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关键词： 编织复合材料   热塑性   低速冲击   损伤   多尺度建模  

摘要： 纤维编织热塑性复合材料由于高比强度、高比刚度、抗疲劳、抗腐蚀等优异特点而广泛应用于航空航天领域,然而其在航空服役中无法避免地会遭受外来物的冲击,例如工具坠落、冰雹、碎片冲击等,从而产生低速冲击损伤。此外,纤维编织热塑性复合材料在制造过程中会发生纱线角度的改变而变成非正交状态,这种非正交结构会影响材料的力学性能,从而使材料的抗冲击性能发生改变。因此,对非正交纤维编织热塑性复合材料开展低速冲击损伤研究具有非常重要的工程应用价值。本文以斜纹碳纤维编织热塑性复合材料作为研究对象,采用试验分析与数值模拟结合的方法对其在低速冲击下的损伤行为进行了系统性的研究。主要研究内容与结论如下:(1)非正交纤维编织热塑性复合材料的低速冲击损伤的试验研究。制备了三种不同纱线角度(60°、75°和90°)的纤维编织热塑性复合材料层压板,并对其进行了两种不同冲击能量(5J和10J)的落锤冲击试验,以研究不同纱线角度的复合材料在不同冲击能量下的冲击响应与损伤模式。结果表明,纱线角度为60°的纤维编织热塑性复合材料层压板具有更好的抗冲击性,而纱线角度为90°的纤维编织热塑性复合材料层压板具有更好的延展性,但是纱线角度对吸收能量影响较小。正交层压板在低速冲击下的损伤更严重,承载能力更弱。纤维编织热塑性复合材料层压板的损伤面积随着纱线角度的减小而增大,因而纱线角度的减小有利于载荷的传递,故能够承受更大的冲击力。(2)构建了微观-介观-宏观多尺度模型,模拟纤维编织热塑性复合材料的低速冲击损伤行为。在连续介质损伤力学的框架下,构建了碳纤维和宏观复合材料面板的弹性损伤本构模型,并考虑到微观尺度基体以及介观尺度纱线和基体的塑性效应,分别为基体和纱线建立了弹塑性损伤本构模型。然后测定基体的力学性能,再通过对微观RVE模型进行虚拟加载试验得到纱线力学性能,对介观RVE模型进行虚拟加载试验得到宏观复合材料面板的力学性能,最终利用上述参数在介观-宏观的多尺度模型上进行低速冲击模拟,以预测纤维编织热塑性复合材料的低速冲击损伤行为。数值模拟结果的冲击力响应曲线与试验结果的误差在10%以内,且两者的损伤模式较为接近,验证了多尺度模型的有效性。(3)通过数值模拟揭示了不同纱线角度的纤维编织热塑性复合材料在低速冲击时的损伤行为。结果表明,冲击时裂纹的产生由纱线损伤主导,且随着材料纱线角度的减小,材料的损伤范围逐渐增加。此外,所有损伤均从冲击处向各个方向扩散。对于纱线损伤,冲击背面的纱线损伤主要由纱线的纤维和基体拉伸所导致,冲击正面的纱线损伤主要由纱线的纤维和基体压缩所导致。纱线的拉伸损伤和基体损伤范围更广,且纱线的拉伸损伤和纤维损伤是造成纱线失效的主要原因。

