复合材料蜂窝夹芯结构的三点弯曲性能

通过三点弯曲试验研究了纤维增强复合材料铝蜂窝夹芯结构的力学性能。分析了不同面板类型(碳纤维面板、玻璃纤维面板、碳纤维/玻璃纤维面板)以及面板厚度和芯体孔径大小对结构破坏模式、极限载荷和能量吸收的影响。结果表明,碳纤维/铝蜂窝夹芯结构相较于其他两种结构,其极限载荷和能量吸收更强;面板越厚,芯体孔径越小,结构的极限载荷和能量吸收越强;面板厚度对于能量吸收影响较大,芯体孔径对极限载荷影响较大。对碳纤维/铝蜂窝夹芯结构进行有限元模拟,对其破坏变形过程进行对比分析后,验证了模型的有效性,为试验的设计和分析提供了指导与帮助。

爆炸载荷下泡沫铝夹芯板变形与破坏模式的实验研究

系统地开展了爆炸载荷作用下泡沫铝夹芯板变形与破坏的实验研究,获得了冲量45.6 N·s、76.2 N·s、104.6 N·s、131.7 N·s、183.6 N·s 5种不同爆炸载荷作用下泡沫铝夹芯板背面板中心点的变形挠度,给出了泡沫铝夹芯板前面板、泡沫铝芯体和背面板在不同爆炸载荷作用下的变形与破坏模式,分析了泡沫铝芯体产生的剪切断裂和拉伸断裂两种不同机理。研究结果表明,泡沫铝芯体呈现"渐进式"压缩变形,泡沫铝夹芯板背面板中心点的变形挠度与爆炸冲量之间近似满足二次关系。

Marangoni流动对液滴撞击过热液池影响的数值模拟

对液滴撞击过热液池的动态过程进行数值模拟,着重关注由液池表面不均匀温度引起的马兰戈尼效应(Marangoni effect)对液池内的流场和温度场演化过程的影响。当乙醇液滴落入过热油池后,液池表面温度随着液滴的靠近而迅速下降,从而在径向上产生很大的温度梯度。由此引发的沿径向向内的Marangoni力会与沿径向向外的蒸汽剪切应力相抗衡,进而在蒸汽层最薄的位置形成一个“热射流”结构。随着时间的推进,占据主导地位的Marangoni力逐渐将“热射流”向内推动,直至在液滴下方形成下沉羽流。此外,随着液池黏度的增加,液池内由表面蒸汽应力引起的流动将被抑制,进而导致界面附近的换热效率大幅下降。

阻尼对泡沫夹芯梁非线性振动响应的影响

基于Euler-Bernoulli梁理论、Hamilton原理以及Galerkin方法,建立了大变形悬臂夹芯梁在横向周期载荷作用下的二阶动力学方程;通过考虑外周期激励的不同频率与幅值,详细分析了材料阻尼比对泡沫铝夹芯梁的振动响应的影响.结果表明,泡沫夹芯结构具有较好的阻尼性能,可有效抑制梁的混沌振动.

强迫对流下正庚烷浸湿多孔球的火焰结构与波动特征

为了探究强迫对流下燃料液滴的火焰结构和波动特征,利用被正庚烷浸润的多孔球来充当液滴,在环境压力下对其火焰施加不同温度和强度的气流(温度T=420~720 K和对流速度U=0.6~7.1 m/s)。使用高速摄影仪捕获火焰的实时图像,并通过自编Python-OpenCV程序对表征火焰结构的参数进行提取,进而分析火焰的结构演化和瞬时波动特征。对火焰瞬时数据进行傅里叶变换处理。研究结果表明:随着对流速度增加,火焰几何结构变化剧烈,而雷诺数Re=300之后,其变化则趋于平缓。对于燃烧状态,火焰从黄色火焰到黄-蓝分层火焰、再到蓝色火焰的转变随雷诺数的变化呈阶跃型规律进行,在这个过程中Re=200及Re=400为两个关键转变点。处于强迫对流下的多孔球尾迹火焰的瞬时波动呈现明显的周期性,其频率主要由球后卡门涡旋的脱落频率决定。

汽轮机起动过程温升分配对转子热应力的影响

降低汽轮机转子在起停过程中的热应力对于控制转子因热疲劳产生的裂纹萌生和扩展具有重要意义。采用有限元法估算660 MW高中压转子的瞬态温度场,采用弹塑性有限元法计算转子的瞬态应力应变场。研究起动过程中温升分配对转子最大热应力的影响。研究表明,同样的起动时间,采用不同的温升分配模式可以使最大热应力降低34%;选择合理的温升分配模式可以有效降低起动过程转子热应力,减小起动时间。克服以往研究多认为局部高温升率是导致转子最大热应力的主要因素的不足。该研究对制定合理的起动曲线有指导作用。

