基于3D打印Al_(2)O_(3)梯度点阵的陶瓷/聚脲复合结构研究

自然界中的硬/软结合多相复合结构为新型承载抗冲击结构设计提供了思路。本文设计了一种具有梯度结构的Al_(2)O_(3)陶瓷点阵,采用光固化3D打印技术实现制备,随后将聚脲浸渗入Al_(2)O_(3)梯度点阵获得陶瓷/聚脲复合结构,最后对Al_(2)O_(3)梯度点阵与陶瓷/聚脲复合结构的力学性能进行了测试与表征。研究发现,FGC-0和FGC-30两种Al_(2)O_(3)陶瓷点阵的抗压强度和能量吸收分别为11.03 MPa、6.7 MPa和0.075 MJ/m^(3)、0.033 8 MJ/m^(3)。与此同时,FGCS-0和FGCS-30两种梯度复合结构的抗压强度和能量吸收分别达到12.123 MPa、17.479 MPa和0.360 68 MJ/m^(3)、0.536 43 MJ/m^(3)。梯度复合结构相较于对应的Al_(2)O_(3)陶瓷点阵,其抗压强度和能量吸收分别提升了160.9%和1 487.1%。研究表明基于光固化3D打印梯度点阵的陶瓷/聚脲复合结构具有更加优异的力学性能,有望在新型承载抗冲击结构中获得创新应用。

数据驱动的结构分析与设计专题序

人工智能是新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力量,数据驱动计算力学在此背景下应运而生并已成为新时代力学领域的重要研究方向之一.近年来,该新兴领域研究在我国呈现出了快速发展的喜人态势,从事相关研究的学者人数快速增加.国家相关部委先后设立了各个层面的研究计划,以大力支持这一新兴方向研究并培育高水平的研究队伍.事实上,数据驱动计算力学作为数据科学、人工智能与力学学科交叉的重要方向,不仅蕴含众多极具牵引性的基础科学问题,而且有望催生出一系列能够在航空航天、机械制造、先进材料、生物医疗等领域发挥重要作用且具有颠覆性的关键技术,以支撑国家重点工程建设和重大装备研制.

舰艇爆炸毁伤与防护若干关键问题研究进展

大型水面舰船和潜艇是支撑海军空间立体化作战的主要装备和移动平台,随着战斗部毁伤威力和制导精度的日益提高,加之毁伤载荷的多元化,其生存环境面临愈加严峻的挑战,因而开展舰艇爆炸毁伤与防护研究具有十分重要的意义。爆炸载荷下舰艇结构的毁伤与防护是一个涉及爆炸力学、流体力学、结构动力学、材料学等多学科融合的交叉性问题,仍存在诸多难题有待研究。针对其中涉及的若干关键问题,围绕近年来国内外在舰艇爆炸载荷特性、毁伤响应机制及其防护技术与装备等方面的研究进展进行系统概述,指出当前研究存在的不足,并对舰艇爆炸毁伤与防护的发展趋势进行展望,旨在为未来舰艇高效毁伤与防护研究提供有价值的参考。

水雾环境下密闭舱室内爆准静态压力特性试验研究

[目的]旨在探究水雾环境下的密闭舱室内爆准静态压力特性。[方法]首先,基于绝热的理想气体舱室内爆准静态压力理论模型,新增2个假设,建立水雾环境下的密闭舱室内爆准静态压力理论模型;然后,以药量为自变量,开展有/无水雾的密闭舱室内爆对照试验,测量准静态压力以验证水雾对准静态压力的削弱效应,并得到准静态压力经验公式。[结果]理论模型和试验数据分析表明:随着药量-体积比的增大,水雾减弱了内爆准静态压力的增强能力,增长率逐渐降低;引入后燃烧修正项的理论公式与经验公式均可用于预估舱内准静态压力峰值。[结论]试验结果验证了水雾对准静态压力的削弱效应,基于理论模型和相关试验数据拟合得到了水雾环境下内爆准静态压力峰值的经验公式。

碳纤维布表面PyC界面相微观结构及均匀性的工艺调控

陶瓷基复合材料力学性能与界面相的微观结构和均匀性有密切关系。本研究在碳纤维布表面沉积PyC界面相,探究沉积温度、丙烯分压、滞留时间和氢气分压等工艺参数对PyC界面相微观结构及均匀性的影响规律。使用多种手段对PyC界面相微观形貌、织构进行表征,并分析了微观结构、均匀性与工艺参数之间的内在关联。结果表明:界面相织构的规整度随沉积温度和丙烯分压的提高而提高,随氢气分压的提高而降低,而受滞留时间影响较小;沉积温度和丙烯分压升高均导致界面相厚度分布更加不均匀,且丙烯分压过高会直接产生炭黑,延长滞留时间有利于提高界面相的均匀性;对于中织构和高织构,随着氢气分压提高,界面相均匀性先降低后增加,而低织构的界面相均匀性受其影响较小。最后,阐明了PyC界面相生长模式,揭示了工艺参数对PyC界面相织构形态及均匀性的影响规律,为PyC界面相的精细调控提供了基础。