关键词： 三维编织复合材料   双边型混杂   电磁屏蔽   压缩力学性能  

摘要： 三维编织复合材料具有整体空间网状的纤维增强结构,具有高比强度、高损伤容限、抗分层的特性,逐渐成为航空航天、建筑工程、交通运输等领域复合材料新的发展方向之一。同时,随着5G移动网络的蓬勃发展,各种电子设备得到了广泛的应用,但也带来了严重的电磁干扰（Electromagnetic Interference:EMI）和辐射。这些电磁波不仅会对电子系统性能产生不利影响,也会影响人类的身心健康。这就要求三维编织复合材料在逐渐取代传统材料的同时,除了具备优良力学性能外,还需兼具优良的电磁屏蔽性能以满足当代实际应用需求。因此,本论文提出针对三维编织复合材料的阻抗渐变型三明治结构的设计及Fe3O4磁性粒子掺杂的研究,以实现三维编织复合材料的结构-功能一体化。本文采用双边型混杂工艺制备三明治结构预制件,并通过VARTM（真空辅助树脂传递模塑成型）工艺制备了结构-功能一体化的CF/UHMWPEF三维编织复合材料,对复合材料的电磁屏蔽性能和准静态压缩性能进行深入研究。进一步地在环氧树脂体系中掺杂Fe3O4磁性粒子制备Fe3O4/CF/UHMWPEF三维编织复合材料以继续提高电磁屏蔽性能,其研究内容与结果如下:（1）利用双边型混杂三维编织工艺可实现阻抗渐变型三明治结构的构想,以3K碳纤维为第一层材料,以1000D超高分子量聚乙烯纤维为第三层材料,中间层为两者混杂编织,可实现三维编织复合材料的结构-功能一体化。（2）相较于传统铺层复合材料,双边型混杂三维编织复合材料电磁屏蔽吸收效能较高,反射效能较低,在压缩载荷下保有良好的整体性及损伤容限性能。（3）设计出以[3,3]为混杂单元,三种纤维层混杂比例的双边型混杂三维编织复合材料,通过电磁屏蔽性能测试发现,随碳纤维层数的增加,总屏蔽效能（SET）和反射效能（SER）均增加。从抗压缩性能分析,当碳纤维排列层数增加时,试件的载荷峰值增大,脆性特征更为明显。（4）进一步选取了粒径为50 nm,质量分数为10 wt%的Fe3O4磁性粒子进行掺杂,制备出的Fe3O4/CF/UHMWPEF三维编织复合材料可通过介电损耗和磁损耗的共同作用来削减电磁波,在保持纤维层混杂比例一致的前提下,比CF/UHMWPEF具有更高的反射效能（SER）及吸收效能（SEA）。通过准静态压缩测试发现,掺杂Fe3O4粒子后,材料原本的缺陷空隙被填充,载荷峰值几乎不变,屈服现象变得不明显。

关键词： 降阶均匀化   有限元方法   损伤模型   孔隙缺陷   编织复合材料  

摘要： 三维编织复合材料具有高比刚度、高比强度、结构可设计性、耐化学性能等优势,在航空航天、电子、医疗、交通等多领域内得到广泛的应用。然而在制造过程中,不可避免会产生各种制造缺陷,例如孔隙缺陷。这些缺陷成为影响复合材料力学性能的关键因素之一。同时,三维编织复合材料的力学性能也受到其结构复杂性的影响。基于此,本文以含孔隙缺陷三维编织复合材料为研究对象,分别提出了一种结合理论模型和有限元方法的自微观到宏观的多尺度方法以及一种耦合各个层级的高阶三尺度降阶均匀化方法。此外,建立了损伤模型对三维编织复合材料的损伤破坏行为进行研究。 首先,利用Mori-Tanaka方法和扩展双夹杂方法建立理论模型,对含孔隙纤维束的刚度进行预测,讨论孔隙率、孔隙形状、孔隙位置和界面力学性能对纤维束刚度的影响。同时建立纤维束的有限元模型,通过在基体单元中随机选择满足孔隙率的单元并降低其力学性能来模拟孔隙,并分析几何模型和边界条件对有限元计算结果的影响。然后,结合所建立的理论模型和有限元方法,对三维编织复合材料的刚度进行研究。 其次,为了研究三维编织复合材料的损伤行为,以Hashin失效准则作为纤维束的损伤起始判据,最大主应力损伤准则作为基体的损伤起始判据。采用线性损伤演化模型,并根据Murakami-Ohno损伤模型,编写UMAT子程序实现对三维编织复合材料的损伤分析。对Chamis强度模型进行修改以计算含孔隙纤维束的强度。 最后,详细推导高阶三尺度降阶均匀化理论,并在理论的基础上建立多尺度算法,包括初始化、每个宏观尺度积分点的应力更新和后处理三个阶段。本文在ABAQUS中实现三尺度降阶均匀化方法,自行编程实现高阶三尺度降阶均匀化方法。通过有限元直接计算的结果比较,证明编程计算结果的准确性。然后对三维编织复合材料的宏观结构件进行了线弹性和非线性损伤分析。

