基于人工神经网络的共振吸声超材料声学性能快速预测及结构优化设计

针对共振吸声超材料声学性能快速预测及结构优化设计需求,提出了一种基于人工神经网络的共振吸声超材料性能预测方法.首先,建立了由微穿孔板和Helmholtz共振腔组成的多层穿孔型共振吸声超材料的理论模型,并通过仿真与实验验证其正确性;随后,通过理论模型生成数据集,并以此为基础,采用BP(back propagation)神经网络原理,搭建了结构特征参量与声学性能的人工神经网络模型;之后,将训练后的人工神经网络模型与遗传算法相结合,对共振吸声超材料进行声学性能最优化设计.结果表明:训练后的人工神经网络模型可以对目标结构的吸声性能进行准确预测,并且预测效率相较理论模型提高50%以上;人工神经网络模型与优化算法的结合不仅能提高优化效率,优化后的结构也具有良好的低频宽带吸声性能.人工神经网络为大规模结构性能预测计算提供了便利,在超材料等结构设计及优化领域具有广阔的应用前景.

轻巧⁃承力⁃功能一体化超结构:概念、设计及应用

高端装备在极端环境下的适应性和机动性是国防安全的核心保障,具有重要战略意义.提高主承载结构的轻量化水平与功能性,是推动高端装备升级换代的关键环节.高端装备在多场耦合极端环境下工作,对主承载构件的轻量化和多功能性提出了严苛要求.现有装备的承力结构与功能(减振降噪、抗弹防爆、冲击吸能、散热隔热、吸波等)分离,造成结构和重量冗余,性能难以提升.因此,亟需开发轻巧-承力-功能一体化超结构,推进高端装备的升级换代.该文首次提出轻巧-承力-功能一体化超结构的概念并给出了明确的定义,然后结合实际工程应用需求对多种超结构的设计方案开展综述,最后对超结构未来的发展方向进行了展望.

局部冲击下复合材料蜂窝夹芯结构的失效行为与吸能机理

由于复合材料夹芯结构在局部冲击作用下会产生多种破坏模式,降低结构的承载能力,建立基于物理机制的失效分析方法和损伤模型,研究局部冲击作用下复合材料蜂窝夹芯结构的失效行为,并与试验结果进行对比分析。结果表明,随着冲击能量的改变,冲击力、下面板中心位移均会呈现出不同的变化趋势。进一步研究了不同能量下多次冲击的结构响应。研究表明,芯材的抗冲击能力较弱,下面板承受了较多次冲击,且随着冲击能量的增加,重复冲击的破坏次数大大降低。

考虑挠曲电效应的薄板声学超材料隔声特性研究

区别于传统的压电效应,当结构尺寸减小到微纳米尺度时,一种新的力电耦合效应——挠曲电效应将无法被忽略.该文利用变分原理推导了考虑挠曲电效应的薄板声学超材料结构隔声问题的控制方程和边界条件,基于Kirchhoff薄板理论预测了薄板质量块结构的隔声曲线,系统讨论了挠曲电效应、几何尺寸、质量密度等参数对结构隔声性能的影响.结果表明,当结构尺寸减小到微纳米尺度时,挠曲电效应显著增加了隔声曲线的隔声谷值和峰值频率,因此考虑挠曲电效应是十分有必要的.该文的工作有望为微机电系统的噪声控制研究提供理论基础.

