的应用进行了展望。

新型轻质高强材料在建筑结构设计中的应用分析

传统的混凝土结构具有自重大、易开裂等缺点,研究轻质高强混凝土材料在工程实践中的应用具有十分重要的意义。通过采用轻粗骨料、轻细骨料的陶粒配置新型轻质高强混凝土,对其进行抗压强度试验,分析陶粒骨料的应力应变曲线,并应用于建筑结构的墙体设计中。结果表明,新型陶粒骨料轻质高强混凝土材料的破坏过程呈现典型的4个阶段,受到过渡界面的影响,其破坏面较为平整;不同配合比条件下新型陶粒骨料轻质高强混凝土材料的应力应变曲线呈现一致的变化关系;随着水胶比的增加,新型陶粒骨料轻质高强混凝土材料的应力峰值不断减小,且应力峰值对应的应变不断增加,材料破坏后的残余应力不断减小;随着养护龄期的增加,不同水胶比条件下新型陶粒骨料轻质高强混凝土材料的抗压强度均呈现非线性增加并趋于收敛的趋势;相同养护龄期条件下,随着水胶比的增加,新型陶粒骨料轻质高强混凝土材料的抗压强度不断减小。

复合材料风力机叶片气动/结构一体化优化设计

基于多学科优化理论,提出复合材料风力机叶片气动/结构一体化优化设计方法。采用多岛遗传算法,以叶片的气动和结构性能为约束、质量为目标,对复合材料风力机叶片进行优化设计。气动性能分析采用叶素动量理论,考虑叶梢损失和轮毂损失。结构分析采用有限元方法对风机叶片三维参数化CAD模型进行分析。算例结果证明了该方法的有效性,对实际的工程设计有较强的参考价值。

C/E复合材料网格缠绕结构一体化设计

根据多年的设计生产实践,总结了复合材料网格缠绕结构的优缺点。在发挥其优点的基础上,针对复合材料网格缠绕结构的缺点,提出了一体化设计设想,给出了一体化研制流程,并对流程中的各个环节进行了探讨。分析表明,对复合材料网格缠绕结构进行一体化设计可缩短研制周期,降低研制成本,从而可以使复合材料网格缠绕结构得到进一步推广使用。

车架与电池舱一体化结构轻量化与疲劳寿命集成优化设计

为提高电动载货汽车轻量化水平,本文提出了一种车架与电池舱一体化(cell to frame-简称“CTF”)结构。首先建立对标车型车架有限元模型,计算了其静力学性能与自由模态,并通过自由模态试验验证有限元模型的准确性。然后采用道路实采的多工况组合疲劳载荷谱在时域内运用名义应力法进行车架疲劳寿命分析。接着对经有限元分析验证合理的CTF结构初始设计进行试验设计并建立代理模型。最后采用全局响应面法进行优化设计,获得最佳轻量化方案。结果表明,优化设计后,CTF结构质量相较于传统的车架与电池舱分离设计结构轻量139.95 kg,轻量化率达14.09%,同时CTF结构力学性能与疲劳寿命均满足设计要求。

武汉光谷电竞馆建筑结构一体化设计与分析

武汉光谷电竞馆采用框架-剪力墙结构体系,为了实现荷载传递,结构中局部使用了钢斜撑、吊挂、托柱转换等结构形式。由于比赛大厅及建筑造型的影响,6层和屋面均采用大跨度钢桁架结构。建筑折面外表皮钢网格结构与主体结构采用一体化设计,从而达到结构与建筑形态的统一协调。本工程属于特别不规则的高层结构,运用多个计算软件对结构进行了静力弹性分析、弹性时程分析、中大震下的等效弹性分析和大震弹塑性分析。各项计算结果对比分析表明,结构满足预定的C级性能目标。最后,给出了本工程结构所采用的施工阶段分析步骤,并介绍了6层大跨度钢桁架典型支座节点设计、外表皮钢网格结构与内部混凝土结构的连接节点设计。

沥青路面结构设计和材料设计的一体化

通过试验和计算分析,指出了柔性路面现有设计方法的不足,提出了沥青路面分三层各自的主要功能,并按此要求进行沥青路面结构设计和材料设计一体化。