刚柔复合式路面结构与材料及发展趋势

刚柔复合式路面作为一种耐久性路面结构,广泛应用于重载交通、特殊地质条件、桥隧铺装等工程。为进一步推动耐久性刚柔复合式路面的应用,明确研究中的关键问题及发展方向,该文综述了国内外刚柔复合式路面的相关研究进展。在梳理刚柔复合式路面结构设计理论及施工技术的基础上,首先阐述了刚柔复合式路面的结构力学行为特征,分析了沥青面层和刚性基层的荷载应力、温度应力及其交互影响,刚性基层上的沥青面层一方面直接承受荷载和环境作用,另一方面可以改善下卧结构层的应力场和温度场,是影响刚柔复合式路面服役性能及使用寿命的关键;明确了刚柔复合式路面的病害主要出现在沥青面层,由于沥青面层与刚性基层之间的模量差异巨大,刚性基层上的沥青面层更倾向于产生压剪破坏,刚性基层的开裂以及刚‒柔层间的结合状态对沥青路面的性能也有着显著影响;最后,分别从沥青面层抗剪、基层板整体性、刚‒柔层间结合3个方面归纳了刚柔复合式路面性能的提升技术。基于刚柔复合式路面的结构力学特性,开展结构‒高性能材料一体化设计是提升刚柔复合式路面使用性能和耐久性的有效途径。

电磁╱水下隐身减阻一体化超结构增材制造及性能研究

本文提出了一种电磁隐身—水下隔声—超疏水减阻一体化超材料结构,用于跨介质飞行器蒙皮结构,可以实现空中隐身、水下降噪、水下减阻等多种功能和超材料结构的小型化和轻量化。所设计的旋转堆叠金字塔吸波器有效扩展了电磁波吸收带宽,斜蜂窝五模材料在实现高效隔离水下声波的同时,还具备较高的结构强度,可作为电磁超材料的基板。在电磁超材料的基础上,通过使用增材制造和超声空化技术,形成了不同微纳尺度的各向异性表面超疏水结构,减小了水下阻力,实现了流动控制。该一体化超结构材料在跨介质飞行器结构设计领域具有广阔的应用前景。

结构功能一体化材料──木质陶瓷的发展及其应用

综合评述了针对不同的原材料木质陶瓷的制备方法。介绍了木质陶瓷的微观结构及其在焙烤过程中的变化机理。概述了木质陶瓷的各种性能。最后总结了木质陶瓷作为功能材料和结构材料在生产生活各方面的应用。

结构/屏蔽一体化复合材料研究现状及发展趋势

面对电子设备和系统的综合性迫切需求,现有电磁屏蔽材料在屏蔽效能、带宽、密度、强度以及极端环境适应性等方面各有优缺点,结构/屏蔽一体化复合材料已成为近几年电磁防护材料技术领域的研究重点和热点。重点介绍了国内外在结构/屏蔽一体化复合材料方面的研究情况,并对铝镁合金、树脂基电磁屏蔽复合材料等典型结构/屏蔽一体化复合材料的发展趋势进行展望。

数据驱动的混凝土材料-结构一体化设计研究进展

材料-结构一体化设计是指在结构设计中综合考虑材料的性能,而在材料设计中则以结构的需求为出发点,形成材料到结构跨多尺度的设计模式,近年来已成为现代混凝土工程领域的研究重点。基于数据及人工智能算法的混凝土材料、结构设计方法可颠覆传统设计依赖经验且需重复试配的范式,实现高效节材及结构创新。梳理了国内外混凝土材料智能设计及材料-结构一体化设计的研究现状,总结了材料层面数据驱动的正向预测及逆向设计的研究范畴和关键问题,梳理了考虑温-湿-约束复杂交互的材料-结构一体化抗裂设计途径与效果,以氯盐侵蚀环境为例分析了混凝土材料-结构耐久性设计方案及提升手段,并以超高性能混凝土为例阐述了混凝土材料-结构高性能设计的方法,提出未来数据驱动的混凝土材料-结构一体化设计框架及生产、设计、制备及结构应用全综合的研究思路,并建议未来应在数据库建设、数据与理论融合及多尺度关联的协同算法等方面开展研究。

纤维增强复合材料桥梁结构2019年度研究进展

纤维增强复合材料(FRP)因其卓越性能适应现代桥梁结构大跨、轻质、耐久的发展需求,近年来被广泛应用于桥梁工程。为促进复合材料桥梁领域的结构形式和设计的发展,从FRP材料性能、构件和桥梁结构3个层次对近年来FRP在桥梁工程中的研究和应用进行回顾,阐述FRP材料结构一体化设计理念,并对FRP材料在桥梁加固、组合构件、全桥结构等方面的相关研究进行总结与评述。结果表明:现阶段桥梁用FRP仍局限于旧桥加固,新建大跨桥梁结构应用潜力巨大,需提高材料的力学性能、降低成本、制定产品质量检测标准,建立材料结构一体化的设计、施工、监测规范体系和工程应用模式。