硅氧负极材料包覆工艺对电池性能的研究

为提高电池能量密度,需要使用高容量的硅-石墨混合负极材料。通过改变硅负极材料制备工艺,采用CVD法包覆及沥青包覆对硅负极表面进行碳包覆,并对材料进行物性测试、极片测试及电化学性能分析。结果表明:通过气相CVD法包覆的碳层包覆完整,体现出“绒状”结构的负极材料,其极片测试及电池的循环性能更为优异。在0.5 C充/1 C放制式下经过800次循环,容量保持率达到73.9%,循环性能优于沥青包覆的负极材料性能。

基于空气环境下静态氧化试验的C/SiC复合材料氧化行为与机理研究

连续碳纤维增强碳化硅复合材料(C/SiC)具有优异的高温力学性能,在航空航天热防护领域具有广泛的应用前景。摸清C/SiC复合材料在不同温度,不同氧化时间下的氧化行为与机理是开展C/SiC复合材料热结构设计的前提。本文针对C/SiC复合材料开展静态氧化试验,系统研究了在400℃~1200℃范围内的静态氧化行为,获取了材料的氧化动力学参数。采用高温热重分析仪(TGA),获取C/SiC试样在不同温度下的连续失重曲线;基于氧化热重测试数据,给出了描述单位面积材料氧化速率的氧化动力学参量。通过显微观测、扫描电镜(SEM)测试、能量分散光谱(EDS)以及X射线衍射(XRD)测试等试验表征,研究了不同温度下材料的表面氧化形貌、氧化生成物;采用计算机断层扫描(CT)技术,研究了材料内部的氧化扩散模式,重构了试样内部的氧化形貌,揭示了材料的氧化机制,并对氧化后的试样进行剩余强度测试。

面向抗冲击结构尺寸优化的自训练分类判断优化设计方法

抗冲击结构在军民安全领域有着广泛且重要的应用,但其优化设计因涉及极端载荷下的强非线性而面临结构响应求解耗时与灵敏度分析困难的挑战.针对该问题,提出了一种自训练分类判断优化设计方法.该方法采用基于支持向量机的自训练分类判断代理模型和遗传算法,求解抗冲击结构尺寸优化列式.与基于回归代理模型的传统方法不同,自训练分类判断代理模型可以减少样本集构建计算成本.同时,提出了面向分类判断代理模型的遗传算法约束处理策略及个体适应度计算方法.基于该方法开展的波纹夹芯结构抗爆性能和聚脲/陶瓷复合板抗侵彻性能优化设计,验证了其有效性和高效性.为抗冲击结构设计提供了一种新的高效优化方法,以期保障极端冲击载荷下装备结构服役性能和人员安全.

玻璃纤维/环氧树脂预浸料固化全过程的比热容和热导率研究

通过调制温度式差示扫描量热技术(MDSC)测定了玻璃纤维/环氧树脂预浸料在固化全过程不同方向上的比热容和热导率,并建立模型来描述比热容和热导率随温度和固化度的变化。未固化和完全固化时,预浸料的比热容和热导率随着温度的增大线性增加;在固化过程中受温度和固化度的双重影响,在固化反应前期,比热容和热导率有一个突变,在温度和固化度的作用下表现出先增大后减小的趋势。此外,通过混合定律和分段线性关系来描述比热容和热导率随温度和固化度的变化关系,结果有助于提高数值模拟中参数的准确性。

碳气凝胶的制备技术及其应用研究进展

碳气凝胶由无定型的碳纳米颗粒相互交联构成骨架结构,具有多层级孔道、高内部反应表面积和通向内表面的直接传输路径,因而具有优异的物理化学性质,在隔热、电化学储能、吸附、催化等多个领域极具应用前景。本文综述了溶胶-凝胶法、模板法、3D打印法等碳气凝胶制备技术,总结了碳气凝胶在储能、隔热、吸附、催化、电磁屏蔽等领域的应用进展,可为碳气凝胶材料的设计合成与应用研究提供参考。

