功能驱动的超材料结构数字化设计与3D打印

本文提出了一种以功能驱动的超材料结构数字化设计新方法,以实现电磁波传播方向90°偏折的伊顿(Eaton)透镜为典型应用目标,研究了其介电常数理论分布模型的数字化离散方法,获得了三维90°伊顿透镜介电常数离散化分布工程模型;通过理论计算建立起超材料单胞结构几何参数(木堆单胞结构柱宽ω与单胞尺寸a)与其等效介电常数之间的映射关系,从而实现三维90°伊顿透镜的工程模型向结构模型的转化;以光固化树脂(介电常数为3)、混合液体介质(介电常数从2.2到40)为原材料,采用光固化3D打印工艺,实现了液固耦合的三维90°伊顿透镜宏/微结构一体化制造;通过仿真和实验测试表明,所实现的三维伊顿透镜能够调控入射电磁波的传播方向,实现入射电磁波的90°偏折,且在12～18 GHz频段范围内具有宽频特性.本文所提出的数字化设计方法与3D打印工艺相结合,为实现面向电磁波传播调控的新型电磁波器件提供了一种途径.     

光催化还原二氧化碳制备太阳燃料研究进展及挑战

光催化还原二氧化碳制备太阳燃料是太阳能转化与利用的主要发展方向之一,其核心是构建高效的光催化反应体系.本文介绍光催化还原二氧化碳反应的基本原理与改善能量转化效率的主要途径,综述了微结构设计、晶体工程、电子结构设计等改善光催化材料催化活性的方法,探讨光催化反应中的基本物理化学问题以及高效光催化材料开发的主要策略.分析了影响能量转换效率的关键因素及开展光催化反应热力学与动力学研究的重要性,评述了几种新型光化学还原CO_2的反应,展望了该领域的未来发展方向.     

确定复杂多孔材料有效导热系数的新方法

从Lattice-Boltzmann(LB)方程出发, 推导了二维LB 导热模型(D2Q5),计算了具有复杂结构的多孔材料的有效导热系数, 计算结果与其他文献中的实验结果符合较好. 分析了多孔材料有效导热系数与材料孔隙率、单位面积孔隙数、骨架形状等参数之间的关系并给出了估算公式. 给出的二维LB 导热模型能方便地计算各种小尺度上具有复杂边界或复合材料中的导热问题, 且二维模型能方便地扩充到三维.     

掘进机机载双臂空间锚杆钻孔机器人设计

设计煤矿巷道锚杆钻孔机器人,分析其结构可靠性.研究掘进机与钻孔机器人之间的最佳配套方式,采用以布局、骨架为核心的自顶向下方法,完成锚杆钻孔机器人三维总体设计和结构设计,建立关键零部件的接触动力学仿真模拟,对这些零部件的安全系数进行分析计算.设计结果表明:采用自顶向下和有限元方法提高了设计效率,workbench校核后各零部件可靠性均满足使用要求.     

计算力学中的高精度数值分析新方法--复合单元法

提出一种用于获取工程结构静动力学特性的高精度数值分析新方法－－复合单元法，在对结构进行离散后，定义两组自由度坐标体系来描述离攻的位移场，基于节点坐标体系，应用常规插值多项式构造出位移场ＵＦＥＭ（ε），基于场坐标体系，应用经典力学解析解构造出位移场函数ＵＣＴ（ε），然后将其复合而形成复合位移场Ｕ（ε）和复合形状函数，并据此计算复合单元的刚度及质量矩阵，最后进行静动力分析，可较大提高了计算力学中数值分     

高孔率金属材料表观电阻率的计算公式

根据高孔率金属材料的结构特征建立几何模型 ,运用几何方法和有关电学概念 ,简便地推导了具有均匀结构的高孔率材料电阻率与孔率的数学关系 ,由此得出通过孔率这个易知量来计算高孔率材料电阻率的公式 .以泡沫镍为例的应用证明 ,该理论式与实测结果基本一致     

利用分形方法确定聚氨脂泡沫塑料的有效导热系数

聚氨脂泡沫塑料是一种多孔介质, 它的不规则泡孔结构对导热过程有重大的影响. 本文利用局部面积分形维数来描述聚氨脂泡沫塑料的泡孔结构, 计算了沿发泡方向和垂直发泡方向的局部分形维数, 构建了当量元泡. 根据截面分形空隙分数, 提出了一个计算聚氨脂泡沫塑料导热的简化分形导热模型, 导出了多孔泡沫材料分形导热系数的计算公式. 模型的预测值与聚氨脂泡沫塑料样品的实测值吻合.     