航天高性能薄壁构件的材料-结构一体化设计综述

新一代航天器技术的快速发展对结构件超强承载、极端防热、超高精度和超轻量化提出了越来越苛刻的要求,如何设计并制造出高性能、轻量化、超精密的航天薄壁构件成为先进材料与结构设计制造领域普遍关注的难题。本文综述了近年来薄壁构件高性能设计与制造及其航天应用的主要成果,围绕材料-结构多尺度建模与性能表征、多材料多尺度结构设计与增材制造原理、增材制造材料性能与结构设计的交互作用机制等科学问题,就结构优化中的制造工艺约束建模,增材制造工艺参数对结构性能的影响,高性能构件材料-结构一体化设计方法及其在航天结构中的应用展开论述,并展望了未来典型航天薄壁构件材料-结构一体化设计和制造方法发展前景与应用,为未来相关研究工作和航空航天装备研发提供参考。

含KAlSi_(2)O_(6)核壳结构的煤矸石材料制备及其抗侵蚀性研究综合实验教学设计与实践

为提高材料学专业本科生结构功能一体化的材料设计意识和固体废弃物资源再生利用的能力,设计了一项利用固体废弃物再生制备高值耐火材料并探讨其抗侵蚀性的综合教学实验——含KAlSi_(2)O_(6)核壳结构的煤矸石材料颗粒的制备、表征与抗侵蚀性评价。将煤矸石通过固相反应制备含KAlSi_(2)O_(6)核壳结构的煤矸石材料颗粒,采用压柱法研究该核壳结构材料抗锂电池正极材料的侵蚀性能。实验过程涵盖原料处理、高温制备、化学组成与显微结构分析以及使用性能评价。该实验设计可培养材料学专业学生以解决实际问题为导向的科研思想,形成绿色发展理念并与材料学研究融合,提高学生利用固体废弃物资源进行再生利用、高值利用的能力。

船用新材料技术发展及碳减排贡献度分析

为了掌握船用新材料的发展现状及其对碳减排的作用与影响,开展船舶结构/功能一体化材料和特种功能材料的发展现状分析,总结相关材料在结构轻量化设计中的应用前景。结合船舶能效设计指数(EEID),给出了船舶轻量化对碳减排贡献度分析方法,开展了新材料应用方案及不同减重条件下16万吨油船碳减排贡献度估算。研究表明:相较于特种功能材料,结构/功能一体化材料对船舶轻量化具有直接影响;碳减排贡献度随着空船重量变化趋于线性变化,当船体结构减轻20%时,碳减排贡献度达到2.54%。研究成果对于绿色生态环保船工程设计和碳减排贡献度分析具有参考价值。

考虑微结构连接性的双尺度结构自然频率拓扑优化

多孔材料因具有轻量化、高孔隙率和减振/散热等优良多物理特性,在航空航天等领域具有广阔应用前景。采用拓扑优化方法对含多种多孔材料的结构进行结构与材料微结构构型一体化设计,有助于获得具有优良力学性能的结构设计。然而,传统逆均匀化微结构设计方法无法确保不同多孔材料微结构之间的连接性,设计结果不具备可制造性。本文面向含多种多孔材料的双尺度结构基频最大化设计问题,考虑不同微结构之间的连接性,协同设计多孔材料的微结构构型及其在宏观尺度下的布局。采用均匀化方法计算多孔材料的宏观等效力学性能,通过对不同多孔材料微结构单胞的边界区域采用相同的拓扑描述确保双尺度优化过程中任意空间排布下不同微结构的连接性,并通过优化算法确定微结构间的连接形式及微结构拓扑。在宏观尺度,提出结合离散材料插值模型和RAMP插值模型RAMP(Rational Approximation of Material Properties)的多孔材料各向异性宏观等效刚度及质量插值模型,获得清晰的多孔材料宏观尺度布局并减轻优化过程中伪振动模态的影响。建立以双尺度结构基频最大化为目标,以材料用量为约束的优化列式,推导灵敏度表达式,并基于梯度优化算法求解双尺度结构拓扑优化问题。数值算例表明,采用本文优化方法能够有效确保基频最大化双尺度结构设计中不同多孔材料微结构之间的连接性,增强优化设计结果的可制造性。

考虑静动力学特性的材料/结构一体化多目标优化设计

针对复合材料微结构的内部构型和宏观排布的可设计性,以结构基频最大和柔度最小加权系数为目标,将微结构设计和多尺度计算结合,建立了考虑静动力学特性的材料/结构一体化多目标优化设计模型,实现了相应的算法和算例。方法中引入了微观和宏观两个尺度上的独立密度变量,采用RAMP(Rational Approximation ofMaterial Properties)方法对密度进行惩罚,利用有限元超单元技术建立材料与结构的联系,通过规一化目标函数有效避免了不同性质目标函数的量级差异。通过算例,获得了静动态权重系数对结构拓扑构型和目标函数(宏观结构的柔度和基频)的影响规律。研究结果表明:该方法是有效的,可作为对轻质结构进行静动态多目标优化设计的一种新方法。

多相材料布局及材料/结构一体化设计

为解决多相材料分布及材料/结构一体化优化问题,论文引入基于惩罚指数的材料插值方案对传统双向渐进结构优化的灵敏度算法进行了合理的改进.通过经典算例证实了改进算法在解决传统BESO方法不能胜任的多相材料分布优化和材料/结构一体化优化问题具有很好的收敛性和有效性.对常见参数对结构优化结果影响的研究,得出一些具有实际指导意义的结论.论文所开发的协同软件平台基于简单的ABAQUS建模软件界面降低了对设计人员技能要求,灵活的MATLAB二次开发平台为算法改进提供了广阔的空间.