长叶片相邻围带或凸肩接触转速计算方法

提出用围带或凸肩接触面上的法向作用力来表征叶片相邻围带或凸肩的接触关系,并通过迭代计算接触法向力从0转变为正的临界转速值(即接触转速).迭代计算中,接触面上的法向作用力由三维接触有限元分析获得,并取上一次有限元分析结果作为本次有限元分析的初始值来提高收敛速度.应用该方法对工作转速为3 000r/min的某200MW汽轮机组末级叶片相邻围带、凸肩的接触转速进行了计算.结果表明:迭代7次后接触转速的计算误差小于11.7r/min;该叶片围带、凸肩接触法向力随转速的加快而增大,且在工作转速下达到最大值.

线黏弹性球面发散应力波的频率响应特性

基于线黏弹性球面波Laplace域的理论解,得到了不同传播距离处粒子速度、粒子位移、应力、应变等力学量的传递函数。以标准线性固体模型为例,重点讨论了粒子速度频率响应函数的传播特征,指出随着传播距离的增加,粒子速度幅频响应函数的高频响应会低于低频响应,而在理想弹性条件下,粒子速度幅频响应函数的高频响应一直高于低频响应。以弹性半径为0.025 m的空腔爆炸为例,采用Laplace数值逆变换方法对粒子速度波形的演化进行了分析,给出了粒子速度强间断幅值及粒子速度峰值随传播距离变化的衰减规律曲线,指出黏弹性介质中粒子速度幅值的衰减曲线介于理想弹性介质中粒子速度幅值衰减曲线和黏弹性介质中粒子速度强间断幅值衰减曲线之间。

液滴撞击液膜的穿越模式及运动特性

液滴撞击液膜是自然界中广泛存在的一种有趣的物理现象,如雨滴撞击水坑中的雨泡,啤酒穿过而不破坏杯中泡沫等,科学家对此现象进行了一些研究,但对其相互作用机理仍然认识不足.本文利用高速摄像机记录液滴撞击肥皂膜的瞬态过程,研究了不同韦伯数(We∈(10.8, 350))下液滴与液膜的相互作用过程、穿越模式及运动特性.研究结果表明,随着We的增加,液滴从反弹过渡到穿越(临界We=10.8),穿越后,根据液膜与液滴的作用形式,又可细分为无袋型包裹、射泡、有袋型包裹和融合等四种不同穿越模式.穿越后的液滴可形成"液滴-气垫-液膜"型复合液滴(We∈(120, 240))和表皮为微米厚溶液层的单相液滴(We∈(240, 350)).根据气垫层厚度不同,无袋型复合型液滴的表观表面张力为最外层液膜之表面张力,而有袋型复合液滴则为3个气液界面的表面张力之和.复合型液滴外层包膜可能破裂、剥落并产生射泡现象,该现象发生在一定的We数区间内(We∈(60, 120)),且该区间随着液滴直径的增加而增大. We数越大,液滴穿越液膜过程中的速度损失越小,液滴位移曲线越靠近理论曲线.

超声悬浮甲醇液滴的热诱导雾化现象

采用外部高温气体加热的方式研究了超声悬浮甲醇液滴的声致破碎雾化现象,利用高速摄像手段记录并实验研究了不同直径液滴不同的破碎雾化特性.结果表明:超声悬浮液滴在高温气流吹扫后可发生边缘喷射雾化现象.破碎方式包含边缘溅射、液膜割裂和法向溅射三类.直径D0较小的液滴直接从赤道面开始边缘溅射直至完全雾化;等效直径D0>2.8 mm的液滴,在产生边缘溅射后,剩余液核弯曲形成液膜,其表面产生法拉第波,使得液膜割裂破碎;而D0>3.2 mm的液滴,在变形过程中逐渐形成“碗状”空腔,并在其底部的法向方向产生溅射,同时开始液膜割裂的离散化解体过程并伴随着边缘溅射,直至完全雾化.这种声致液滴雾化现象丰富了多物理场耦合作用下的流体理论,可为相关应用研究提供新思路.