蜂窝夹芯结构用连接接头抗冲击性能研究

夹层结构在工程领域的应用广泛,但其连接装配问题却日益突出,尤其是面临强动载荷下的作战装备,如何设计连接接头以提升结构的可靠性及维修性,是目前研究的热点.针对蜂窝夹芯防护结构在典型作战环境中的连接装配问题,设计了一种由方管锁定的快速组装连接接头,并通过泡沫子弹冲击实验以获得连接结构在不同冲量下的动态响应,随后采用有限元方法对冲击试验进行了模拟,仿真结果与实验结果吻合度较好.在此基础上,利用该有限元模型进一步探讨了方管壁厚、连接单元宽度等几何参数对该结构在泡沫子弹冲击载荷作用下的峰值挠度的影响.结果表明,较薄方管壁厚(t_(t)/t_(f)≤0.375)使得连接结构容易陷入方管压溃的失效模式导致其峰值挠度显著增大,而较小的连接单元宽度(2a/W≤0.267)将导致面板抗拉强度下降,进而削弱连接结构抗冲击性能.此外,随着连接单元宽度的不断增加,连接结构的峰值挠度呈现先减小后增大的趋势,这是由于连接单元的有效横截面积与机械互锁接触面积之间存在竞争机制.当前研究表明,这种快速组装连接接头能有效抵御动态冲击载荷,具有抗冲击吸能、便于维护更换的特点,有望应用于各型主战装备防护结构的连接,为夹层连接结构的抗冲击设计提供参考.

吸波材料/结构及吸波-承载功能一体化结构研究进展

随着现代科学技术的迅速发展,电子信息设备的普及极大改善了人们的生活质量,但随之也带来了电磁干扰与电磁辐射等安全问题,尤其是对于国防军工领域,雷达测试技术的改进升级使武器装备的生存力面对巨大威胁。因此迫切需要开发高性能的电磁吸波材料来抑制电磁干扰与辐射,防止信息泄露。本文以吸波材料与吸波结构应用为切入点,对各种吸波材料的电磁波损耗机制进行了系统地整理,同时探讨了吸波结构的主要应用手段,并以此为基础阐述了吸波材料与吸波结构的研究现状与发展趋势,进一步分析了目前研究发展中吸波材料与吸波结构具备的优势与不足,最后提炼出了吸波领域未来需要解决的关键科学问题,针对现今吸波材料与结构功能一体化研究的不足,提出了关于未来研究方向的关键性建议。在此所讨论的方法与提出的策略有望对未来吸波-承载结构创新型设计提供一定的指导。

金属蜂窝夹层结构抗水下爆炸特性

金属蜂窝夹层结构是一种新型的舰船防护结构,在舰船防护领域具有广阔的应用前景,但目前缺乏对其在实际水下爆炸载荷作用下动态响应的研究。为研究金属蜂窝夹层结构在水下爆炸载荷作用下的动态响应及防护性能,设计并制备了背板加筋蜂窝夹层结构样件以及相应的浮箱,在大型露天水池中进行了水下实爆实验;通过声固耦合算法对结构响应进行模拟,实验结果与模拟结果吻合良好,随后分析了蜂窝夹层板的变形过程及能量吸收特性,量化了载荷参数(冲击因子)及结构参数(前后面板厚度比和芯体相对密度)对结构动态响应的影响;最后,以蜂窝夹层板的面密度和后面板中心点最大变形的无量纲量为目标函数,使用NSGA-Ⅱ遗传算法对结构进行了多目标优化,得到对应的Pareto前沿。结果表明,随着冲击因子的增大,蜂窝夹层板整体变形显著增大,蜂窝芯体始终是主要的吸能构件,但其吸能占比逐渐降低;随着前后面板厚度比或芯体相对密度的增加,蜂窝夹层结构的最大变形呈现先降低后升高的趋势,同时呈现不同的变形模式,芯体相对密度对结构变形的影响更为显著;对蜂窝夹层结构开展多目标优化可有效降低结构的面密度及最大变形,优化结果可为蜂窝夹层结构的设计选型提供参考。

一种具有动态磁负刚度薄膜声学超材料的低频隔声特性

为提升薄膜/板状结构的低频隔声特性,本文提出一种具有动态磁负刚度的新型准零刚度薄膜声学超材料.首先,应用等效磁荷理论推导了动态磁负刚度;然后,基于伽辽金法建立了有限尺寸下薄膜/板结构的隔声理论模型.通过理论分析、数值仿真及实验测试相结合的方法,从结构模态、振动模式、平均速度、相位曲线、等效质量密度和等效弹簧-质量动力学模型等多个角度对其低频(1—1000 Hz)隔声机理开展了研究.结果表明:在初始薄膜张力一定时,减小磁间隙或增大剩余磁通密度均可增大动态磁负刚度,进而减小隔声峰值频率,增加隔声带宽,实现了较宽频段下的有效低频隔声;进一步,当磁间隙大于第二临界磁间隙小于第一临界磁间隙时,结构的一阶模态共振消失,对应隔声谷值大幅提升,显示出超宽频段的隔声效果.这种利用动态磁负刚度改善模态共振导致的低频隔声谷值的方法对薄膜/板型低频隔声超材料的设计具有重要的理论指导价值.