关键词： 三维编织   编织角   不规则形状芯轴   收敛区纱线模型   模型预测控制算法  

摘要： 三维编织技术是复合材料成型过程中最重要的技术之一,其能够实现异型复合材料预制体的快速、高效、连续生产。通过该技术编织得到的复合材料预制体几何结构对复合材料固件性能有直接影响。现有研究缺少能适用于闭环控制的三维编织模型,因此本文搭建了完整的三维编织实验设备,并提出一种在时间上满足闭环控制要求的三维编织模型,在三维编织实验设备上验证了该模型的精度,利用模型预测控制算法对基于本模型的三维编织过程中的编织角进行闭环控制。 首先提出一种针对弯曲中心线、非轴对称横截面芯轴的建模方法,以及基于该方法的芯轴表面纱线轨迹描述。本文提出的芯轴建模方法结合传统芯轴建模方式和应用于有限元仿真的网格划分法,将不规则形状芯轴建模为多个等截面的多面体相连,并给出基于此方法的芯轴表面纱线沉积判断依据与落点计算方法,描述芯轴表面纱线的轨迹,提升了模型的精度。 然后建立收敛区纱线的动力学模型,分析了芯轴表面纱线的滑移现象并给出了纱线轨迹的修正方法。通过对收敛区纱线的动力学分析,建立该区域的准静态方程组并求解,以获取收敛区纱线的轨迹和受力情况,基于求得的纱线受力情况,分析芯轴表面纱线的滑移现象,对芯轴上纱线与收敛区纱线的轨迹修正,获取准确的编织角。 最后搭建了三维编织实验设备,并基于模型预测控制算法,实现编织角的闭环控制。本文搭建的三维编织实验设备能够根据给定的芯轴形状与编织角期望曲线,自动生成相关的工艺参数,然后根据生成的相关工艺参数进行三维编织与编织角检测;本文分析了实际三维编织过程中编织角的误差来源,利用模型预测算法实现三维编织过程中编织角的闭环控制,仿真结果显示编织角误差明显减小。 本文提出的模型由于加入了收敛区纱线与芯轴表面纱线间的耦合,并对芯轴表面纱线滑移现象进行分析与纱线轨迹修正,模型输出编织角与实验结果的一致性相对于现有模型有明显提升。本文搭建的三维编织实验设备实现了复合材料预制体的自动化制造与编织角检测,同时基于本文模型的三维编织过程中编织角的闭环控制结果显示,当期望编织角变化后,编织角的响应时间与稳定误差在加入模型预测控制算法后得到明显改善。

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关键词： 编织艺术   创作方法   空间表达   美学特征  

摘要： 二十世纪初，德国现代抽象主义艺术家瓦西里·康定斯基在其绘画理论《点、线到面》中提出了绘画空间基本元素的构成理论。其后，德国包豪斯学院教授保罗·克利将绘画基本元素理论应用于纺织专业艺术教学与作品创作中，并强调各基本元素在艺术创作中的应用，并进行了有针对性的艺术实践，为纤维艺术的表现与发展奠定了基础。这无疑萌生了一种新的艺术表达形式，即以传统编织模仿绘画的模式被以构成元素为理论依据进行纤维编织的艺术创作形式所代替，其本质是探索编织与艺术之间新的创作形式。编织是纺织的核心语言，二十世纪中期，“编织”语言的艺术创作受到后现代主义艺术思潮的影响，发生了观念的转向，并拓展了其空间的维度，在解构了传统编织艺术的美学规范的同时，突破传统编织艺术墙面二维空间的表达，在艺术作品的空间维度上产生变化，涌现出脱离墙面的“编织”语言的艺术表现形式。“编织”语言的艺术遵循现代艺术中的空间观念，以编织材料的特性和现代艺术的观念性、叙事性以及对话性呈现出极强的空间特征，其中不断丰富的编织材料和创新的艺术实践推动了“编织”语言的艺术发展在艺术史书写中的新的篇章。　　近三十年来，国内外出现了丰富多样的当代“编织”语言的艺术作品，在它们中的多数并没有完全脱离传统编织的创作方法，只是在结合基本元素理论的基础上，不断地使用新材料在突破传统二维的多维空间中进行艺术创作实践。针对于此，本文在当代艺术理论研究的框架下，理性分析当代“编织”语言艺术不同发展阶段的空间形态、空间表达及运用方法等，对为在多元化当代语境中“编织”语言的艺术创作进行分析与研究，探索“编织”语言在当代艺术中的全新应用与崭新表达的方式，为作为艺术语言的“编织”在当代艺术中的发展提供可能的理论依据。　　本文以“编织”语言在当代艺术中的空间表达作为研究对象，运用文献分析、比较分析、案例分析等方法厘清“编织”艺术语言由纤维艺术发展而来，并在当代艺术不同维度空间中的跨界和延展的发展脉络。文章对传统编织艺术的历史沿革与“编织”艺术语言形式在当代艺术中的演变进行分析和比较，进一步论证作为“编织”语言的点、线、面的基本元素与方法在空间表达中的全新运用。在此基础上，分析“编织”作为艺术语言的空间表达特征，通过案例分析梳理各维度空间形态的不同作品，重点论述“编织”语言在当代艺术空间中的三方面特征：“编织”作为艺术语言在各维度空间中的分割;“编织”语言对空间以及空间中时间的重构与塑造，当代艺术中“编织”语言作品空间中的互动参与。文章在理论研究与案例分析的基础上，对作为艺术语言的“编织”在当代艺术中的发展进行了探索与展望。

