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摘要： 近日，由通用技术中国纺织科学研究院有限公司完成的变截面变厚度复杂形状三维编织预制件工艺技术开发项目荣获中国复合材料学会“2023年度全国运载领域复合材料创新技术奖”三等奖。三维编织复合材料是以纤维或纱线空间交错编织的预制件为基础，通过浸渍、固化等工艺将树脂基体与纤维增强体相结合形成的一种高性能复合材料，具有纤维连续、性能优异、结构一体性和可设计性强等诸多优点，在轨道交通、安全防护等国家相关领域广泛应用。此前，异形编织复合材料加工过程主要为预先制备合适尺寸等截面复合材料，

关键词： 盘绕型   亥姆霍兹腔   多胞元耦合   吸声性能   隔声性能  

摘要： 船舶低频噪声的控制一直是研究的热点问题。船舶的低频噪声不仅会对工作人员的身心健康造成危害,还会对船舶结构以及船上设备造成损害。而传统的降噪材料对船舶的空间和载重有很高的要求,这在空间十分有限的船舶上并不适用。而具有传统降噪材料不具备的双负特性的声学超材料,可以在较小结构尺寸下实现船舶低频噪声的控制。 本文旨在设计出一种能应用在船舶领域且尺寸小,质量轻,低频噪声控制性能良好的声学超材料结构,运用有限元分析和实验验证的方法对其噪声控制性能进行研究,并探究了不同胞元数量对结构噪声控制效果的影响。论文的主要研究内容如下: 1)基于盘绕型结构延长声通道机理,亥姆霍兹腔结构共振吸声原理,将盘绕通道等效为亥姆霍兹腔的颈管,设计出一种盘绕型亥姆霍兹腔声学超材料,该结构在低频处具备良好的低频噪声控制性能。 2)通过对结构参数进行优化,采用多胞元协同耦合的思想,将不同尺寸的胞元结构进行耦合,拓宽结构的吸声带宽,设计出了一个四胞元结构,采用有限元分析方法计算出四胞元盘绕型亥姆霍兹腔结构在130-250Hz频带内具有宽频的噪声控制效果。并将四个相同的四胞元结构耦合成一个十六胞元结构,将两个结构的吸隔声性能进行对比,探究了胞元数量对结构噪声控制性能的影响。 3)制备四胞元耦合结构和十六胞元耦合结构的3D打印模型,采用F100和F200阻抗管测试系统对两个结构进行吸隔声性能实验,将数值仿真与实验测试的结果进行对比,证明了本文设计的盘绕型亥姆霍兹腔声学超材料结构具备良好的吸隔声性能。