陶瓷材料与结构增材制造技术研究现状

增材制造技术在聚合物材料与结构、金属材料与结构制备中已经得到了大量应用。近年来,陶瓷材料与结构的增材制造技术得到了初步发展,受到了越来越多陶瓷工作者的关注。本文综述了目前几种常见的陶瓷材料与结构增材制造技术,并预测了未来陶瓷材料与结构增材制造技术发展的主要关注点,以期为陶瓷工作者提供关于增材制造技术一定的参考与思考。

航空复杂结构纤维预制体成型工艺与复合材料性能仿真研究进展

航空发动机叶片、机匣等复合材料结构内部纱线在纤维预制体赋形过程中,纤维束间会发生挤压、错动、扭转等相互作用,使得经纬纱线截面形态、体积含量和走向轨迹呈现不规则分布,这种复合材料细观结构的高度非均匀性极易引起材料内部应力集中,导致损伤发生,降低结构的可靠性,同时也大大增加了复合材料结构力学性能分析与评价的难度。从纤维预制体成型工艺过程仿真、细观几何建模以及力学性能数值分析3个方面入手,总结和评述了目前先进复合材料及其复杂结构力学响应分析方法的研究现状,重点介绍了数字单元法在针刺复合材料和三维机织复合材料纤维预制体成型工艺过程仿真方面的应用,概述和评价了考虑复合材料真实结构状态的细观建模和力学性能预示方法研究现状。针对航空复合材料复杂结构在制造工艺与力学性能数值仿真研究面临的问题与挑战,提出了结合虚拟纤维成型工艺模拟,建立复杂结构数据驱动高效多尺度分析方法的研究思路,揭示复合材料结构成型工艺–细观结构–宏观力学性能之间的映射关系,为优化复合材料结构制造工艺,进一步实现航空复合材料装备的数字化技术提供理论支撑。

舱室结构在战斗部舱内爆炸作用下毁伤特性的实验研究

文章设计了典型多舱结构模型,开展了多舱结构在舱内爆炸作用下的毁伤特性实验,测量了爆炸破片和冲击波载荷,并用高速摄像机记录了爆炸毁伤过程,分析了塑性变形、毁伤模式等结构毁伤特点。结果表明:(1)舱内爆炸作用下结构受爆炸冲击波与破片群联合作用,且舱内爆炸载荷包含明显的准静态压力段;(2)紧贴战斗部的舱壁发生花瓣状破口并将压力泻到相邻舱室,较近结构受冲击波与破片联合作用效果明显;(3)加强筋较好地限制了爆炸破口,但变形梯度较大的地方易产生裂纹;(4)内爆炸作用下普通舱门是舱室结构薄弱环节,须重点关注。

反舰导弹舱内爆炸作用下舰船结构毁伤机理研究进展

反舰导弹对水面舰艇最主要的攻击模式是它侵彻舷侧后在舱内爆炸。论文系统总结了在反舰导弹舱内爆炸作用下舰船舱室结构毁伤机理的研究进展,论述了两种最重要的舱内爆炸载荷—高速破片群和舱内爆炸压力,分析了船体材料本构关系和模型的发展历程,回顾了在爆炸载荷作用下舰船板/加筋板/舱室动态响应的规律和毁伤模式。最后提出了反舰导弹作用下舰船结构毁伤机理的研究建议。

航天器轻量化多功能结构设计与制造技术研究进展

轻质多功能结构是航天器装备实现轻量化的重要技术途径,本文针对航天器轻量化多功能结构设计与制造技术进行概述,重点介绍了高承载三维点阵结构、热变形稳定结构、智能折展结构、分离解锁结构、电磁隐身结构、以及复合材料新型连接技术等方面的现状及发展趋势,浅析了航天器装备新型结构研制面临的关键技术问题。

面向一体化热防护的陶瓷基复合材料轻量化结构研究进展与挑战

高超声速飞行器技术是航空航天领域发展的重要方向,对国防安全起着重要作用。高超声速飞行器能在极端环境中安全服役的关键在于飞行器的热防护材料与结构。一方面,热防护材料与结构必须能够经受恶劣的气动热环境;另一方面,热防护材料与结构还要在承载的同时尽可能降低质量以提高飞行器有效载荷。因此,需要研发兼具耐高温、轻量化、承载特性的热防护结构。本文首先综述了C/SiC陶瓷基复合材料轻量化点阵结构及其制造方法,对其在室温、高温环境下的力学行为与传热行为的研究现状进行了总结,并具体讨论了基于C/SiC陶瓷基复合材料轻量化点阵结构的耐高温、轻量化、承载、一体化热防护结构研究进展情况。最后,在新设计理论与方法、新制造技术、服役特性、多功能一体化设计与实现四个方面对面向一体化热防护的陶瓷基复合材料轻量化结构的研究挑战进行了展望。本文为高超声速飞行器新型热防护结构的发展提供一定借鉴与思考。

