金属泡沫复合材料夹芯结构的压痕响应实验

金属泡沫夹芯结构是近年来新出现的一种明显具有结构和功能一体化特点的新型轻质材料,它在临近空间飞行器、航海及汽车等领域有着广阔的应用前景。以以纤维增强复合材料面板、闭孔泡沫铝芯子为特征的复合材料夹芯结构为研究对象,对其在球形压头作用下的压痕响应、损伤模式、变形机制和失效机理进行理论分析和实验研究。研究发现,泡沫铝复合材料夹芯结构的压痕响应是夹芯结构的各个组成部分的响应、相互作用以及压头属性的综合作用结果。泡沫铝复合材料夹芯结构在球压头作用下的损伤模式为基体开裂、纤维断裂、层间分层、泡沫铝的屈服及剪切断裂五种失效模式。

环境温度对长玻纤增强聚丙烯单向拉伸力学性能的影响

长玻纤增强聚丙烯(Long glass fiber reinforced polypropylene,LGFPP)作为一种轻质、易回收的新型车用复合材料,同时具有较好的力学性能、耐热性、耐候性。通过不同温度环境下的拉伸试验研究了环境温度对LGFPP力学性能的影响并分析了其失效机理。结果表明:当环境温度为零下20℃时,基体对纤维的包裹性较好,有利于载荷传递,破坏表现为基体破坏,断裂面较为平整,其拉伸强度相对室温下提高18.93%;随着温度升高,树脂基体逐渐变软,树脂与纤维之间的界面强度降低,部分表现为纤维与基体的界面破坏,从而减少了纤维承载发生的破坏,从而导致了LGFPP强度降低;当环境温度达到100℃时,其拉伸强度相对室温下降低45.84%。建立了LGFPP的均质化RVE模型,预测了不同温度下LGFPP的力学响应和弹性常数,数值模拟结果和理论值与实验结果吻合较好。这为LGFPP在应用环境的耐适性提供了指导。

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。

高压下Ⅰ型甲烷水合物导热机理的分子动力学模拟

本文采用平衡态分子动力学方法研究了多种Ⅰ型甲烷水合物结构在高压下的导热性能。结果显示各水合物结构中水分子的排布构型差别不大,但各水合物结构的热导率存在一定差异。其中空穴水合物结构具有较好的导热性能,而含水分子晶格缺陷水合物结构的热导率较低。高压可以促进水合物中的声子传热,高温也能促进甲烷分子平动相关声子的传热,但将削弱水分子运动相关声子的传热。此外水合物结构中的水分子晶格缺陷会导致传热过程中声子大量散射。

铜/金纳米涂层在温度梯度下的分子动力学模拟

本文采用分子动力学模拟方法溅射制备和理想化建模得到调制周期为1.8 nm铜/3.6 nm金的纳米涂层样本,并研究涂层结构在温度梯度作用下的相关特性。结果表明不同纳米涂层在过渡界面处均存在共格生长界面层结构,其中溅射制备得到的涂层中存在一定的空位缺陷。这些缺陷将阻碍纳米涂层中的能量传递。同时共格生长界面层中的晶格失配和空位缺陷使得过渡界面层中粒子的活动能力增大,可能造成涂层在热应力作用下的失效。涂层中粒子运动功率图谱表明声子传递无明显规律。

热塑性复合材料夹芯结构熔融连接研究进展

面芯界面性能是复合材料夹芯结构发挥其力学/多功能优势的关键,热塑性树脂具有可熔融再造的特点,使热塑性复合材料夹芯结构(TPCSS)可在不引入新材料的前提下,形成连续可靠的面芯界面。对近年来热塑性复合材料夹芯结构熔融连接研究进展进行了梳理,总结了常见构型与所用材料,重点归纳了主要的熔融连接方法,包括热板焊接、模压成型、连续热压、面芯共编和增材制造等。基于国内外研究和应用现状,展望了熔融连接热塑性复合材料夹芯结构的未来发展趋势和应用前景。