关键词： 物质点法   软材料   大变形   相场断裂模型   体积自锁  

摘要： 软材料是一类在外界较小刺激下可以发生很大变形的非线性弹性材料或物质,它包括人体或动物的组织器官、植物的叶片果实,以及诸如橡胶、水凝胶等一些高分子聚合物。软材料广泛存在于自然界中并由于其优良的变形能力在工程领域中发挥重要作用。软材料的大变形过程会涉及到一系列复杂的力学现象和问题,例如生物软材料的生长导致的弹性变形以及高分子材料的断裂破坏等。对软材料大变形生长和断裂等力学行为的研究有助于预测生物器官、仿生器件的结构和形态变化,为生物和人体健康的研究提供依据,为功能器件的结构设计和安全性评估提供参考,在医学、生物以及其他工程领域具有重要意义。 物质点法作为一种粒子类数值方法,在极大变形、断裂破坏等强非线性问题的模拟方面具有一定优势,并且在诸如冲击侵彻、爆炸毁伤等诸多极端力学问题的模拟中取得了很好的效果。据此,本文基于物质点法和软材料大变形的相关理论对软材料的生长、动力、断裂破坏行为模拟分析的数值算法开展研究。具体内容包括以下四个部分: 第一,针对软材料的大变形生长问题,提出了隐式位移-压强完全拉格朗日物质点法。考虑到很多软材料具有不可压缩性,该方法引入了压强场处理了不可压材料模拟中的体积自锁现象并采用完全拉格朗日格式消除了传统物质点法中的跨网格误差。基于有限生长理论,通过变形梯度的乘法分解引入中间构型并推导了各个构型下的应力-应变关系,之后参考中间构型推导了弱形式的动量方程。为了避免体积自锁现象,引入了关于压强的约束方程并对考虑生长效应的软材料应变能密度进行体积/偏量分解,从而将弱形式动量方程线性化。之后将线性化后的动量方程和压强约束方程同时作为控制方程,并对位移和压强采用不同阶次的B样条基函数作为插值函数,在完全拉格朗日物质点法的框架下构造了位移-压强混合格式的离散方程。采用Newton-Raphson迭代方法进行数值求解,从而建立了不可压软材料生长问题的隐式完全拉格朗日物质点法求解格式,并通过自由生长、约束生长、应变驱动生长等一系列数值算例验证了所提出方法的准确性以及适用性。 第二,针对软材料的大变形动力问题,发展了显式位移-压强完全拉格朗日物质点法。考虑到软材料的弱可压缩性,将应变能函数进行体积/偏量分解,并引入摄动拉格朗日方法对势能泛函进行修正。将位移和压强作为基本变量采用变分法在有限变形框架下推导出系统的控制方程,之后采用完全拉格朗日物质点法离散弱形式控制方程并对位移和压强采用不同阶次的插值函数以满足Ladyzhenskaya-Babu(?)ka-Brezzi(LBB)条件,使用显式时间积分得到离散形式的控制方程。此外,为了更准确地求解物质点的压强,发展了一种体积变形重映射方法以保证插值阶次的相互协调。对于显式方法采用交错求解格式在一个时间步内依次求解位移场和压强场,得到近似不可压软材料大变形动力问题的完全拉格朗日物质点法求解格式。通过数值算例验证了算法满足能量守恒、动量守恒以及角动量守恒,并证明了所提出方法在有限变形下模拟近似不可压材料动力问题的准确性和收敛性,可以在只增加少量计算量的前提下有效处理大变形动力学问题模拟中的体积自锁。 第三,针对可压缩软材料的大变形断裂和冲击破坏问题,提出了显式相场-完全拉格朗日物质点法。该方法将尖锐裂纹通过引入一个考虑耗散的断裂相场模型进行弥散,并考虑拉伸和压缩对材料断裂的贡献不同将超弹性材料的应变能密度进行拉压分解,从而得到了断裂能的相场表达式以及驱动相场演化的有效应变能。对于一个考虑断裂的软材料大变形动力问题,基于变分法在有限变形下推导出系统的位移场和相场控制方程并分别在完全拉格朗日物质点法框架下进行离散。此外,为了模拟软材料冲击断裂过程中出现的各种接触情形,发展了一套基于物质点的接触算法用于统一处理接触和自接触问题。针对该耦合问题采用了交错求解格式对位移场和相场依次求解,从而建立了软材料准静态断裂、冲击破坏、裂纹扩展问题的通用求解格式。通过对硬币状预裂纹拉伸、Kalthoff板冲击、圆环碰撞问题的数值模拟证明了所提出方法处理断裂、接触以及冲击破坏问题的准确性。此外,还模拟了超弹性材料失稳断裂、金属球冲击软膜两个算例展现了方法的适用性。 最后,针对近似不可压软材料的准静态和动态断裂破坏问题,提出了位移-压强-相场三场混合完全拉格朗日物质点法。考虑到断裂破坏对材料不可压缩性的影响,将摄动拉格朗日泛函基于相场进行修正,并同时给出驱动近似不可压材料相场演化的有效应变能,从而得到近似不可压材料断裂破坏问题的总能量泛函。采用变分法将位移、压强和相场同时作为基本变量推导出系统的控制方程,并对三个场的控制方程分别进行完全拉格朗日物质点法离散。考虑到三个场变量相互影响的程度,在完全拉格朗日物质点法框架下发展了针对位移场、压强场、相场的交错求解格式,从而得到三场混合格式的具体求解流程。采用所

关键词： 环形编织   芯轴   纱线轨迹仿真   交织点   力学性能模拟  

摘要： 碳纤维树脂基复合材料因其出色的轻量、高刚度和抗腐蚀性能,被广泛用于各个工程领域。许多研究者致力于探讨如何通过调整碳纤维复合材料成型件的编织几何结构,以提升其力学性能。这个编织几何结构则由三维编织成型件中编织纱线轨迹决定的,且编织角是表征该几何结构和纱线轨迹的重要工艺参数。因此为了准确预测碳纤维复合材料在三维编织中的整体几何结构,本研究旨在开发一种数值仿真方法,通过编织过程中的工艺参数,精确模拟碳纤维复合材料三维编织成型件的纱线轨迹,从而得到所需成型件的几何结构。 首先,在碳纤维复合材料的环形编织成型工艺及其对力学性能的影响方面进行了研究。探讨了环形编织的基本原理及关键工艺参数,说明了纱线在编织过程中受到张力和摩擦力的影响,并简化了环形编织模型。 随后,在仿真过程中对编织过程中的芯轴进行了处理,通过合适的几何形状参数和坐标方程建立了可变化管状对称截面芯轴。同时,在初始化设置中,强调了对初始接触点位置和初始落点轨迹的计算。在纱线轨迹算法的求解原理中,通过已知导向环上的初始接触点和初始落点,推导了纱线轨迹的方程,并进行迭代计算,逐步精细化了纱线在等截面芯轴表面上的运动轨迹。 接着修正交织模型,通过引入“一压一”的交织模型,对交点坐标进行偏置修整。在算法实现方面,选择了MATLAB作为开发平台,通过数值计算和矩阵运算功能实现了纱线轨迹求解算法。实验仿真结果方面,通过与实际纱线轨迹和其他文献数据进行对比,验证了模型的有效性和可靠性。 然后,通过SolidWorks软件进行三维模型建立。在ABAQUS软件的仿真过程中,使用了合适的网格划分和边界条件并考虑了树脂与纤维之间的摩擦效应。对仿真结果的分析显示在压缩过程中的演变,包括初期的均匀应力分布、下部的鼓包状变形和屈曲,以及最终的破坏形式,并对力与位移曲线的详细分析压弯过程的三个关键阶段,即初始阶段、屈服强化阶段和快速失效阶段,此外对不同大小的编织角模型进行力学仿真对比,分析编织角大小对其力学性能的具体影响。 最后,全文总结,并展望未来,认为研究可以在多尺度建模、优化设计和环境影响研究方面进行进一步深化。