复合材料构件设计理论及仿真研究进展

复合材料构件设计及仿真是复合材料性能与应用研究的重要组成部分,在复合材料产业国际竞争中发挥着关键作用;我国在此领域的系统性研究起步较晚,理论水平滞后、自主标准受制、仿真软件基础薄弱、设计与制造分离等诸多风险共存,相比支撑复合材料构件在重要装备上大规模、高水平应用的长远目标差距明显。本文针对复合材料构件在重要装备应用方面的难题与挑战,剖析了复合材料构件设计理论及仿真的共性需求,梳理了国内外发展现状与主要趋势,提出了我国复合材料构件设计理论及仿真的重点方向:极端和多场环境下复合材料构件的设计理论、复合材料构件动力学分析与设计理论、数据驱动的复合材料构件仿真方法、复合材料构件强度与寿命仿真评价方法。为此建议,开展面向装备工程应用的复合材料构件多场多尺度设计技术、动载荷下的复合材料构件性能设计技术、数据驱动的复合材料构件设计与仿真技术、复合材料构件强度与寿命仿真软件平台等研究,全面提升我国复合材料构件的设计及工程应用水平。

含缺陷点阵结构的力学性能影响研究

随着3D打印(增材制造)的快速发展以及航空航天对轻量化结构设计的迫切需求,多孔结构尤其是周期性的点阵结构得到了越来越多的重视。由于当前3D打印工艺水平还不够成熟,打印的点阵结构不可避免地出现各种缺陷,因此需要对含缺陷的点阵结构进行性能评估。首先开展了不同位置点阵杆件缺失对结构力学性能的影响,实验和有限元结果表明中心部位的单根杆件缺失时结构的力学性能下降最多。在此基础上,建立了中心部位杆件的缺失数量与结构力学性能之间的关系表达式。该结果可以为点阵结构在实际工程结构中的应用提供指导。

Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构抗侵彻数值模拟

结合金属/复合材料层合结构的抗侵彻能力,基于混合蜂窝结构低成本、高韧性以及在低速冲击下吸能的特点,设计了一种Al/CFRP(carbon fiber reinforced plastics)/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构,旨在利用各层结构特点,逐步降低弹体速度,高效吸收弹体动能,以达到防护效果。为探究Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构在弹体侵彻下的损伤演化规律及吸能特性,开展了Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构在弹体侵彻下的数值分析,探讨了冲击能量对多层结构抗侵彻性能的影响。结果表明:与Al/CFRP复合结构相比,引入混合蜂窝铝后,结构给予弹体的反作用力增大,在能量不变的情况下,弹体作用板的时间变短。在Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构抗侵彻过程中,Al板和CFRP芯层主要抵抗侵彻以降低弹体速度,混合蜂窝铝主要是吸能。在40 J的冲击能量下,结构总吸能为36.79 J,比吸能为0.217 J/g,蜂窝铝芯层吸能占主要部分,吸能比率为30.3%;随着冲击能量的增大,蜂窝铝芯层的吸能比率增至56.2%,即冲击能量较大时蜂窝铝芯层的吸能效果更好。

拉扭耦合作用下柱形纤维与基底的界面黏附性能研究

受壁虎刚毛可逆黏附性能的启发,本文建立了单根弹性圆柱纤维与刚性基底黏附接触的理论和数值模型,同时考虑了拉伸和扭转载荷的耦合作用及纤维半径对界面黏附性能的影响.研究发现耦合载荷作用下柱形纤维同样存在一个临界半径,当纤维半径小于该临界尺寸时,界面应力达到均匀的理论强度分布,接触边界应力集中消失,出现缺陷不敏感现象;当纤维半径大于该临界尺寸时,界面以裂纹扩展而失效.在耦合载荷作用下纤维的临界半径小于纯拉伸而大于纯扭转时的临界尺寸,且该临界半径随着施加扭转载荷的增大而减小.表明在纯拉伸载荷下使界面黏附强度达到最优的柱形纤维,在拉伸和扭转载荷耦合作用下,由于界面失效形式的转变使界面易发生脱黏,并且界面脱黏时的拉脱力随着扭转载荷的增大而减小,理论和数值结果一致.本文结果进一步应用揭示了壁虎可以通过调控施加在其最小黏附单元上的载荷形式实现纯拉伸载荷下强黏附及耦合载荷下易脱黏的力学机制.