适应斜落着陆冲击的一体化结构设计及验证技术

针对探月工程三期月地高速再入返回飞行器着陆结构轻量化要求和钝头体斜落着陆冲击特点,提出了一体化结构设计方案,研究了受力形式,采取数值仿真手段和地面着陆冲击试验,获得了返回器着陆结构减重8.4%的效果,满足了着陆性能要求.     

有机/无机杂化材料与多功能纤维研究进展

有机/无机杂化材料能够实现有机高分子材料与无机材料在纳米或分子水平上的复合,在发挥各自组分特性的同时,体现出特有的协同效应,如新性能、多功能.该原理同样适用于有机/有机杂化体系.随着产业用纤维材料的不断发展,其应用领域也随之拓展,开发新型高分子材料,实现纤维的多功能化成为研究热点.根据纤维多功能化的发展需求,结合有机/无机杂化机理,在分子水平上设计构筑杂化功能材料,采用结构设计、界面构筑的方法建立杂化功能材料与成纤高聚物杂化体系.以成纤高分子的结构设计及凝聚态控制、纳米纤维和低维纳米材料的结构可控制备及其功能化复合为例,简要介绍了有机/无机杂化原理在纤维多功能化方面的研究进展,最后提出了多功能化有机/无机杂化纤维的展望.     

平板热管多孔毛细芯等效导热系数预测

本文以平板热管多孔结构毛细芯为研究对象,深入分析了毛细芯等效导热系数的影响因素及变化规律.针对多孔毛细芯微观结构随机分布且固相骨架相连的特点,采用扩散受限聚集模型对多孔毛细芯进行三维重构,对受限空间气体热导率进行计算,并采用有限容积法对模型在稳态导热条件下的传热性能进行了数值计算,研究了在孔隙率和颗粒直径对多孔毛细芯等...     

遗态材料的制备及微观组织分析

通过选用以白松、黑胡桃木和水曲柳等植物结构为模板, 预处理后经硅树脂和钛酸丁酯等物质的浸渍与耦合处理, 制备了具有保持植物纤维原始形态的多孔碳化物遗态材料. 研究结果表明: 制备得到的遗态材料均为多孔材料, 其组织特征继承了所选用的天然植物模板材料的原有组织形态, 具有不同尺寸层次的孔径分布结构.     

高孔率金属材料表现电阻率的计算公式

根据高孔率金属材料的结构特征建立几何模型,运用几何方法和有关电学概念,简便地推导了具有均匀结构的高孔率材料电阻率与孔率的数学关系,由此得出通过孔率这个易知量来计算简孔率材料电阻率的公式,以泡沫镍为例的应用证明,该理论式与实测结果基本一致。     

轴流压气机变工况导叶/静叶/转速联调规律探索

本文采用实验研究方法,在导静叶可调、三级、低速、轴流压气机实验台上,分析了导叶/静叶安装角调节对压气机设计工况及非设计工况下性能的影响,主要以压气机的效率和稳定裕度作为优化目标考察其规律的变化.研究结果表明：通过优化导/静叶安装角的匹配,可有效改善压气机非设计工况下的性能,尝试了采用DSP（动态数据处理）技术,依据转速与动叶攻角的对应关系,在线实现了导/静叶安装角的调节.     

高速切削中切削速度对工件材料力学性能和切屑形态的影响机理

首先根据不同应变率阶段金属材料的塑性变形机制,分析工件材料强度和塑脆性随切削速度提高的变化规律,通过理论计算说明这种变化对切屑锯齿化的作用机制,揭示不同切削速度下产生不同形态切屑的控制机理;然后,在40~7000m/min切削速度范围对Inconel718,AerMet100,7050-T7451进行直角切削实验,分析切屑形态及工件材料脆化现象,验证随切削速度提高工件材料脆化及相应的切屑形态;最后,根据切削速度与切屑形态的对应规律,提出基于切屑形态的切削速度阶段划分方法.研究表明：随切削速度提高,材料强度提高、塑性降低,使得主变形区材料易于发生热塑性剪切失稳和断裂失效而使切屑锯齿化;对一般塑脆性金属材料,随切削速度提高,第一变形区材料热塑性剪切失稳的发生早于断裂失效的发生;对同一种工件材料,可根据切屑形态将切削速度划分为普通切削速度阶段、高速切削速度阶段、超高速切削速度阶段.     

