党的二十大精神指引航空航天类教学的实践探索

新工科建设是应对新一轮科技革命和产业变革、推动我国新经济发展、布局未来战略竞争、加快我国高等教育改革创新而提出的我国工程教育改革方向。党的二十大精神对航空航天类教学提出了新要求,在总结分析航空航天工程材料课程教学的现状与问题的基础上,通过知识模块化、实践项目化的教学内容改革,以学生为中心、强化能力培养的教学方法改革,探索“四位一体”的航空航天工程材料教学实践,努力培养德才兼备的航空航天工程高层次人才。

新工科背景下工程力学课程教学探索与实践——以重庆大学为例

新工科建设是我国积极应对新一轮科技革命与产业革命的重要战略部署,是国家教育高质量发展的关键指示。该文以新工科建设为背景,结合重庆大学办学理念及对于人才培养新模式的探索,本着以新时代高校人才培养为目标,针对工程力学课程中传统教育和慕课教学所存在的问题,同时结合其“理论联系实践、重推导和精演绎”等学科特点,提出尝试设置开放性课题,引进虚拟仿真实验室平台,指导学生进行自主创新实验等重要举措。建立以学生为中心、综合线上线下教育优势的翻转课堂教学新模式,为培养学生自主创新能力和主观能动思考能力提供积极的思路,为新工科背景下的工程力学授课提供有益的思考与探索。

航模队与航模队的差距——重庆大学航模协会现任会长的思考

高校航模队是一个年轻而又庞大的队伍,这些热爱航空运动的骄子们是我国未来航空和航天界的顶梁柱和一股不可忽视的力量。高校航模队大多立足于高等学校科研平台,积极进行研发活动,发展中国的航空运动;经过多年发展,涌现出了像北航歌尔航模队、西北工业大学航模队。

重庆老鼓楼衙署遗址强度劣化规律及渗水病害防治对策

为研究饱水作用下石质遗址的力学强度劣化特征,掌握地下水的渗流迁移路径,多尺度联合开展室内微观试验、宏观试验和现场渗水检测。微观试验包括偏光显微镜、X射线衍射分析和孔隙度测试,宏观试验包括吸水试验和单轴抗压强度软化试验,现场检测主要采用高密度电阻法对含水岩层成像分析。岩相鉴定结果表明:整体岩性为砂质泥岩,矿物成分主要为石英、长石;黏土矿物以伊利石为主,则此类岩石抗干湿循环能力差;砂质泥岩饱和系数在0.84~1.00之间,软化系数在0.55~0.65之间,属于工程地质软岩,高软化性是地层结构变形的主要原因;地表水作用下泥岩裸露并产生构造裂隙,部分岩石表面出现盐析病害,渗流-应力耦合作用下坡体失稳变形;高密度电阻率法现场检测发现,地下水渗漏导致城墙遗址下呈现低阻带,电阻率在20Ω·m以下,主要为水渠渗水所致。建议对遗址地上和地下结构进行排水和防渗处理。

基于充气薄膜的可展开帆板结构设计

充气薄膜结构具有质量轻、收纳比高的优势。通过理论分析及实验验证的方法,得到了充气薄膜管承载力矩与充气内压、管道内径、展开程度之间的映射关系。进一步通过“厚度包边”法处理二级展开帆板的厚度问题,设计了转动锁定、转动-滑移锁定、搭接锁定连接结构,提出薄膜管驱动的二级可展开矩形帆板、圆形帆板以及百叶窗式矩形帆板三种大尺度可展开帆板结构形式,并进行展开状态的模态仿真,对比其模态振型。本设计可为大尺度充气可展开结构形式提供参考。