仿生螺旋结构纤维增强复合材料力学性能研究进展

仿生螺旋结构纤维增强复合材料是受生物外骨骼和鳞片微观结构启发而设计的一种新型复合材料。该结构通过在单向铺层中引入的层间转角,能够显著降低复合材料在受载时的层间应力,从而提高层间粘接性能和抗冲击能力。本文综述并评价了仿生螺旋灵感的来源、常见的构型与制备工艺、静/动态力学性能的研究现状及应用前景,分析了仿生螺旋复合材料的动/静态力学响应及其力学机理,仿生螺旋铺层作为一种新兴设计思路对提升纤维增强复合材料刚度、强度及韧性等具有显著优势。通过总结现有仿生螺旋结构在复合材料领域的研究进展与不足,对未来的发展方向进行了探讨与展望。本文的研究成果对于设计力学性能优异的仿生复合材料具有理论和实践指导意义。

持续性高过载下人脑的多孔弹性响应

目的在航空航天活动中,乘组人员常承受多种极端过载,持续性高过载是一大挑战。它们会影响人体多种生理功能,其中对脑功能的影响需要特别关注。然而,目前对大脑在持续性高过载下的响应研究还非常有限,现有的力学模型没有考虑脑的多孔含液特性,也不足以揭示过载的生物学效应存在方向性差异的机制。因此,本工作围绕降低航空航天活动中脑损伤风险的需求,针对大脑在持续性高过载下的力学响应展开研究。方法通过考虑大脑的多孔含液特性以及头部的复杂结构,建立了头部结构的三维仿真模型。通过分析+Gz、+Gx和-Gy三个方向上大小为1、2、4和8 G过载条件,得到了脑组织的颅内液体压力分布、位移分布和von Mises应力分布。结果脑对不同方向过载的响应存在显著差异,+Gz产生的较大响应出现在顶叶、枕叶、基底核、小脑和脑干区域,+Gx产生的最大响应出现在额叶,而-Gy产生的最大响应出现在颞叶,而脑的复杂形状和结构是这种差异性的基础。结论较大力学响应区与过载导致的脑功能障碍类型之间存在一致性。本研究有助于加深人们对持续性高过载对脑功能影响机制的理解,为降低飞行人员脑损伤的风险提供借鉴。

着角与攻角联合作用下薄芳纶层合板抗平头弹侵彻性能

为探究着角和攻角对薄芳纶层合板抗平头弹侵彻性能的影响,建立了三维有限元仿真模型,对4 mm厚芳纶层合板在着角单独作用下以及着/攻角联合作用下的弹道行为进行了计算.通过弹丸的剩余速度、靶板的极限弹道速度及穿孔能量阈值反映了芳纶层合板的抗侵彻性能,分析了其在不同工况下的变形与破坏机理.结果表明:薄芳纶层合板的弹道极限速度随初始着角的增加先减小后增大;随着入射速度的增大和初始着角的减小,着角改变量和攻角改变量均有减小的趋势;对于固定的着角,负攻角不利于子弹侵彻,正攻角有利于侵彻.

