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关键词： Cf/Al复合材料   板件与叶片成型   真空压力浸渗   微观组织特征   静态弯曲试验   失效机理  

摘要： 当前航空发动机大推重比、轻量化的发展趋势,极大提高了低密度、高强度航空材料的需求,三维编织C_f/Al复合材料具有高比强度、比模量和较低质量是比较理想的航空材料之一,具有广阔的发展前景。课题组前期研究了三维编织C_f/Al复合材料不同结构、不同条件下的力学性能,为三维编织C_f/Al复合材料运用于航空发动机风扇静子叶片打下基础,为保证此材料成功运用到静子叶片的制备,还需对三维编织C_f/Al复合材料风扇静子叶片的成型以及成型后叶片实际工况下的力学性能进行试验研究。本文以铸造铝镁合金（ZL301）为基体,M40J碳纤维为增强体材料,结合真空压力浸渗工艺,设计了三维五向编织结构C_f/Al复合材料板件和复合编织结构C_f/Al复合材料风扇静子叶片的成型工艺和模具,成功制备出三维编织C_f/Al复合材料板件和叶片,并测试分析了它们浸渗后的致密度、微观组织、元素组成与分布、物相组成和DR无损检测,然后分别对三维编织C_f/Al复合材料板件进行室温静态两点弯曲试验,叶片进行室温和300℃静态弯曲试验。复合材料板件静态两点弯曲试验采用5个差级（2.5mm、7.5mm、12.5mm、17.5mm、22.5mm）,每个差级保载（保载荷）5分钟的加载方式。复合材料叶片静态弯曲根据叶片性能要求的极限挠度0.3mm,将其分为5个差级（0.06mm、0.12mm、0.18mm、0.24mm、0.3mm）,每个差级保载（保挠度）5分钟最后加载至破坏的加载方式。最后分析它们弯曲性能和失效机制。得到如下结论:根据板件和叶片的结构工艺性,采用底注式方式自下而上的充型制备三维编织C_f/Al复合材料板件和风扇静子叶片,叶片沿叶身背部方向构建分型面,选用石墨材料制备最小壁厚分别为8mm和9mm的三维编织C_f/Al复合材料板件和风扇静子叶片模具,然后通过真空压力浸渗法成功制备三维编织C_f/Al复合材料板件和风扇静子叶片。三维编织C_f/Al复合材料板件和风扇静子叶片致密度分别达到96.31%、98.55%,复合材料板件和叶片除个别部分出现少量的纤维偏聚和微孔外,整体组织均匀致密,结构完整,表现出较好的成型效果。三维五向编织结构C_f/Al复合材料板件室温静态弯曲试验结果为板件静态弯曲强度为259.2MPa,保载期间板件挠度小幅度的变化,同时由板件载荷-时间、载荷-挠度曲线可知,板件在差级2.5～7.5mm之间达到最大载荷,7.5mm之后板件出现卸载破坏现象,曲线呈现“假塑性”特征。板件在夹持端产生破坏,板件受拉侧纤维与基体产生脱粘和分层现象,表面产生裂纹;板件受压侧纤维与基体主要产生挤压剪切破坏,表面产生大量鼓包。板件静态模拟,模拟结果与试验大致吻合,可以相互验证。三维编织C_f/Al复合材料风扇静子叶片静态弯曲试验显示,叶片室温和300℃在达到叶片精度要求的屈服挠度0.2mm的平均屈服应力分别为47.73MPa、68.65MPa,极限挠度0.3mm的平均极限载荷分别为61.98MPa、83.52MPa。叶片室温和300℃的平均弯曲强度分别为716.16MPa、681.84MPa。由叶片静态弯曲载荷-挠度曲线可知,叶片室温和300℃静态弯曲保载期间都会产生小幅度的失载现象,这是保载作用下叶片蠕变产生的效果,但可以发现保载过后曲线仍然呈现线弹性特征,且此阶段叶片300℃较室温同等挠度下的弯曲载荷大,可知叶片具有较好的高温弯曲性能。同时叶片室温和300℃静态弯曲载荷-挠度曲线可以分为线弹性阶段、塑性变形阶段和破坏阶段三个阶段,弹性阶段包括保载阶段。室温和300℃叶片两点弯曲破坏形式呈现出一种“假塑性”特征。三维编织C_f/Al复合材料风扇静子叶片室温和300℃静态弯曲破坏位置在叶片固定端根部圆角处,叶片室温静态弯曲破坏形式是根部圆角在拉应力作用下产生贯穿裂纹,纤维断口齐整,表现出脆性断裂特征。叶片300℃静态弯曲根部圆角断口面积更大,出现基体软化,界面脱粘现象,纤维拔出断裂,断口参差,但结合叶片保载阶段、弯曲强度和载荷挠度曲线可知,叶片室温与300℃弯曲性能相差不大,三维编织C_f/Al复合材料风扇静子叶片具有较好的高温性能。

