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关键词： 平纹编织复合材料   神经网络   失效包络线   疲劳寿命  

摘要： 复合材料因其优异的比强度、比刚度和耐疲劳性,在航空航天、汽车工业等领域的应用日益广泛。然而,平纹编织复合材料在实际工程环境中常面临复杂的多轴载荷工况,导致其多轴静强度和疲劳性能预测十分复杂,现有方法难以精准预测其服役寿命。为了提高预测精度并解决试验数据不足问题,本文开展了以下研究: 进行了平纹编织复合材料管状试件的拉-扭、压-扭多轴静态与疲劳实验,得到了试件多轴静载荷和多轴疲劳下的应力应变数据,明确了扭转载荷对轴向拉伸强度的降低作用,以及适当压缩载荷可增强剪切强度的规律;实验还揭示了拉-扭载荷作用下经纱纤维拉伸断裂和纬纤维剪切拔出的主要失效模式,压-扭载荷则以螺旋裂纹扩展和界面脱粘为主。 基于平纹编织复合材料管状试件的多轴静态载荷试验数据,提出了一种融合物理约束的BP神经网络模型,以准确预测多轴静态失效包络线;模型有效捕捉了材料在不同应力路径下的非线性损伤特性,预测精度显著优于传统的Tsai-Wu失效准则。 针对疲劳试验数据量有限的挑战,基于平纹编织和材料管状试件的多轴疲劳数据,引入循环生成对抗网络(cGAN)进行数据增强,并构建了神经网络多轴疲劳寿命预测模型。结果表明,经过数据增强后的神经网络模型在疲劳寿命预测的准确性、稳定性和泛化能力方面明显优于传统神经网络方法。

关键词： 绝缘拉杆   机械应力   复合材料   击穿强度  

摘要： 绝缘拉杆的作用是在断路器接地部分与高电位部分之间完成动力传递,GIS断路器通过其实现电气连接的开断。绝缘拉杆在运行过程中需要承受快速开断的载荷冲击与高断口恢复电压的双重作用。随着电力系统电压等级不断提高,对电力设备的稳定性与可靠性提出更高的要求,绝缘拉杆面对的工作场景更加苛刻,对作为拉杆主体材料的玻璃纤维环氧树脂复合材料的综合性能提出更高要求。本文针对编织玻纤环氧树脂复合材料的力学性能分析、损伤演化和绝缘性能展开研究,在此基础上进一步研究材料机械损伤与绝缘性能演化的关系,为绝缘拉杆设计制造和运维提供参考。本文具体研究工作如下: 基于纤维增强塑料力学性能试验方法,对编织玻璃纤维环氧树脂复合材料进行了轴向拉伸、三点弯曲及面内压缩试验,分析编织复合材料的力学性能与损伤形式。通过试验结果求解得到材料的弹性性能参数。为数值分析模型验证以及损伤分析提供参考。 建立编织玻纤环氧树脂复合材料细观结构分析模型,为模型添加周期性边界条件,通过模型有限元分析预测材料的各向弹性性能及泊松比,同时考虑材料的应变率效应,引入动态增强因子来表征材料的应变率效应,研究加载速率对材料的应力-应变响应的影响规律。并研究了纤维束参数化对材料力学性能的影响规律,完成基于编织复合材料细观模型的材料力学性能的研究。 基于玻璃纤维环氧树脂复合材料,根据纤维束及基体材料的本构方程与损伤本构方程,引入不同组分材料的失效准则及损伤演化准则,由此建立材料损伤分析UMAT子程序,利用Abaqus研究代表性体积单元的损伤演化机理,分析编织复合材料在施加拉伸载荷后的细观损伤行为,根据分析结果得到材料的应力、应变关系,并与材料拉伸试验结果进行对比,对损伤分析模型的准确性加以验证。 通过对不同参数规格的材料进行击穿试验,研究材料参数对材料击穿强度的影响,并对材料进行施加压缩应力的预处理,探究材料的损伤程度对击穿强度的影响规律。建立编织玻璃纤维环氧树脂复合材料编织单胞的电场分析模型,计算在工频电压作用下,编织单胞基体和内部纤维基体界面处存在缺陷等情况时的电场分布,研究材料在机械应力导致内部损伤的情况下材料内部电场的畸变程度,解释了材料内部缺陷导致绝缘水平下降的原因,揭示了机械损伤程度与材料绝缘性能的之间的关系。