持续性高过载下人脑的多孔弹性响应

航空航天飞行期间经常出现的持续性高过载,对乘员的脑功能有重要影响,而脑功能受脑组织力学行为的影响,且后者与载荷特点高度相关.为预测持续性高过载下的人脑力学响应,该文采用多孔弹性本构描述了脑组织的力学行为,基于简化的头部一维多层结构模型,推导了脑组织的多孔弹性控制方程、状态量传递矩阵,利用La-place变换及其逆变换,得到了颅内液体压力、颅内液体渗流速度、脑组织有效应力、脑组织位移的时空分布.结果表明,颅内液体渗流对脑组织在持续性高过荷下的响应有显著影响.该文强调采用多孔弹性本构描述脑组织力学行为的适切性和必要性,为极端载荷条件下人脑生物力学响应研究提供了重要的理论见解.

输尿管与肾结石的相互作用及其疼痛行为研究

目的肾结石引发的输尿管疼痛长期折磨着人类。然而,目前关于对结石症的临床治疗重点依旧是如何将结石排出或者取出体外,患者的疼痛感受及治疗体验往往被临床医生忽视。为能针对不同患者制定合适的治疗方案以更好缓解患者疼痛,以及提高不同患者的治疗体验,本文对肾结石引发的输尿管疼痛进行了定量化研究。方法通过类比皮肤与输尿管疼痛的电生理机制,将用于皮肤组织的疼痛统一模型推广到了输尿管,建立了评估由结石引发输尿管疼痛的电生理量化模型,对由肾结石引发的输尿管疼痛进行了定量化研究。基于该疼痛量化模型,结合有限元分析得到梗阻结石与输尿管壁之间的接触应力,据此定量化计算了对应的梗阻结石引发的输尿管疼痛水平。结果计算结果表明,对于梗阻结石,当结石尺寸大于输尿管内径7.5%~20%时,结石越大则引起输尿管疼痛水平越高;但当结石尺寸继续增大时疼痛水平不再变化。输尿管刚度越大且壁厚越薄,则其对结石引发的痛觉越敏感。对于正常体重的人群,引起疼痛的结石临界尺寸比输尿管内径大8%~13%,且体重正常的人群较其他肥胖人群对输尿管疼痛更为敏感。结论本文所得结果有望为临床个性化精准诊断结石患者病况并定量化评估患者疼痛程度提供理论基础。

超声波力学治疗学

超声波作为一种非侵入性干预或调控手段在力学疗法中备受关注.该文介绍了高频率高强度、低频率高强度、低频率低强度和高频率低强度四类超声波对组织/细胞的作用方法、效果与机制,以及当前新兴的超声波治疗装置,并分析了超声波力学治疗学未来的发展趋势.有助于推动超声波力学疗法在肿瘤治疗、神经系统疾病治疗(如阿尔茨海默病、帕金森病治疗)等方面的技术进步及临床应用.

流-固耦合作用下小尺寸肾结石引发的输尿管疼痛响应

肾结石引发的输尿管疼痛长期折磨着人类,严重影响着人们的生活质量.然而,目前临床上由于缺乏肾结石与输尿管相互作用的定量分析,泌尿医师无法针对不同患者制定精准的个性化治疗及镇痛方案.针对该问题,以小尺寸肾结石为例,基于耦合Euler-Lagrange(CEL)算法的流-固耦合有限元方法分析了进入输尿管管腔内的小尺寸肾结石与输尿管的相互作用规律,并基于已建立的输尿管疼痛模型,对由输尿管内小尺寸肾结石引发的输尿管疼痛进行了定量化研究.有限元分析结果表明,当结石直径小于输尿管内径时,结石会在输尿管壁蠕动作用下与输尿管发生动态接触,造成输尿管内壁上出现动态应力.随着输尿管壁蠕动幅度增大,结石的移动速度增大,且结石与输尿管接触的概率减小,同时输尿管壁上的接触应力也会降低.将应力结果输入输尿管疼痛模型计算对应的中心传输神经元细胞膜电位,结果表明,疼痛水平随时间的变化与动态应力随时间的变化趋势类似,在应力交替变化的情况下,疼痛程度并不会随应力降为零应力而降低至疼痛阈值以下,表现出疼痛程度与应力水平不对等的特征.该研究所得结果可以结合当前临床上已有的医学影像技术和计算机领域的大数据与人工智能等技术,有望为个性化精准诊断结石患者病况并定量化评估患者疼痛程度,从而制定个性化治疗方案的精准医疗临床策略提供理论基础.