燕尾型叶根松装叶片系统参数对干摩擦减振效应的影响

采用燕尾型叶根干摩擦模型和叶片简化模型,计算了燕尾型叶根松装叶片系统在不同参数下的振动响应。研究了离心力、摩擦系数、叶根与轮盘接触面接触刚度系数、激振力等参数对叶片系统干摩擦减振效应的影响规律。计算结果表明:在非线性干摩擦力的作用下,叶片系统幅频响应曲线的共振峰值向低频方向偏移,出现了刚度软化现象;在叶片离心力从小到大变化的过程中,系统的共振振幅先减小后增大,存在某个转速下的离心力,系统的共振振幅最小;存在一个最佳摩擦系数值0.3,使系统的共振振幅最小,比最大振幅减小约23%;随着叶根与轮盘接触面间接触刚度系数的增大,叶片系统振幅明显减小,共振频率增大;激振力的大小影响系统共振频率和共振振幅。该研究可为燕尾型叶根松装叶片的设计提供参考。

Mg-O_2和Mg-CO_2预混气燃烧特性及热声振荡的数值模拟研究

基于金属镁在高超声速飞行器及火星探测器上的应用,为探讨金属燃料在不同氧化剂环境中的燃烧特性及热声不稳定性机理,开展了数值模拟研究。考虑镁蒸气与O_2和CO_2两种氧化剂的剧烈反应区,构建了预混燃烧的二维燃烧室模型,详细探讨了预混气当量比、预混气初温及入口速度等对燃烧特性及热声振荡特性的影响规律,并与CHEMKIN计算结果进行了比较分析。结果表明,较高的当量比下燃烧室的燃烧速率更快,燃烧平衡温度更高,此外增加预混气初温能加快燃烧室燃烧速率,而更高的入口速度会使燃烧室的压力振荡从低频高振幅振荡向高频低振幅振荡转化。燃烧室的压力振荡同时存在轴向振荡和径向振荡,振荡曲线为高频振荡和低频振荡的不同组合。入口速度对燃烧室压力振荡有较大影响,入口速度越快,振荡频率越高,而声压级越低。此外,预混气当量比和预混气初温对燃烧室的压力振荡也有一定影响。

镁基燃料水冲压发动机的热声振荡特性研究

为了探究金属基燃料发动机内的燃烧不稳定性问题,以镁基燃料水冲压发动机为背景,从理论上开展了热声振荡机理及特征频率特性的研究。通过Mg/H2O燃烧化学反应动力学分析,证实了高温环境中水的热分解特性是引起燃烧反应热释放波动的原因,结合不稳定燃烧中的声压振荡,合理解释了热声振荡的发生机理。进一步考虑平均流作用,建立了一维热声振荡计算模型,基于自行开发的热力计算程序,获得了三种选定镁基燃料一次燃烧产物的热力学性质及燃烧水燃比的上限2.0,2.4,2.6,同时结合边界条件、守恒条件求解了声压传播方程,获得了不同工况下的复频特性,实部均在700Hz以内属低频振荡,镁基燃料质量组分配比、进水口位置及水燃比均对特征频率虚部有较大影响,对于既定的燃烧室结构构型及镁基燃料,可通过调节进水量来主动干预热声振荡的发展趋势。

超声悬浮乙醇液滴气动变形与运动特性研究

利用超声悬浮的方法为液滴提供静止、无接触初始条件,用高速摄影机拍摄液滴,研究不同直径乙醇液滴在Weber数5~90,脉冲气流冲击作用下的变形与运动特性。研究结果表明,随着韦伯数的增大,液滴先后产生常见的袋状破碎、袋状/蕊心破碎、羽状/液膜稀释破碎。不同破碎模式在本质上都是袋状破碎,包括边缘环袋破碎与液核多袋破碎。Weber数越大,边缘环袋破碎作用越弱,液核多袋破碎越占据主导地位。乙醇液滴的迎风面顶点纵向运动遵循匀加速规律,其无量纲位移与无量纲时间符合二次函数关系式。液滴在横向的扩散过程分为两个阶段:一个是惯性控制阶段;另一个是毛细效应控制阶段。液滴未破碎时,其横向扩展无量纲直径与上述无量纲位移符合二次函数关系式,而破碎后二次液滴的无量纲扩散直径与毛细时间则符合线性关系式。

扁壳结构弯曲与扭转振动控制试验研究

扁壳结构的弯曲与扭转振动控制对该类结构的应用具有重要意义。本文采用不影响壳体结构的粗压电纤维复合材料(MFC)作动器对其弯曲与扭转振动进行主动控制。建立局部表面粘贴MFC作动器的开口圆柱扁壳的动力学解析模型,得到了作动力和作动力矩的解析表达式,分析了扁壳结构上MFC作动器在弯曲与扭转振动控制中的作动机理。针对一开口碳纤维圆柱扁壳,设计了模糊PD控制器,开展了定频与随机激励下壳体弯曲与扭转振动控制试验,并与传统PD控制试验效果进行了对比。结果表明:MFC作动器在壳体弯曲和扭转振动控制方面作动能力突出;模糊PD控制器的控制效果优于传统PD控制器的控制效果。