关键词： 芒竹编织   博白   质朴   几何形  

摘要： 广西博白芒竹编织技艺是广西壮族自治区非物质文化遗产之一。博白地区芒竹编织工艺美术的艺术形式集中展现了该地区人民在审美上的追求,也蕴含了博白地区农耕文化、蛇文化的历史记忆和礼俗功能,更体现了道、儒两家师法自然、中和为美的美学思想。本研究以博白芒竹编织工艺品作为研究对象,通过查阅文献收集相关的图文资料,梳理博白芒竹编织工艺美术资料,进行艺术形式的分析,挖掘图像背后所呈现的文化记忆、信仰阐释、礼俗功能,从而丰富广西博白的编织工艺品在审美形式与审美文化方面的研究成果,为手工艺人在创作手工艺品时提供新的理论支撑。 本文分为四个章节,第一章节梳理博白芒竹编织工艺品的起源和发展,将工艺品按实用功能分为生产工具、生活用品、装饰物品三种类型。第二章节分析博白工艺品的艺术形式,通过造型、色彩、纹样展开。造型按工艺品外在形象可分为仿生造型和几何造型,它们都具有朴素率真的造型特点。色彩按材料分类可分为光源色彩、材料色彩、装饰部件色彩,它们都具有多样统一的色彩特征。纹样按来源可分为自然纹样、几何纹样、字形纹样,它们都具有对称均衡的形式特点。第三章分析博白工艺品呈现博白地区以农耕文化、蛇文化为主的文化记忆,受儒道二家美学思想所影响的信仰阐释,图像背后所蕴含的节庆仪式文化和人际交往文化。第四章总结博白工艺品的价值,已经提高当地人民美学素养、带动当地经济发展。

摘要： “双红”驱动，绘好服务居民“同心圆”在福州市台江区瀛洲街道世茂外滩花园小区，居民林女士笑着说：“以前小区负二楼还是脏乱不堪的空置场地，现在经过改造，环境焕然一新。”世茂外滩花园于2004年交付，小区公共设施老化损坏、脏乱差现象突出。2021年，小区党支部书记林爱文召集一群有情怀、有资源、有经验的居民党员，成立了世茂外滩红色业委会，并迅速与长城物业党支部建立“要事共商、实事共办”联动机制，共同解决了一系列难题。

关键词： 穿孔板   盘绕通道   宽带吸声   多孔材料   耦合效应  

摘要： 高效宽带降噪在汽车工业、航空航天工程、轨道交通和建筑设计等诸多领域具有重要意义。传统多孔材料在低频范围内固有耗散弱,难以在有限空间内有效吸收低频噪声。共振型吸声器虽对中低频噪声有良好吸收效果,但其共振色散特性限制了宽频降噪的实现。为了兼顾宽带降噪和实用性,本文提出了一种由串并联结合的多腔体盘绕型结构与多孔材料组成的复合结构,该结构利用并联耦合效应实现宽带高效吸声。通过理论分析、数值计算和实验测试,研究了复合结构的吸声特性。本文主要内容包括: (1)设计了一种由穿孔板与盘绕背腔串联组成的吸声组件,并构建理论分析模型和数值分析模型,对其低频吸声特性进行了详细分析。运用阻抗分析法、声压声速法、耦合模式理论以及复频率分析法,揭示了组件的低频吸声机理。研究了穿孔板和盘绕通道的几何参数对吸声频带的影响,并且掌握了频带调谐的规律。通过阻抗管实验证实了组件设计的可行性。 (2)探讨了不同阻尼状态下吸声组件的并联耦合,揭示了并联耦合增强吸声的潜在物理机制。研究了耦合参数和关键几何参数对耦合系统吸声频带的影响,并且提出了一种低频宽带吸声结构设计策略。该策略通过欠阻尼组件之间的并联耦合增强吸声,实现了低频宽带高效吸声。基于这一策略,提出并实验验证了一种低频宽带吸声结构,该结构在250~450 Hz频率范围内实现了高效吸声,平均吸声系数达到0.81。 (3)将多孔材料填充在多组件并联结构周围,设计了一种宽带吸声的复合结构。该结构能在254~4000 Hz频率范围内实现高效吸声,平均吸声系数为0.769。为进一步提升其在特定频带内的吸声性能,采用了粒子群优化算法对复合结构进行了参数优化。优化后的结构在目标频率范围(300~1000 Hz)内平均吸声系数为0.847,最低吸声系数为0.698。最后,通过阻抗管实验证实了粒子群优化算法对复合结构进行参数优化的可行性。