摘要： 服装缝制工艺属于服装生产的灵魂，是服装行业核心技术之一，其将设计图纸给出的平面方案转化为服装实体。服装缝制工艺的整体应用效果不仅会对服装质量、外观美观度以及穿着舒适性产生直接影响，还会一定程度上决定服装生产企业的市场竞争力。新时期，服装行业进入转型升级阶段，要求设计师充分掌握各类基础知识，熟悉服装缝制工艺的实际发展情况，推动服装企业提高生产能力，以满足消费者日益复杂的需求。

关键词： 航空液压编织软管   有限元建模   振动分析   疲劳损伤   振动试验  

摘要： 航空液压编织软管组件是一种由聚四氟乙烯内管、钢丝编织增强层及连接件组成的高性能柔性软管,是飞机液压系统的重要组成部分。现代航空发动机可靠性和寿命的不断提高,对工作在恶劣环境下的外部管路的可靠性和寿命提出了更高的要求,常见工况下外界载荷的激励振动对软管组件正常服役的影响便是重点关注的方面之一,为了分析软管组件的振动特性及其对疲劳寿命的影响,本文开展了航空液压编织软管组件的振动特性及疲劳研究,主要研究内容如下: (1)基于等效梁模型,对钢丝截面进行等效,通过参数方程控制运动轨迹进行建模,提高编织软管的实体建模精度。通过Solidworks和ANSYS Workbench软件,结合材料属性,建立软管组件的参数化结构及有限元分析模型; (2)结合已建立的编织软管组件有限元模型,对软管组件进行模态分析,分析结构的各阶模态振型;开展结构正弦振动及随机振动仿真分析,得到其振动响应特性;依据三区间法计算探究编织软管组件危险点的疲劳损伤; (3)继续沿着前面的振动仿真分析,改变软管组件的长度、壁厚及压力,研究不同规格参数下对编织软管组件振动特性的影响机制,通过多规格参数对比分析,探究不同参数对编织软管组件的振动影响规律,并计算探究各参数下的疲劳损伤; (4)开展编织软管组件模态试验和随机振动研究,得到试验数据,将数据处理,并通过与仿真分析结果进行对比,验证本文编织软管组件有限元模型构建及有限元仿真的准确性和合理性。

摘要： ~~

关键词： 创意项目式学习   儿童   生活经验  

摘要： 21世纪,教育正经历着深刻的变革,其核心已从单纯的知识灌输转向全面素养的培育。生活经验教学作为一种创新模式,强调将学习根植于真实世界情境中,通过创意项目式学习,为学生搭建起一座连接理论与实践的桥梁。基于儿童生活经验的创意项目式学习实践研究提出五大策略,旨在深度挖掘儿童潜能,培养其创造力与批判性思维,锻造其问题解决能力。