ISBN: (纸本)9787572513350

ISBN: (纸本)9787572513251

关键词： 硬磁软材料   声子晶体   磁各向异性编码模式   磁场   宽带和多带  

摘要： 声子晶体作为一种周期性复合结构,可以阻挡特定频率范围内的弹性波或声波的传播。声子晶体具有的禁带特性使其在振动降噪、滤波器和声学传感器等领域都有着广泛的应用。带隙的主动调节是目前声子晶体领域的重要问题之一,近年来通过引入智能材料制备声子晶体,然后利用外部刺激来调节其带隙结构是声子晶体带隙调控的重要途径。硬磁软材料是近年来兴起的一种新型磁敏感智能材料,通过3D打印技术将一些硬磁性颗粒(例如钕铁硼颗粒)均匀嵌入硅橡胶基质中制成。在外界磁场的激励下,硬磁软材料由于受到磁力矩的作用进而实现快速、复杂和可编程的三维形状变化。本文通过将硬磁软材料引入声子晶体,采用有限元方法研究了外界磁场对硬磁软材料声子晶体弹性波带隙的调控特征,实现了外界磁场对声子晶体形状的远程驱动以及弹性波带隙的主动调节。本文具体研究内容包括:(1)基于neo-Hookean超弹性模型介绍了硬磁软材料声子晶体弹性波传播的理论基础和控制方程。采用3D打印技术制备了硬磁软材料样本,通过带有自制双剪切试验夹具的通用材料试验机测量了硬磁软材料样本的剪切应力-应变曲线,并根据曲线计算了该样本的剪切模量。其次,采用振动样品磁力计测量了硬磁软材料样本的磁滞回线进而得到了样本的磁化强度。这些基础工作的开展为硬磁软材料声子晶体磁控变形和能带结构的计算打下了基础。(2)研究了二维周期多孔硬磁软材料声子晶体在外加磁场作用下的弹性波带隙特性。建立了具有不同磁各向异性编码的硬磁软材料声子晶体有限元模型,讨论了磁场、结构厚度、结构孔隙率和不同磁各向异性编码模式对带隙结构的影响。数值结果表明:通过施加外部磁场来调整硬磁软材料声子晶体的起始频率、截止频率和带隙宽度是非常有效的。外加磁场可以调节硬磁软材料声子晶体带隙的产生和闭合。不同的磁各向异性编码模式对带隙的数量和带隙的临界磁场有显著影响,带隙的数量和带隙的临界磁场显著依赖于磁各向异性模式编码的复杂程度,编码模式III具有更多的带隙数量以及更大的带隙临界磁场。此外,研究还发现结构的厚度和孔隙率也对二维周期多孔硬磁软材料声子晶体的带隙调控有着重要影响。(3)建立了具有正弦韧带形状的可编码软晶格声子晶体结构,分析了磁场、韧带波峰数量以及外加机械载荷对带隙结构的影响。结果表明,相比于二维周期多孔硬磁软材料声子晶体,正弦韧带可编码软晶格声子晶体具有更加明显的宽带和多带,该结构在最大带隙宽度和带隙数量上都要优于二维周期多孔结构。外加磁场可以使直韧带变形为正弦韧带,并能有效打开新带隙;并且韧带上的波峰数量对弹性波带隙的位置和带隙宽度有明显的调控作用导致宽带和多带特征。改变该结构的磁编码模式可以分别实现对低频宽带和高频宽带的主动调节,编码模式III和IV可以有效调节低频宽带,编码模式V和VI则可以有效调节高频宽带。在此章节,作者还讨论了能够有效诱导出低频宽带和高频多带的结构磁各向异性编码模式;研究了磁场-机械力对正弦韧带可编码软晶格声子晶体弹性波带隙的联合调控作用,机械载荷能够使结构产生新的变形模式分支,并且带隙的可调频率范围显著增大,展示出了广泛的带隙可调谐性。(4)建立了硬磁软材料三维声子晶体模型,开展了硬磁软材料三维声子晶体的弹性波带隙调控研究。研究结果表明,在外界磁场的激励下,硬磁软材料三维声子晶体可以实现低频带隙和高频带隙的同时调节,带隙频率能够尽可能占据整个色散区域,带隙调节能力相比于硬磁软材料二维声子晶体更为突出。单向磁场可以使硬磁软材料三维声子晶体带隙频率降低,带隙向下移动,而双向磁场的应用则可以有效打开硬磁软材料三维声子晶体的低频带隙。此外,通过改变三维声子晶体的磁各向异性编码模式,其低频带隙的带隙宽度也明显增大。