表面带金属层的复合材料层合板低速冲击数值模拟

使用Abaqus/Explicit建立表面带金属层的复合材料层合板和复合材料裸板低速冲击有限元模型,与已有文献对比验证结果的可靠性,研究结果对复合抗弹结构有很好的借鉴和参考价值。采用Johnson⁃Cook本构关系模拟铝合金和钛合金层的力学行为,选用Hashin准则对复合材料层内损伤进行失效判断,用二次应力准则来模拟粘结层Cohesive单元的层间失效。结果表明,相同铺层与冲击能量下,表面带铝合金层合板对内部纤维的保护性能优于表面带钛合金层合板,表面带钛合金层合板的抗冲击性能优于复合材料裸板;[§/0°/90°/0°/90°/0°]s铺层层合板的抗冲击性能优于[§/-45°/90°/0°/45°/-45°]s铺层层合板的抗冲击性能;在子弹刚冲破层合板与子弹完全离开层合板阶段,表面带铝合金层合板对子弹动能吸收率最大。

低浓度氧化石墨烯改性环氧树脂基碳纤维层合板的拉伸性能

将氧化石墨烯(GO)均匀分散到环氧树脂(EP)中,采用真空辅助树脂传递模塑成型的工艺方法制备增强碳纤维(CF)复合材料,研究常温下不同浓度(质量分数为0、0.03%、0.07%和0.10%)GO改性EP/CF层合板的抗拉性能和微观胶联性能,探究低浓度GO对CF增强复合材料力学性能明显改善的阈值。实验结果表明:GO对CF增强环氧复合材料的性能有明显改善作用,与纯环氧基CF层合板相比,随着GO浓度增加,其抗拉性能随之增强;GO官能团可以提高EP基体与CF的结合程度,通过扫描电镜观察到加入GO的层合板中CF与EP的黏结更加紧密,使得啮合效果更强,从而提高了复合材料层合板的拉伸强度;低浓度GO改性下,当GO的质量分数达到0.07%时,层合板的力学性能得到明显改善。

具有恒定冲击载荷的梯度泡沫金属材料设计

多胞材料可通过大变形大量地吸收冲击能量,引入密度梯度可进一步提高其耐撞性。梯度多胞材料的宏观力学响应对材料密度分布极为敏感,不同类型的细观构型的影响也极为不同。已有的研究工作主要局限在对给定的密度梯度分析其动态响应,较少对耐撞性设计方法进行研究。本文针对梯度闭孔泡沫金属材料,基于非线性塑性冲击波模型发展了耐撞性反向设计方法,以维持冲击物受载恒定为目标,运用级数法获得了简化模型和渐近解。利用变胞元尺寸法构建了连续梯度变化的三维Voronoi细观有限元模型,并利用ABAQUS/Explicit有限元软件对理论设计进行数值验证。结果表明,反向设计理论简化模型的渐近解对于梯度闭孔泡沫金属材料的耐撞性设计是有效的,所提出的耐撞性设计方法在控制冲击吸能过程和冲击物受载方面具有指导意义。

横向磁场下侧壁加热方腔熔化的数值模拟研究

磁场下的固-液相变过程在电磁冶金和增材制造等工程应用中广泛存在,其中的熔化过程和流动机理尚未完全探究清楚.方腔熔化是研究固-液相变过程的基础模型,具有良好的普适性,研究磁场对其流动的影响可以为其他复杂相变过程提供参考.本文基于焓方法开展了固-液相变的数值模拟研究,得到了垂直主环流方向的横向磁场对侧壁加热方腔中流动、传热和熔化过程的影响.首先,对于无磁场时的方腔熔化问题,通过与已有的实验结果和数值结果进行对比,证实了文献中方腔宽度对固-液界面的形状及位置影响不能忽视的结论.随后,对小磁场情况下的三维工况进行了直接数值模拟,发现此时磁场效应主要表现为对混乱三维流动产生整流作用,使流动趋于二维化.但由于固-液界面的存在,主流区的速度在趋于一致的同时也会反作用于界面,其形状随磁场增强而逐渐转变为二维结构.最后,本文采用准二维模型分析了更强磁场时的情形,讨论了不同参数对传热效率及界面形状的影响,并发现了横向磁场作用下的垂直最大速度仍满足磁对流中的无量纲参数标度律关系.

各种对称性下挠曲电系数的Kronecker张量积表示

Kronecker张量积在描述材料系数的对称性方面具有重要作用.通过首次构建符合挠曲电系数对称性的正交旋转张量4次Kronecker幂,推导了7大晶系、32类晶体点群及各向同性下挠曲电系数的矩阵结构表示,这些结果包含了独立的挠曲电系数个数及其具体的分量形式.通过与前人的工作对比,验证了本文结果的正确性.