基于一致性理论的无人机编队控制与集结方法

针对无人机运动学模型特点和远距离成形问题,提出一种基于改进一致性算法的无人机集结-成形策略。建立能直观描述编队队形的坐标系,根据纵向和横航向解耦的带自动驾驶仪的无人机三自由度运动学模型的特点,考虑无人机机动性能约束,对一致性算法进行改进,实现对无人机速度、航向和飞行高度的控制,提出编队队形控制算法。针对无人机初始间距大带来的调参问题,增加集结过程,并利用粒子群算法优化集结速度,避免航迹冲突,集结结束后再采用所提算法生成无人机航迹,提升算法的适应性。仿真结果表明:所提算法能使无人机在满足机动性约束的情况下,形成稳定队形;相比于直接成形法,所提策略提高改进一致性算法的适应性和安全性。

烧蚀型热防护系统概率设计与可靠性评估方法研究

为在保障热防护系统可靠性的前提下减轻重量,本文建立考虑多源不确定性的烧蚀型热防护系统的概率设计和可靠性评估方法。采用有限元方法计算系统热响应,通过试验测试与数值模型对比验证方法的有效性。并构建热防护系统的不确定性输入参数与目标输出的代理模型,基于代理模型与蒙特卡洛方法进行热防护系统目标变量的概率特性分析。采用Sobol指标对不确定性参数进行灵敏度分析,并以系统可靠性为指标进行概率设计。该方法针对来流、几何以及材料属性等多源不确定性进行热防护系统的概率设计与可靠性评估,以二维平板模型为例,计算热防护系统最高背温的概率特性以及不确定性参数的灵敏度,得到了不同涂层厚度情况下系统的可靠性。结果表明,与安全系数 n =1.5的设计相比,概率设计减重达到24%。

冰球和钨珠非正冲击下T800-CFRP层合板损伤特性的研究

通过试验和仿真相结合的方法研究了T800碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板在冰球和钨珠非正冲击作用下的损伤特性。首先开展了冰球和钨珠在给定工况下高速撞击T800-CFRP层合板试验,以此对仿真模型的有效性进行验证;然后讨论了T800-CFRP层合板在两种冲击体以不同冲击能量与冲击角度作用下的损伤特性及其差异性。研究表明:钨珠在冲击能量较低时就能对层合板造成穿孔损伤,但随着冲击能量增大层合板的损伤程度呈下降趋势;冰球对层合板造成损伤的冲击能量阈值与钨珠的相比要高很多,且随着冲击能量的增加损伤程度明显加剧;钨珠在冲击角度为45°和60°时造成的损伤与正冲击的情况相比要更加严重,而冲击角度为30°时造成的损伤却小于正冲击的情况;冰球冲击时,层合板的损伤程度随冲击角度的增加而减小。该研究有助于深化对T800-CFRP层合板在冲击载荷作用下的损伤与破坏行为的认识,具有重要的科学意义和工程应用价值。

考虑预应力松弛的张拉整体机械臂可靠性分析

柔性张拉整体结构可应用于桥梁、机械臂和深空探测等多种工程场景。以张拉整体机械臂为例,应力松弛导致的绳索预应力水平下降可能带来驱动变形响应的不确定性,从而造成结构功能失效。因此,研究绳索预应力松弛不确定性在张拉整体结构中的传播对机械臂作动位移的定量控制十分必要。然而,张拉整体机械臂可能包含数十甚至上百根绳索,采用Monte Carlo方法对设计变量进行随机抽样时将面临“维度灾难”。通过对机械臂工作服役时间引入概率模型,并结合独立同分布假设,该文从钢索预应力设计规范出发,将随机发生的预应力松弛引入了基于共旋坐标法的结构可靠性分析。该文采用基于最小角回归的稀疏混沌多项式展开(polynomial chaos expansion,PCE)方法,对张拉整体机械臂作动位移进行不确定性传播分析,实现了对结构响应概率密度分布的快速预测。针对该文研究的12杆、36绳结构,稀疏PCE方法在仅使用500次有限元模拟结果作为训练数据的情况下便能获得足够高的预测精度,很好地解决了“维度灾难”问题,提高了分析效率。在此基础上,对设计变量进行灵敏度分析,准确找出对机械臂作动位移影响最大的绳索。研究结果表明,只需对该绳索进行材料选型改进,便能够大幅提高机械臂的长时作动可靠度。该文方法可应用于张拉整体机械臂的动力学问题不确定性量化及可靠性结构优化设计。