关键词： 有限应变板理论   多层软材料板   解析研究   渐近分析   数值计算  

摘要： 多层板状生物软组织的生长变形在自然界中广泛存在,如动物皮肤、植物叶片和器官的生长发育等,其可以实现一些复杂的生物功能。在工程领域,由于多层板状软材料结构具有制备简单、稳定性好、生长（膨胀、收缩等）变形大且容易控制等优点,已被广泛应用于智能器件的结构设计。在生长过程中,软材料样品往往呈现出丰富有趣的整体构型变化和表面形貌演化。为了深刻认识引起这些现象的潜在机制,研究人员从生物、医学、物理等不同领域开展了系统的研究。随着研究的深入,人们发现生长过程中外观形貌特征的形成和演化（如大变形、整体和局部屈曲等）与力学因素紧密相关。从力学角度开展多层板状软材料样品的生长变形研究,不仅可以揭示力学响应的潜在机制、预测外观形貌的演化方向,而且可以实现多层软材料智能器件生长变形的精确控制,具有重要的现实意义和应用价值。基于此,本文对多层板状软材料样品的生长变形开展了系统的研究。取得的创新性研究成果如下: 1)建立了包含生长的一般多层有限应变板理论。首先,从板的总能量泛函出发,分别计算其对各独立变量的变分,建立了多层板样品所满足的三维控制方程组。为了推导二维向量板方程,引入了级数展开与截断的方法对三维控制方程组降维。通过求解代数方程组,导出了各层未知量的迭代关系。进一步考虑上表面边界条件,推导了二维向量板方程。板方程的渐近精度可以达到O（h2）,适合用于研究多层软材料板生长过程中的力学响应。最后,为了完善板方程系统,在板的侧面提出了相应的位移、载荷和弯矩边界条件。 2)针对典型多层板状软材料样品的生长变形,开展了系统的解析研究。首先,利用微分几何理论,推导并求解了多层板平面应变生长变形的板方程。通过研究一些典型示例,评估了解析解的有效性,讨论了材料参数和几何参数对双层板生长过程中力学响应的影响。然后,基于线性分岔分析,研究了三层板（平面应变）生长诱导不稳定性,揭示了临界生长量与屈曲模态、材料参数和几何参数之间的关系。最后,通过提出生长函数和位移分量所满足的渐近阶次,分析了双层圆盘轴对称约束生长变形的构型演化。 3)研究了典型多层板状软材料样品的形状控制问题。首先,对于双层板的平面应变和轴对称生长变形,推导了用于形状控制的解析公式。通过数值模拟可以发现,由解析公式确定的生长函数可以使双层板样品准确地生长为三维目标构型。进一步地,分析了层数对多层板形状控制的影响。随着层数的增加,可以发现生长构型中残余应力的最大值显著降低。 4)建立了包含生长的渐近简化有限应变板理论。首先从单层板理论出发,系统地研究了有限应变板理论的简化方法。基于渐近分析,构建了包含生长的渐近简化单层有限应变板理论并推导了弱形式。采用类似的方法,通过指定生长函数和表面载荷的渐近阶次,本文对完整形式的多层板方程开展了系统的渐近分析,确定了各项的渐近阶。通过忽略高阶项,建立了包含生长的渐近简化多层有限应变板理论。为了方便开展数值计算,进一步推导了简化多层板方程的弱形式和约束方程。由渐近分析可以发现,简化有限应变板理论对不同量级的生长函数和表面载荷均具有广泛有效性。 5)将板方程的弱形式植入有限元计算软件,实现了渐近简化有限应变板理论的数值计算。通过研究一些板状软材料样品生长变形的典型示例并与三维模型进行对比,可以发现简化二维板理论不仅具有较高的准确性,而且在计算效率、收敛速度和稳定性等方面也具有明显优势。

摘要： 近日，在瓯越大地上，由中建七局交通公司参建的金丽温高速公路东延线项目，较批复工期提前5个月建成通车，项目通车将进一步缓解温州城区东西部之间的交通压力，为即将到来的亚运会提供保障。金丽温高速公路东延线项目是温州市“两纵两横两连一绕”高速路网络中“一横”的重要组成部分，起点位于温州市瓯海区南白象枢纽温瑞大道西侧顺接金丽温高速公路，路线向东经过瓯海区、生态园、龙湾区、温州湾新区，终点为新设温州机场枢纽互通，与甬台温高速公路复线相接，