关键词： 空间可展开结构   盘绕式空间伸展臂   ADAMS虚拟样机   模态分析  

摘要： 盘绕式空间伸展臂是空间可展开机构的基本种类之一,在空间任务中得到了广泛的应用。国内外目前对伸展臂的研究较为活跃。国外在二十世纪六十年代便已开始对盘绕式空间伸展臂展开研究并成功应用于航天任务。国内的一些学者也在二十世纪九十年代展开了关于盘绕式空间伸展臂的研究,但是截至目前,国内关于盘绕式空间伸展臂的航天应用较少,太空中的微重力环境、真空条件以及在火箭发射时产生的随机振动都是盘绕式空间伸展臂的航天应用需要考虑的问题。本文首先结合了国内外盘绕式空间伸展臂的研究现状和实际应用场景,以及本课题中提出的对伸展臂支撑原子探测仪的需求,然后充分分析不同类型的空间伸展臂性能,最终选择了质量小、折展比大、可靠性以及结构稳定性均较高的拉索展开式盘绕式空间伸展臂方案。最后依据现有的材料性能选择合理的横纵杆连接方案,使用三维辅助设计软件Solidworks对盘绕式空间伸展臂进行了详细的结构设计。盘绕式空间伸展臂由盘绕状态到展开状态的过程中主体材料发生的大变形,力学状态的非线性以及复杂的动力学效应一直都是研究的难点。故本文结合弹性细杆的非线性理论对伸展臂的展开过程进行了详细的描述。文中运用ADAMS对设计的盘绕式空间伸展臂进行虚拟样机的构建以及盘绕仿真,通过仿真分析得到前文的结构设计是合理的,可以满足设计需求;同时对盘绕式空间伸展臂进行了不同内应力下的模态分析和谐响应分析,使用的有限元分析软件为ANSYS Workbench,查看伸展臂的自振频率以及受冲击响应特性。文章中对盘绕式空间伸展臂的研究工作为后续伸展臂的设计研究提供了参考。