仿生机器人研究现状与发展趋势

仿生机器人是指依据仿生学原理,模仿生物结构、运动特性等设计的性能优越的机电系统,已逐渐在反恐防爆、太空探索、抢险救灾等不适合由人来承担任务的环境中凸显出良好的应用前景。按照工作环境可将仿生机器人分为陆面仿生机器人、空中仿生机器人以及水下仿生机器人三类。指出仿生机器人经历了原始探索、宏观仿形与运动仿生、机电系统与生物性能部分融合三个阶段,并概述三类仿生机器人国内外研究现状。分析发现当前研究还存在着生物运动机理研究不深,结构设计、材料应用、驱动及控制方式大多较为传统、能量利用率低等问题,导致了仿生机器人从宏观到微观与生物都存在较大差异,'形似而神不似',远未达到实际应用程度。指出仿生机器人正向着刚柔混合结构,仿生结构、材料、驱动一体化,神经元精细控制,高效的能量转换的类生命系统方向发展。

静动态力学条件下多孔金属的材料/结构多级优化设计研究

将微结构胞元内部构型设计、胞元排布设计和宏、细观跨尺度计算相结合,建立了基于同一微结构的材料/结构多目标拓扑优化的静动力学设计模型.分别给出了材料设计、结构设计和材料/结构一体化设计的灵敏度有限元列式,在此基础上以简支梁和悬臂梁为例进行了数值计算.结合多孔金属材料具有功能性特点,基于数值算例的结果,在结构承载方面讨论了多孔金属材料/结构静动力学优化设计中的材料设计、结构设计和一体化设计的异同和各自的适用范围.指出材料设计侧重于功能性,结构设计侧重于结构效率,而材料/结构一体化设计由于兼顾了功能性和结构效率特点,较好地实现了集成化设计;为多孔金属设计选取合适的设计方式提供依据.

城市道路公交车专用道沥青路面车辙病害分析与防治

结合北京市快速公交1号线运营初期沥青路面车辙病害处理过程,根据公交车辆的轴载状况调查及发生车辙路段的病害调查数据,综合分析了公交车专用道沥青路面发生车辙的原因,提出了基于结构-材料一体化设计的沥青路面抗车辙技术,通过施工过程的质量控制达到防治车辙的目的。

沥青路面抗疲劳断裂半刚性基层强度标准研究

为确保水泥稳定碎石(CSG)基层在交通荷载反复作用的情况下不出现疲劳开裂,提出了基于结构与材料一体化控制的CSG材料强度标准的确定方法;研究了CSG基层的力学特性和疲劳特性,建立了力学强度增长模型、力学指标间的关系模型和疲劳方程;推荐了四川省典型沥青路面抗疲劳断裂的CSG基层强度标准。研究发现:CSG的各项强度指标都随养生龄期呈非线性增长,采用骨架密实结构有利于提高CSG的力学强度。提出的力学强度增长方程可以准确预估不同龄期CSG的力学强度;提出了控制疲劳开裂的CSG基层7天无侧限抗压强度标准与7天劈裂强度标准的确定方法,该方法能实现结构与材料一体化设计,可进一步提升CSG基层的疲劳寿命。

配置SMA 的预应力自复位混合钢框架抗震性能研究

为提升钢框架结构的抗震性能,将配置形状记忆合金(SMA)的预应力自复位混合节点引入钢框架结构。基于已有试验数据,采用有限元分析软件OpenSees建立能准确模拟节点滞回性能的简化模型。在此基础上,进一步建立考虑预应力索和SMA螺栓断裂失效的钢框架模型。通过静力推覆分析、非线性时程分析和易损性分析对配置SMA的预应力自复位混合钢框架的抗震性能进行评估。分析结果表明:混合钢框架结构呈现出三折线旗帜形滞回特征,并具有优良的自复位性能;相较于仅配置预应力索的自复位钢框架结构,混合钢框架结构具有更好的抗倒塌性能和自复位性能,其倒塌裕度比提高50%,损伤裕度比最大提高55%。基于等效单自由度体系进行非线性谱分析,证实了在结构中同时利用SMA螺栓和预应力索形成互补,可有效降低结构的非线性地震需求,从材料-结构一体化的视角揭示了混合钢框架的抗震机理。

深潜装备用关键材料现状与展望

在简要介绍了国内外深潜器用工程材料发展历程和应用现状基础上,论述了新材料对高性能深海观测探测装备的支撑作用,展望了深潜装备用关键材料,特别是钛合金、有机玻璃、复合材料、浮力材料、密封材料的发展前景,对高效突破深海工程材料瓶颈的组织模式提出了建议。