关键词： 芳纶绳   涂层改性   深冷处理   耐磨性能   力学性能  

摘要： 随着高轻量化结构材料的需求日益上涨,高性能编织绳在航空航天、船舶海洋和救援防护等领域占有重要地位。Kevlar纤维因其突出的高强质轻和热稳定性的特点成为高性能纤维绳的优选材料,并且在相当宽广的范围内逐渐取代钢丝绳成为轻量化承重构件。由于Kevlar分子链横向由氢键相接,分子层间剪切力相对较弱,在工程应用中十分容易发生磨损降低使用寿命,严重限制了芳纶绳在高端工程应用领域的发展。本文通过传统涂层方法和新型深冷处理技术对芳纶绳进行耐磨性能改性研究,对芳纶绳两种处理前后的摩擦磨损性能和力学性能进行评价。 （1）首先通过调整编织参数使制备的芳纶绳获得优异的综合力学性能和适用性。分别探究不同编织角（15°、25°、35°）对芳纶绳的力学性能、耐磨性能和弯曲性能的影响,结合断裂强力、最大摩擦断裂次数和弯曲刚度确定后续实验芳纶绳的编织参数和工艺。研究结果表明:随着编织角的增大,断裂强力和最大摩擦断裂次数呈下降趋势,而伸长率和弯曲刚度逐渐增大;而编织角过小的芳纶绳股纱呈现松散状且抱合性差,难以维持良好的编织结构形态,在实际应用中带来诸多不便。当编织角为25°时,芳纶绳的断裂强度为10.78 c N/dtex,在80 N作用下可经历280.6次往复摩擦,弯曲刚度为11.53 c N·cm2,既保持了编织绳良好的编织结构形态、强力和柔韧性,又获得较优异的摩擦磨损性能。 （2）其次,对编织角为25°的芳纶绳进行传统涂层耐磨改性。采用硫酸对芳纶绳表面进行预处理,以改善芳纶绳与树脂涂层的界面粘接性能,通过对比不同硫酸浓度改性处理后芳纶绳的力学性能和表面粗糙程度,对使用的硫酸浓度进行优化选择。测试结果显示:在25℃下采用15%硫酸对芳纶绳浸渍1 h后,其强度保持率为89.03%,伸长率仅损失8.72%,且表面具有了一定的粗糙度。通过对不同浓度涂层的涂覆均匀性及附着力进行评估,最终选用30wt%水性聚氨酯（WPU）、14wt%聚四氟乙烯（PTFE）和14wt%氟碳（FEVE）三种常用树脂涂层,在保持相近附着率29%的前提下分别对芳纶绳进行涂覆。 （3）采用转鼓摩擦和绞线摩擦测试三种涂层处理前后的芳纶绳摩擦磨损性能,并通过摩擦断裂次数、磨损率和强度保持率对芳纶绳摩擦磨损性能进行表征,同时结合磨损形貌对涂层改性处理后芳纶绳的抗磨损性能进行评价。实验结果表明:在两种摩擦测试下,由于FEVE涂层在摩擦过程中快速形成光滑连续的转移膜,从而有效减小摩擦阻力,使芳纶绳获得了较优异的抗磨损性能。其耐磨性分别提高了338.70%和183.77%,磨损率降低了74.92%和87.08%。在相同摩擦次数下的强度保持率分别提高了170.12%和70.87%。 （4）最后,采用深冷处理技术对芳纶绳进行骤冷处理（-185℃）,通过探究不同低温处理时间（1 h、6 h、12 h）对芳纶绳力学性能和耐磨性能的影响,结合扫描电镜（SEM）表观形貌图分析改性机理。实验结果表明:当处理6 h时,初始模量普遍增大,芳纶绳断裂强度提高了3.28%,耐磨性分别提高了50.11%（转鼓摩擦）和32.51%（绞线摩擦）。经过相同的摩擦次数后,强度保持率从20.87%提升至34.65%,从56.50%提升至66.02%。 综合本文研究结果发现,深冷处理不仅有效提高芳纶绳的耐磨性能,同时对力学性能也有一定的积极改善作用。与传统涂层改性处理方式相比,深冷处理操作简单且绿色环保,为芳纶编织绳耐磨改性研究提供了新的思路和方法。