脑组织热-力耦合行为综述

脑组织是由固相与液相组成的饱和含液多孔材料,固、液、生理环境(尤其温度)之间相互作用,具体表现为脑组织内部温度场、渗流场、应力场相互影响的热-力耦合行为,故阐明脑组织的热-力耦合行为是理解大脑功能和疾病病理的关键.该文首先介绍了脑组织的传热学和力学性质,重点关注实验测量及应变率和温度的影响;其次,总结了描述脑组织热-力耦合行为的数理模型,包括力学模型、传热学模型和热-力耦合模型;最后,对该重要学科交叉领域进行了总结和展望.

低温冷冻下颅脑热-力耦合分析

虽然大脑是人体最重要的器官,但其在低温冷冻过程中的热-力耦合机理仍不明晰.该文考虑颅脑特殊形状、多孔弹性、脑脊液流动、颅骨约束以及冻胀效应,建立脑组织低温冷冻热-力耦合模型,通过分析冷冻过程中的温度场、相场和脑脊液冻胀产生的压力场,发现在凝固过程中脑脊液温度保持不变,而脑组织内部最大温差可达20 K.固-液相界面厚度约0.3 mm,推进速度约0.09 mm/s.冻胀产生的脑组织最大位移(~0.12 mm)发生在靠近头盖骨处.固液界面处压力梯度高达500 MPa/mm,而固体和脑脊液内部压力几乎不变.本研究可为人类大脑的低温冷冻保存策略及脑防护提供理论支撑.

浅埋炸药爆炸动力学研究进展

浅埋炸药爆炸是现代装甲车辆及其乘员的主要威胁。分析和探究浅埋炸药爆炸的作用机理及其影响因素是提升装甲车辆地雷生存能力、保障乘员安全的前提条件和重要基础。综述了目前国内外学者在浅埋炸药爆炸动力学方面的最新研究成果。首先介绍了浅埋爆炸动力学的研究方法,进而梳理了浅埋爆炸毁伤机理及其载荷传递规律。最后,针对本领域中相关研究工作给出了几点建议。

基于黏聚区模型的ENF试件层间裂纹扩展分析

基于经典层合板理论及黏聚区模型,针对纯Ⅱ型断裂ENF试件的裂纹扩展,建立了含一般分层裂纹层合板的理论模型.相较于传统的梁理论,该文模型充分考虑了黏聚区的软化过程,引入了试件发生失效前的非线性行为,预测的失效载荷小于梁理论结果,与文献试验值更为接近.相比于梁理论(仅包含断裂韧性单一参数),该文模型可同时分析界面强度、断裂韧性及界面初始刚度对ENF试件载荷-位移曲线的影响.结果表明:界面强度主要影响试件失效前的力学行为,对裂纹扩展基本无影响,断裂韧性是影响裂纹扩展的主要参数,界面初始刚度仅影响线弹性加载段;黏聚区长度随断裂韧性增大而增大,随界面强度增大而减小;相较于断裂韧性,界面强度对黏聚区长度的影响更为明显;黏聚区尖端到达试件半长处时,黏聚区的长度呈现一定程度的减小.

柔性扑翼翼型的气动性能仿真分析

与固定翼相比,在低速、小Reynolds数条件下,扑翼飞行具有显著的气动性能优势,受到越来越多的重视.然而,目前对扑翼翼型的研究以刚性翼型为主,对柔性翼型气动性能认识还不清楚.该文建立了柔性椭圆翼型的流固耦合仿真模型,分析了不同风速、迎角下柔性椭圆翼型的周围流场、变形以及气动性能.仿真结果表明,较刚性翼型,柔性翼型延缓了尾涡脱落时间,有效降低升力扰动振荡频率;柔性翼型显著抑制了尾流流场的扰动,降低升力扰动振荡幅值,合适的弹性模量翼型使得扰动振荡完全消除.研究结果可为软飞行器气动设计提供参考.