关键词： 丽宅东园   现代化转译   编织学   古典园林复原  

摘要： 中国古典园林作为中华传统文化的瑰宝,其艺术成就举世闻名。然而随着历史变迁,众多名园已湮没无存,其传承与发展面临严峻挑战。本文以明代南京丽宅东园为研究对象,运用编织理论,探索中国古典园林现代化转译的设计方法。 首先,基于丽宅东园的直接文献记载,结合园林绘画和地方志等史料,对其建筑、叠石、植物、理水四要素的形制与布局进行系统分析,构建模型,为后续编织化实验奠定空间基础。进而,从编织理论出发,系统分析园林四要素与编织物的内在关联,论证编织理论应用于园林现代化转译的可行性,并提出形式与材料的双重编织化策略。形式策略着重提取园林要素的线性结构特征,通过层叠、扭转和交织等手法生成具有编织特质的现代形态;材料策略则在保留传统材料文化内涵的基础上,创新性地运用现代材料进行替代。基于上述策略,对丽宅东园各要素分别开展形式编织实验,最终构建叠石编织模型83个、建筑编织模型33个、植物编织模型24个。对于造型工艺过于复杂难以实现以及与空间搭配不和谐突兀的造型加以舍弃,留取适宜造型依据材料策略对其进行材质实验,以搭建完整的编织化丽宅东园空间模型。最后,回归园林空间本体,对转译后的丽宅东园进行空间分析,重点探讨其空间层次组织、节奏变化及意境营造手法。 本研究探索中国古典园林传承新方式,论证编织理论在中国古典园林现代化转译设计中的可行性。转译成果既保留中国古典园林的艺术特色与文化底蕴,维系传统美学韵律,又创造出多样化的现代演绎形式,为古典园林的现代化转译设计提供可靠的理论视角与实践路径。

关键词： 高温超导电缆   临界电流   编织REBCO带材   交流损耗   H算法  

摘要： 高温超导电缆凭借其体积小、高载流电流能力,在城市电网扩容、新能源发电等大电流传输场景中起着重要的作用。高温超导带材的不同缠绕方式形成了多种电缆结构。传统层状结构高温超导电缆有圆芯式超导通电电缆(CORC)、扭曲堆叠电缆(TSTC),Robel电缆等。以上电缆在设计时,超导带的内层和外层之间是不同的。在载流运行时,由于REBCO带材临界电流密度对磁场幅值及方向的强各向异性,导致电缆不同绕制层间呈现出显著的非均匀电磁特性。 本文提出了一种由REBCO带编织的具有换位功能的新型高温超导电缆。这种电缆在设计时采用了一种新的编织方法,使多根REBCO带材在绕制的过程中不断进行换位,在圆柱形铜骨架上以顺时针或逆时针方向交替绕制不同的超导带材。该绕制方法得到的超导电缆结构中,超导带不断进行换位,始终不存在内外层之分。同时该结构具有高度对称性,从而使其呈现各向同性。 本文首先介绍了编织电缆的具体设计结构,详细阐述了超导带材的具体绕制方案,同时为了体现该结构的优越性,设计了相同带材数量,相同缠绕角的CORC高温超导电缆进行对比。同时还对电缆骨架的选择进行了说明。 接着介绍了用于计算超导材料特性电磁性质的H算法和T-A算法,并根据编织电缆的复杂结构选择了三维模型下的H算法,建立了编织电缆和CORC电缆三维模型,并对网格剖分进行了说明。 最后对基于带材编织的具有换位功能的高温超导电缆进行电磁特性以及交流损耗的分析。介绍了四引线法的原理并对单根超导带材进行了临界电流的测量。同时介绍了快速求解高温超导电缆临界电流的自洽模型,仿真求解得到编织电缆的临界电流高于CORC电缆,临界电流提高率约为8.81%。仿真计算了不同幅值传输电流大小和不同时刻的编织高温超导电缆的磁场分布,研究表明:编织电缆的磁场分布均匀,磁场分布以骨架圆心为中心呈对称分布。对比了两种结构电缆的交流损耗,研究发现基于带材编织具有换位功能的高温超导电缆具有更小的交流损耗,验证了该结构相比于CORC高温超导电缆的合理性与优越性。 论文的研究内容表明由REBCO带编织的具有换位功能的新型高温超导电缆可以提高临界电流,降低交流损耗。证实了该电缆结构的正确性和合理性,为后续新型电缆带材的绕制方案提供了思路及参考。