ISBN: (纸本)9787572512759

关键词： 三维编织   压电复合材料   振动主动控制   最优控制  

摘要： 复合材料在振动环境中有着巨大应用前景,例如大型船体的颠簸、无人机机翼的颤振、振动能量收集装置等,三维编织复合材料作为一种先进的材料体系已经发展到应用于航空航天、汽车、海洋和生物医学等领域,实现了广泛的应用。振动不仅降低了复合材料结构的力学性能,而且还会造成结构的疲劳破坏,导致安全和经济问题。振动现象在工业生产、航空航天、精密加工和生产生活上产生了巨大的负面影响,有效地控制复合材料的振动具有重要意义。本文分析了三维编织复合材料力学性能,建立了一种三维编织复合材料振动主动控制模型,分析了三维编织复合材料工艺参数和温度对振动主动控制的影响,使振动带来的不利影响最小化。全文主要研究内容如下:(1)采用玻璃纤维和环氧树脂分别作为三维编织复合材料的纤维和基体部分,设计了一种三维编织复合材料,分析了三维编织复合材料编织过程中纤维纱线的运动轨迹,得到了其内部几何结构,使用软件Solid Works对纤维形态进行拟合,建立了微观代表性体积单元模型。使用软件Abaqus对该模型划分网格并施加边界条件,预测了其力学性能。对不同编织角度和不同体积分数这两种工艺参数的三维编织复合材料进行模拟仿真,得到了其力学性能。(2)将压电陶瓷结构作为传感器和驱动器集成到三维编织复合材料梁的表面,分析了压电效应与压电方程,建立了一种三维编织复合材料悬臂梁振动主动控制模型。基于Euler-Bernoulli梁理论进行建模,分析了压电陶瓷驱动器和传感器对梁的作用,推导出了梁的控制方程和空间状态方程。通过软件Matlab/Simulink模拟仿真了振动主动控制过程,采用线性二次型最优控制(LQR)方法进行控制,分析了不同加权矩阵Q和R对控制时间和驱动器电压的影响,并采用遗传算法(GA)选择了LQR方法中的加权矩阵,优化了振动主动控制效果。采用遗传算法优化后的LQR方法进行振动主动控制,分析了三维编织复合材料的编织角和纤维体积分数对梁模型的振动主动控制的影响效果。(3)研究了三维编织复合材料梁的热-力耦合下的振动主动控制问题。分析了温度对三维编织复合材料的性能影响,预测了不同编织角度和不同体积分数的三维编织复合材料在不同温度下的力学性能,分析了温度对三维编织复合材料梁振动行为的影响,建立了热-力耦合下的三维编织复合材料梁的振动控制方程,研究了热-力耦合下不同编织角度和不同体积分数的三维编织复合材料梁的振动主动控制。

关键词： 三维编织复合材料   随机效应   弹性常数   强度   有限元法  

摘要： 三维编织复合材料突破了传统复合材料层合板结构的概念,在提高层间及层内强度、抗冲击和损伤容限等方面具有巨大的优势和潜力。然而,三维编织复合材料实际制造过程中纤维束交织构造复杂,且常常由于环境中的杂质、工艺实施不完善等因素,造成最终制品中存在一定缺陷,给其力学行为分析带来了很大难度。因此,正确评价考虑细观随机效应的编织复合材料结构强度、损伤演化规律及材料的可靠性,对提升编织复合材料在航空航天领域服役的实用性和可靠性具有重要意义。本文首先基于随机理论建立了考虑纱线随机挤压效应的纤维束和三维编织复合材料弹性常数理论计算模型。该模型的一个基本优点是,预测弹性特性时不需要精确地描述增强体的细观特征。作为输入数据的唯一基本特征是纤维束随机特征参数的均值和标准差。其次,基于该理论模型结合有限元方法研究了纱线三种随机效应(纤维随机路径波动、纤维束截面随机放缩和纤维束截面随机扭转)对三维编织复合材料等效弹性常数的影响以及在基于随机效应下,研究了编织角变化对材料随机弹性响应的敏感性。再次,基于纱线细观随机效应影响下,研究了三维编织复合材料组分材料弹性常数对材料随机等效弹性常数的敏感性。结果表明,三维编织复合材料细观随机特征参数对材料随机等效弹性常数的影响程度与编织角和组分材料弹性性能密切相关。最后,基于纱线细观随机效应影响下,研究了结构随机效应对三维编织复合材料结构强度和应力分布的影响,结果表明,三维编织复合材料细观随机特征参数对结构强度具有一定影响,细观随机性对强度的影响程度同样与编织角密切相关。