考虑颗粒团聚影响的聚合物基复合材料温度相关性拉伸断裂强度理论表征模型

聚合物基复合材料在不同温度下的拉伸断裂强度一直是人们关注的焦点,颗粒作为一种常见增强相可以显著提高聚合物基复合材料的拉伸断裂强度。然而,随着颗粒体积分数的增加,颗粒将会发生团聚现象,从而影响增强效果。针对颗粒增强聚合物基复合材料,通过计及颗粒团聚的影响,以及材料热物理性能随温度的演化,建立了一个考虑团聚影响的温度相关性拉伸断裂强度理论表征模型。模型得到了实验数据的良好验证。研究成果为定量表征不同颗粒含量、不同温度下复合材料的拉伸断裂强度提供了一种有效途径,加深了对不同温度下团聚现象对复合材料力学性能影响的认识。

接触问题的三角形载荷离散FFT加速算法

接触问题控制方程的有效求解,往往涉及到复杂的数学理论知识,而在实际工程应用中,接触应力分布又具有高度随机性。为高效快速求解任意载荷分布下固体的接触响应,基于三角形载荷离散单元,嵌入离散卷积快速傅里叶变换(DC-FFT)算法,提供了一种高精度、高可靠度的计算方法。相比于通常采用的分段均布载荷离散方法,三角形单元的解析求解略显复杂,但能更好地模拟接触载荷任意分布的特性,对于接触边缘处载荷由零递增或递减为零的情况,也可以予以充分考虑。为优化三角形载荷离散单元的求解方法,根据接触影响系数矩阵的“激励-响应”特性,推导了三角形载荷单元和均布载荷单元作用下的应力分量解析解。通过构造包含影响系数矩阵的离散卷积形式应力解,将某一目标节点在所有载荷单元作用下,重复度极高的矩阵运算叠加过程,采用DC-FFT算法来简化加速计算。通过程序编程计算,分析验证了所提出算法的精确度和高效性。

低价锆氧化物Zr_(3)O的结构、热力学和弹性性质第一性原理研究

采用第一性原理系统地研究3种Zr_(3)O晶形(空间群分别为R3c(斜方六面体)、R32(斜方六面体)和P6322(六面体))的晶格动力学及其与温度相关的热力学和力学性质。计算得到的3种Zr_(3)O晶形的晶体结构参数与实验结果一致。此外,证明3种Zr_(3)O结构在动力学和热力学上均具有稳定性。获得了3种Zr_(3)O晶形在0~1500 K温度范围内的熵、焓、吉布斯自由能、比热容、热膨胀系数和弹性模量等性质。发现3种Zr_(3)O晶形在0K时的相对稳定性顺序为Zr_(3)O(R3c)>Zr_(3)O(R32)>Zr_(3)O(P6_(3)22);然而,在50 K时Zr_(3)O(R3c)转变成Zr_(3)O(R32),在540K时转变为Zr_(3)O(P6_(3)22)。相较于其他2种Zr_(3)O相,Zr_(3)O(R32)表现出更优越的力学性能。