关键词： 三维编织复合材料   虚拟纤维   模型构建   高速冲击   有限元分析   损伤失效机理  

摘要： 三维编织复合材料(3D braided composites,3DBCs)具有优异的抗冲击韧性以及抗疲劳断裂性能,在交通运输、航空航天等领域有着非常广泛的应用。由于其内部结构复杂,在冲击载荷下会出现局部纤维屈曲、断裂和横截面变形等问题,通过实验方法和传统实体纱线模型难以表征编织物微观变形行为。因此,本研究通过建立离散方法的三维编织虚拟纤维模型,用以在准纤维尺度上表征编织结构复合材料的动态压缩行为。 本文首先分析了四步法编织纱线运动规律,使用python编程拟合纱线运动轨迹,并在ABAQUS RSG和FOX GUI环境开发了一个用户友好型插件——Braidtools,实现了三维编织虚拟纤维和实体纱线模型的快速构建。采用插件构建30°编织角的预制体模型(1258根虚拟纤维),计算机耗时仅为168s。相比于传统建模方法,其在速度和效率上大幅度提升。 其次,使用插件生成的模型构建虚拟纤维嵌入式(Virtual Fiber Embedded,VFE)复合材料模型,用于研究其冲击压缩性能,并通过与实验结果对比验证该方法的准确性。冲击结果表明VFE模型与实验压缩曲线中应力偏差低于10%。VFE模型纱线横截面的最大偏心率为0.318,与实心纱线相比提高194%,并与实验结果保持一致。 随后,基于VFE模型,进一步分析了三维编织复合材料在面内及面外冲击载荷下编织角度对材料压缩行为和渐进损伤的影响。面外冲击结果表明,随着编织角增大,复合材料的模量、强度和初始损伤时间均呈良性变化趋势。损伤主要以“X”型剪切带主导,失效模式逐步由剪切破坏变为压缩破坏。编织路径上的应力分布表明,小编织角(20°)试样,内部纱线起主导承载作用,而在大编织角(40°)时为内部纱线与表面纱线作用相当。40°试样纱线扭转角度及纱线横截面畸变率较低,减少了纱线局部应力集中现象的发生。 面内冲击结果表明,随着编织角逐渐增大,复合材料的模量和强度分别下降46%和36%,对编织角变化更敏感。冲击损伤以横向裂纹网络化扩展为主(纤维屈曲占比更高)。40°纱线路径应力波动更大(420Mpa),这是由于内部纱线的频繁交织状态导致的。此外,20°试样纱线以单轴压缩为主导作用,纤维束表现出典型的轴向应力集中效应,诱发纤维脆性断裂与非连续性错位。40°试样纱线因横向应力传递效率高、局部屈曲波长更长,从而延缓了断裂发生。