基于窗技术的多孔介质材料力学性质的数值均匀化方法

相比解析均匀化方法,数值均匀化可以精细模拟表征元模型的受载过程和复杂力学行为,从本质上识别材料的有效力学性质,然而,当模型边界单元存在孔隙时,易使边界不满足线性位移边界条件,导致求解过程收敛较困难.为此,受自洽解析均匀化方法的启发,本文提出了"窗技术"优化方法,即通过增加外围基质"窗体"优化随机表征元网格模型,借助采用的表征元模型重构方法和数值网格离散方式,建立了更易非线性求解的表征元网格模型,基质窗体的性质由自洽方法迭代获得,从而发展了多孔介质材料有效力学性质的数值均匀化方法.在此基础上,探讨了窗体基质宽度和实际有效力学性质的关系;并以砂浆力学性质试验数据为依据,验证了方法的可行性和有效性.结果表明,文中方法可以可靠地模拟多孔介质材料表征元模型的受载响应,获得其有效力学性质.     

非均匀饱和土中平面波的传播特性

基于Biot多孔介质理论,假设材料物理力学特性沿厚度方向连续变化,利用回传射线矩阵法(RRMM),建了非均匀饱和土平面波动问题的弥散方程,其中考虑了土体的非均匀性、惯性、粘滞以及固体颗和流体的可压缩性.通过数值算例,分析了非均匀饱和土中的弹性波的传播特性,结果表明:两类纵波的波数和耗散沿材料特性变化的方向变化不大,而非均匀性对横波的波数和耗散有着明显的影响.     

Q460角钢两端偏心受压构件稳定设计方法研究

基于Q460高强角钢两端偏心受压试验,给出了高强角钢截面残余应力分布和初始几何缺陷,并结合多种设计方法对试验结果进行了分析计算、讨论和比较,对高强角钢两端偏心受压构件整体稳定承载力进行了研究。结果表明,现行杆塔结构设计采用《美国输电铁塔设计导则》（ASCEIO-1997）、《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DI/T5154-2002）和我国《钢结构设计规范》（GB50017-2003）进行设计是偏保守的。基于平行轴为准按轴心受压构件计算有效长细比,并选用a类截面柱子曲线,而提出实用设计公式,建议公式计算结果和试验结果吻合较好,该方法可供工程设计时参考。     

基于均匀金属微滴喷射的3D打印技术

均匀金属微滴喷射技术是基于喷墨打印的原理,于20世纪90年代初提出并发展起来的一种3D打印技术.它是以均匀金属微滴为基本成型单元,依据零件形状特征逐点、逐层"堆积"而实现三维结构的快速打印技术,具有喷射材料范围广、无约束自由成形和无需昂贵专用设备等优点,在微小复杂金属件制备、电路打印与电子封装以及结构功能一体化制造等领域具有广泛应用前景.由于金属材料具有熔点高、易氧化、粘性和表面张力大等特点,与非金属材料喷射沉积有很大差异.本文分析了金属微滴喷射方式及其机理,概述了此领域国内外研究现状,并结合笔者研究实践,阐述了金属微滴喷射沉积需要解决的关键技术及实例,如微滴喷射装置开发、喷射成型参数优化等,并对该技术的重点研究方向进行了展望.     

三维离散元方法及其在冲击力学中的应用

离散元方法是近年来国际上出现的几种新概念数值模拟方法之一. 探讨了三维离散元理论模型, 推导了稳定性条件, 参数确定方法等, 并对几种典型的冲击动力学问题进行了三维数值模拟, 模拟结果与实验有较好的一致性. 由于不受连续介质力学3个支配方程的显式限制, 且无网格, 离散元方法在各类非连续材料、多相混合物、非均匀局域以及大变形和结构失效破坏等复杂过程及其机理的研究中将有广泛的用途.     

梯度结构热电材料的研究进展

为了提高单体热电材料的热电性能,将几种单体热电材料连接起来制备成梯度结构的热电材料,不仅解决了材料应用温区狭窄的问题,而且能够极大地提高材料的热电转换效率。本文介绍了梯度热电材料的研究基础、设计和优化方法,对梯度热电材料研究进展进行了综合分析并指出分段式热电材料在提高热电性能方面更具发展优势。