张拉整体机器人杆件后屈曲驱动行走数值仿真

球形张拉整体机器人与传统的轮式、足式机器人相比,具有高强度质量比、缓冲性能好、地形适应力强等优点,在深空探测中有着广阔的应用前景。球形张拉整体机器人常采用绳索驱动模式,但在驱动行走过程中,过多的驱动数目给球形张拉整体机器人的制造与控制带来了困难。提出了一种基于柔性杆件后屈曲变形的新型驱动模式,实现了球形张拉整体机器人行走过程的数值仿真,并对绳索驱动和杆件后屈曲驱动模式的效率进行了比较。通过椭圆积分法,求得单根杆件在后屈曲变形中的精确解。基于该理论在ADAMS中建立考虑杆件后屈曲变形、接触、摩擦的球形张拉整体机器人刚柔耦合动力学仿真模型。通过ADAMS与Simulink软件联合仿真,利用贪心搜索(greedy search)算法,确定了球形张拉整体机器人的基本步态。在Simulink软件中建立控制系统模型,实现了机器人在杆件后屈曲驱动模式下,向任意目标点的行走控制。对比传统绳索驱动,杆件后屈曲驱动模式下,机器人连续行走所需驱动器数目从18个减少到6个,行走速度提高了43.78%。研究结果为新型张拉整体机器人的设计与制造提供了理论指导。

红黑着色的相场两相流并行投影算法

提出一种交错并行的有限体积投影算法求解基于相场法的两相流控制方程组。该算法的实施主要依赖于压力泊松方程的显式推进设计,从而突破投影算法求解不可压Navier-Stokes方程的效率瓶颈。同时,提出了一种交错扫描策略来更新节点上的变量,以实现更紧凑的时空耦合。本算法与相场模型相结合,能够高效、准确地捕获相界面的动态拓扑变化。测试算例结果表明:网格量为131 072,采用8线程CPU并行时,新提出并行算法的效率达到串行标准投影算法的80倍以上。

PDA/Fe_(3)O_(4)上浆对碳纤维/聚酰胺6热塑性复合材料力学性能的影响

在碳纤维增强热塑性复合材料中,碳纤维(CF)与热塑性树脂基体间的界面强弱对其整体力学性能有巨大的影响。为改善CF与聚酰胺6(PA6)的界面性能,利用多巴胺(DA)的聚合与黏附特性,将纳米相四氧化三铁(Fe_(3)O_(4))引入到CF表面进行协同修饰,通过简单的浸渍共沉积,利用DA的氧化自聚合在CF表面构建聚多巴胺/纳米四氧化三铁(PDA/Fe_(3)O_(4))涂层。对CF改性前后表面微观结构与化学特性进行了表征,结果表明PDA/Fe_(3)O_(4)上浆剂能够显著提高CF表面的粗糙度与化学活性,加强纤维与树脂基体的机械啮合作用与化学相互作用。与未改性CF/PA6复合材料相比,制备得到的改性CF/PA6复合材料表现出优异的力学性能,其弯曲强度、层间剪切强度分别提高了30.8%和29.1%。

多功能聚吡咯/聚酰亚胺电磁屏蔽复合膜的制备与性能研究

目的开发具有优异屏蔽效率、轻质且热稳定性良好的电磁屏蔽材料。方法以聚酰亚胺(PI)为聚合物基体,聚吡咯(PPy)为添加相,采用静电纺丝-低温原位聚合技术制备PPy/PI电磁屏蔽复合膜。通过在薄膜内部的多孔结构中构建致密的导电网络,赋予复合膜优异的导电性和高效的电磁屏蔽效能。结果在聚合PPy浓度为0.1 mol/L时,复合膜的电导率和电磁屏蔽效能分别为2.23 S/cm和26.04 dB,且其单位厚度电磁屏蔽效能可达到110.81 dB/mm,展现出优异的电磁屏蔽性能。结论PPy/PI复合纤维膜表现出良好的力学性能(拉伸强度为11.73 MPa)、优异的热稳定性(>400℃)和力学传感性能,具备在恶劣环境下广泛应用的潜力。