关键词： 三维四向编织复合材料   湿热老化   数字图像相关法   ABAQUS模拟  

摘要： 复合材料因其比强度高、比刚度高和比密度低等优良的特性已经应用于航空航天、轮船、战斗机、民用客机、医疗器械和健身器材等各大领域中。三维四向编织复合材料与层合板复合材料、蒙皮加强筋复合材料等传统的复合材料相比力学性能更为稳定、不容易脱粘和分层、层间性能强、抗冲击性能强和损伤容限高等优良特点。三维四向编织复合材料在应用的环境中不可避免受外界环境的湿度和温度的影响,故本次试验首先对试验件进行湿热老化处理。本文设计了两种树脂基体(热固型树脂基体,环氧树脂基体,H;热塑型树脂基体,双马树脂基体,S)和两种编织角度(15度编织角和30度编织角),即H15、H30、S15、S30,的三维四向编织试验件。首先,将试验件在常温、40℃-Soak、70℃-Soak和70℃-Humidity 85%湿热老化条件下分别进行500h、1000h和2000湿热老化处理;其次,将所有湿热老化处理过的试验件在落锤试验机上进行30J低速冲击实验,根据所得到的试验数据绘制试验件的冲击响应曲线,在超声C扫描仪器上进行扫描试验件深度0.15mm处内部损伤,测得试验件在冲击后的内部损伤面积及研究内部损伤扩展过程;然后,将所有冲击后的试验件在万能试验机上进行试验件的轴向压缩试验,同时进行数字图像相关法(DIC)试验,获得试验件的剩余压缩载荷和压缩损伤过程;最后,用UG三维建模软件进行建立三维模型导入至ABAQUS中进行模拟实验,纤维束采用三维Hashin损伤判据,基体采用第一强度理论进行损伤判据,结合试验和模拟结果研究试验件冲击载荷下的失效模式和损伤演化过程。结果表明:在相同基体和编织角度的情况下,温度和湿度越高、湿热老化时间越久,三维四向编织试验件的吸湿率越高、冲击极限载荷越低、冲击后的内部损伤面积越大、剩余压缩载荷越低;在同一编织角度和湿热老化条件下,热固型树脂基三维四向编织试验件的吸湿率比热塑型树脂基三维四向编织试验件的吸湿率高、冲击极限载荷低、内部损伤面小、剩余压缩载荷低;在同一基体和湿热老化条件下,三维四向编织试验件编织角度越大吸湿率越低、冲击极限载荷越低、冲击后的内部损伤面积越大、剩余压缩载荷越低。试验件受冲击的主要失效形式为拉压失效,内部损伤主要是沿纤维束编织方向扩展损伤。试验件压缩的主要失效形式:15度编织角的试验件为屈曲破坏,试验件横向断裂;30的编织角的试验件为剪切破坏,试验件沿编织的方向断裂。

关键词： 编织香草   植物的象征意义   互惠共存   CEA框架   美国印第安文学  

摘要： 当前,可持续发展、气候变化、环境保护等问题受到世界范围的关注。有关人类起源、人类与地球关系的相关论述以及作品得到众多读者的青睐,并在社会层面引起讨论,值得大众深思。此翻译实践报告基于《编织香草》一书中部分章节的翻译。该书的作者作为一名植物学家,她将自己对于科学的理解与作为一名印第安原住民妇女的观点相结合,探讨了自然界内部关系这一主题。作者将口头传说转换成文字编著成书,是对其民族文化的一种传承。该书的译文有助于读者对人类与地球之间的关系产生新的思考。该翻译实践报告基于《编织香草》一书中第一章前三节的内容进行翻译。第一节《天女下凡》反映了原住民对土地本身的态度;《山核桃议会》一节讲述了作者的家族历史,植物之间的交流方式以及一些植物的象征意义;《草莓的礼物》一节进一步阐释了作者互惠共存的价值观,即我们可以把与世界的关系看成是单纯地馈送与接收。基于该文本的写作主题以及非小说类纪实体裁的属性,因此译文要保留故事性和真实性,强调可读性。该翻译实践报告在CEA框架下着重分析翻译过程中涉及到美国印第安文学的重点和难点。翻译重点包括口头故事的转述、原作者的自述和散文的优美表述,难点为这几种不同情绪表达之间的衔接以及如何给出恰当的翻译。翻译时主要采取的翻译方法有直译、意译、增译和转换,力求呈现出最符合目的语环境的译语。

摘要： “来到我的实验室，你一定要保持镇静，做好可能被吓到的心理准备。”作为世界顶尖的蜘蛛网研究专家，美国耶鲁大学进化生态学教授凯瑟琳·克莱格已经习惯了用这句话作为接待客人的开场白。这次接待《动物行为》杂志的记者格利·伯纳德，当然也不例外，让他做好心理准备总比把他吓得瞠目结舌好。来了你就知道，克莱格的实验室的确不一般。这里的每一个角落、每一面墙壁，都垂着巨型呈螺旋状的蜘蛛网，有的垂得很低，就在你的头顶上方。在每张网的中间，都端坐着一只大腹便便而又外形冷酷的大蜘蛛。这里有数百种蜘蛛，有些是黄色的，有些是棕黑色的，