关键词： 应变硬化   冲击硬化   微凝胶   微相分离   π-π相互作用  

摘要： 传统高分子材料的力学性能单一,其模量及拉伸性等基本力学参数通常由其聚集态结构或化学结构固定化。然而,材料常面临动态变化的力学环境(如温度波动、机械载荷变化、振动冲击等),这使得传统材料的单一力学性能难以满足多任务场景下的功能需求。生物软组能够主动灵活地调节和切换其刚度和柔性,可实现与环境动态适配的力学优化。聚合物分子链的熵弹性展开-取向过程虽能复现类似生物组织的应变硬化特性,但由化学交联点间分子链长决定的构象熵大小与取向程度存在矛盾关系,导致聚合物体系的硬化倍率较低。本论文提出了在高构象熵的分子网络中约束或冻结部分链段的策略,构筑具有软-硬分相结构的聚合物网络,通过软相和硬相产生的梯度依次力学响应实现了其应变响应硬化性能,探究了材料的微观和宏观结构与其力学性能之间的构效关系。对于冲击频率响应型硬化材料,本论文基于热力学框架研究了分子间作用力-频率-储能模量间的作用关系,探究了侧链长度、分子量及单体比例对复合体系硬化性能的调控规律。具体研究内容如下: (1)为实现基于软-硬分相结构制备应变响应型硬化材料,采用图案化技术构建了毫米级尺度的软-硬分相复合水凝胶。以高交联密度的聚丙烯酸(PAAc)作为硬相构筑单元,通过互穿拓扑缠结对聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶分子链进行选择性约束。探究了软硬分相的组分,硬相单元的几何排列方式以及尺寸大小对复合水凝胶的力学性能影响。通过调控硬相单元的排列方式,改变了复合结构中的应力分布特征,获得了远超其单一组分的力学性能。优化后的复合水凝胶其断裂强度为1.20 MPa、杨氏模量为136.5 kPa及模量增强倍数为28倍。此外,聚电解质PAAc硬相单元可解离产生载流离子,在不需要添加其它导电介质的前提下实现了复合水凝胶的导电性能,进而实现以电阻变化为信号的应变响应监测能力。与均相导电水凝胶相比,分相结构具有电学增益效果,其灵敏系数(GF)值在0~100%应变范围内可以达到1.75。 (2)为了在聚合物网络中构建具有三维空间分布的软-硬分相结构,采用反相乳液聚合制备了聚丙烯酸钠(PAAS)微凝胶并将其作为硬相构筑单元,通过更为简单的一步复合方式构建了微米级尺度的分相复合体系。同样,聚电解质水凝胶微球作为限域空间诱导了基体分子链的自身缠结以及形成互穿网络实现了对基体分子链的约束。与图案化技术制备的软硬分相复合水凝胶相比,微凝胶复合方式制备的分相复合水凝胶具有各向同性的力学性能。微凝胶作为宏观物理交联剂提高了PAAm基体交联位点的链密度,实现了力学性能的强化。另外,PAAS聚电解质微凝胶也可以通过其分子链上可电离基团的解离赋予复合水凝胶导电性能。微凝胶复合的水凝胶的电学增益效果更为显著,在0~100%应变范围内GF值可以达到2.98。 (3)为进一步提升应变响应硬化材料的硬化倍数,需协同软-硬分相结构设计与分子网络均质化调控。采用可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT)构建了ABA型三嵌段分子链结构,通过调控各嵌段单元的聚合度,制备了以聚苯乙烯(PS)嵌段为硬相及2-(2-乙氧基乙氧基)乙基丙烯酸酯(PDEEA)嵌段为软相的纳米尺度分相复合体系。基于微相分离形成的PS微畴结构可作为宏观物理交联剂形成三维交联网络,同时提升基体网络交联位点的链段密度。通过受限分子链产生的高应力传递效率促使高分子链在拉伸过程中能够快速取向排列,从而实现了应变硬化的模量自适应力学性能。而这种非线性力学行为也有效平衡了高强度与低模量之间的矛盾关系。优化后的嵌段弹性体具有2.9 MPa的断裂强度,141 kPa的杨氏模量以及56倍的模量增幅倍数。另外,PDEEA嵌段中的醚氧基团可通过离子-偶极配位作用与双(三氟甲烷磺基)亚胺锂(Li TFSI)中的锂离子结合,并提供了离子传输通道,平衡了传统离子弹性体电导率与强度之间的性能矛盾,可进一步拓宽柔性导电弹性体的应用场景。 (4)基于热力学框架,研究了频率响应型硬化材料的硬化能力与其相互作用力的|ΔH|和|ΔS|的关联性,发现相对较弱且定向的非键相互作用力更有利于构筑高硬化倍数的频率响应型硬化材料。因此,以π-π非共价相互作用力设计和制备了频率响应型硬化材料,通过引入具有柔性长侧链的2-(2-乙氧基乙氧基)乙基丙烯酸酯(DEEA)与刚性苯乙烯(St)分子构建共聚物体系,柔性长侧链有效减弱了苯环之间的作用力。同时,柔性长侧链的存在提升了共聚物链段的弛豫能力促进了链段快速响应。最终实现了PS-PDEEA共聚物的频率响应硬化能力,其储能模量的增幅从0.1 Hz到100 Hz的频率范围内超过了1800倍。另外,利用静电感应原理设计了基于PS-PDEEA共聚物的智能频率响应型硬化材料,探索了防护材料的主动感知与自适应响应的智能化防护。