数字孪生辅助调整颌位流程的临床新技术和应用效果研究

目的 介绍一种衍生自数字孪生的颌位调整新技术,并评价其辅助临床治疗颞下颌关节紊乱病(TMD)的效果。方法 纳入2022年6月至2023年5月于四川大学华西口腔医院颞下颌关节科就诊的TMD患者74例,收集患者的初诊计算机断层扫描(CT)和双侧颞下颌关节磁共振成像(MRI)数据。根据MRI数据进行评估将148个关节分为正常盘-髁关系组(正常组)、可复性盘移位(DDWR)组以及不可复性盘移位(DDWoR)组,用CT数据重建患者口颌系统三维模型并构建个性化参考系进行颌位调整,将调整后的咬合关系输出打印为咬合导板,患者佩戴后行MRI复查。测量不同组别调整颌位前后患者髁突及关节盘的移位量和方向以及髁突与关节盘的夹角,评估其与髁突移位的相关性。结果 在正常组中,关节盘沿X轴和Z轴分别向后、下移动(-0.60±0.62)、(0.51±0.71) mm;在DDWR组中,关节盘沿X轴和Z轴分别向后、上移动(-1.33±1.38)、(-0.09±1.31) mm;在DDWoR组中,关节盘沿X轴和Z轴分别向前、下移动(0.49±1.76)、(1.35±1.76) mm。在3组中,患者的髁突与关节盘的夹角在调整颌位后都减小。所有患者在调整颌位后症状均得到了改善。结论使用数字化软件辅助调整颌位能够简化流程、降低技术的敏感性,改善患者盘-髁结构及症状,在治疗TMD患者中的应用具有重要的临床意义。

基于S_(0)波的正交铺层复合材料板拉伸弹性模量的测量方法

提出了一种基于兰姆波的正交铺层复合材料板弹性模量测量方法。正交铺设层合板相当于具有9个独立弹性常数的单层正交各向异性板。研究了正交各向异性板中S_(0)模态兰姆波(S_(0)波)群速度对9个工程弹性常数的敏感性。研究发现,在低频率厚度积下,S_(0)波的群速度仅与正交各向异性板的拉伸弹性模量和面内泊松比有关。通过分析正交铺设层合板等效工程弹性常数的变化范围,发现正交铺设层合板的面内泊松比变化很小,足以忽略其对S_(0)波群速度的影响。因此,可以用S_(0)波的群速度来估计正交铺层复合材料板的拉伸弹性模量,并建立了S_(0)波群速度与拉伸弹性模量的映射关系。该方法已在碳纤维增强正交铺设层合板上进行了数值模拟和实验验证。数值模拟和传统的静态拉伸实验验证了该方法的有效性。结果表明,该方法得到的复合材料板拉伸弹性模量与实际值的误差小于10%,为航空航天等工业领域相关结构参数的测量提供了方便。

多尺度仿生超疏水结构的制备与性能表征

受冰岛野罂粟花苞绒毛的疏水特性启发,采用3D打印与化学修饰相结合的方法,制备了一种多尺度的超疏水结构,并利用扫描电子显微镜和微力测量仪分别对其进行了微观形貌和疏水性能表征。该结构在宏观尺度下呈现为物体表面上按照阵列分布的仿生柱杆,而柱杆表面黏附有碳纳米管团簇形成的微观尺度鳞片。因多尺度协同增强效应,被该结构覆盖的表面具有优异的超疏水性能,斥水力可达50.68 N/m2。与现有的表面疏水涂层等微观疏水结构的制备工艺相比,提出的方法经济、简单,多尺度结构抗破坏能力强,疏水功能稳定,便于工业化生产,可应用于液滴定向运移、流体减阻和水下气体交换等多个领域。

振动永磁式机械天线的动力学特性研究

在传统的无线通信领域中,长波通信需要匹配大尺寸信号发射天线,制约了其在中小型平台上的应用。基于逆压电效应、振动理论和麦克斯韦方程组,提出并研制了一种三自由度折返梁结构的振动永磁式机械天线原理样机,建立了电-机械-电磁能理论模型,研究了机械天线的辐射影响因素及其频率调制技术。实验结果表明,通过激发机械天线原理样机的不同振动模态可对电磁波信号进行频率调制,从理论和技术角度为低频段信号的通信提供了新思路。