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2022年 第43卷  第5期

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轻质多孔材料与结构基础理论及应用专刊
前言
卢天健, 刘少宝
2022, 43(5): 1-2.
摘要:

装备(空间飞行器、飞机、直升机、海洋平台、舰船、高铁、特种车辆等)主承载结构的轻量化、多功能化是实现性能提升、节能减排的重要途径。高孔隙率多孔材料具有超轻、高比强、高比刚度、高强韧、耐撞击、高效散热/隔热、高效吸声等多样化性能,是实现装备结构轻量化、多功能化的优良材料。然而,装备主承载结构的多功能轻量化设计、制备、验证及工程化应用仍面临着诸多挑战,涉及超轻多孔材料与结构一体化设计理论、多功能复合材料与结构跨尺度设计理论及优化策略、材料和结构先进制造技术、材料与结构测试及多物理场表征技术等研究领域。

主动冷却点阵夹层防热结构温度响应计算模型
彭世彬, 郭瑞, 冯上升, 金峰
2022, 43(5): 477-489. doi: 10.21656/1000-0887.420405
摘要(152) HTML(45) PDF(52)
摘要:

针对点阵夹层结构主动热防护问题,建立了夹层结构面板和芯体导热与冷却剂对流耦合的非稳态传热理论模型,利用有限体积法离散控制方程并在MATLAB中进行了迭代求解。模型首次考虑了面板与夹芯杆之间的收缩热阻,并利用分离变量法得到了收缩热阻的近似解析解。基于单胞模型和周期性边界条件,模拟得到了模型所需的表面对流传热系数hbhfin。最后,选取多单胞计算工况进行数值模拟和理论模型对比,并讨论了收缩热阻对模型预测精度的影响。结果表明:理论模型能够准确预测夹层结构及内部流体的温度变化,理论与仿真之间的最大误差不超过1%;随着外加热流密度不断增大,忽略收缩热阻使得计算结果造成的误差不断增大;与数值模拟相比,理论模型可显著地减少计算时间并节省计算资源,尤其适用于非均匀、非稳态复杂热载荷下点阵夹层结构的温度响应计算。

碳纤维/树脂基复合材料曲壁蜂窝夹芯结构的三点弯曲性能
刘鑫, 吴倩倩, 于国财, 吴林志
2022, 43(5): 490-498. doi: 10.21656/1000-0887.430061
摘要(124) HTML(44) PDF(35)
摘要:

为研究碳纤维复合材料(CFRP)曲壁蜂窝结构在三点弯曲载荷作用下的承载特性与失效模式,对不同芯层高度、面板厚度的结构进行了理论预报、数值模拟及试验。首先,根据夹芯结构的主要失效模式,提出了相应的理论预报公式,并绘制了失效机制图;其次,建立了CFRP曲壁蜂窝夹芯结构的有限元仿真模型,对其在三点弯曲载荷作用下的典型失效行为进行模拟;最后,通过模压成型工艺制备了不同尺寸的CFRP曲壁蜂窝夹芯结构,并将试验结果与理论、模拟结果进行比较。结果表明,蜂窝夹芯结构承载能力与芯层高度、面板厚度密切相关,结构芯层及面板刚度随其尺寸的减小而下降,导致结构失效模式由面芯脱黏失效变为面板压溃失效。

超轻碳气凝胶的机械鲁棒性增强策略及其应用
郭凡, 杨操, 郭锐, 姜炜
2022, 43(5): 499-514. doi: 10.21656/1000-0887.430062
摘要(66) HTML(48) PDF(15)
摘要:

作为一种轻质多孔材料,碳气凝胶是一类具有高孔隙率、低密度和优异环境稳定性的碳质多功能固体材料,这些独特性能的结合使得它们在柔性传感器、能源设备、声学设备和环境保护等领域得到广泛应用。然而,在现有多孔材料中普遍存在着机械鲁棒性和稀疏三维网络结构间的矛盾。良好的鲁棒性可以确保气凝胶在应用过程中的结构完整性和性能稳定性,而稀疏三维网络结构则是确保气凝胶材料轻质多孔的结构前提,这一矛盾是材料科学、固体力学和设计应用等诸多领域研究者面临的共同挑战。该文综述了常见的国内外超轻碳气凝胶的鲁棒性增强策略,包括细胞壁(cell wall)增强、细胞壁取向调控、细胞壁拓扑结构设计和结点强化(joint reinforcement)。此外,该文总结了在不引入高分子弹性体的情况下实现超轻全碳气凝胶的拉伸弹性的设计原则,简要概述了高鲁棒性碳气凝胶的新应用,并对该领域尚待解决的问题提出了展望。

基于黏聚区模型的ENF试件层间裂纹扩展分析
邓健, 肖鹏程, 王增贤, 邵光冉, 卢天健
2022, 43(5): 515-523. doi: 10.21656/1000-0887.430082
摘要(102) HTML(42) PDF(23)
摘要:

基于经典层合板理论及黏聚区模型,针对纯Ⅱ型断裂ENF试件的裂纹扩展,建立了含一般分层裂纹层合板的理论模型。相较于传统的梁理论,该文模型充分考虑了黏聚区的软化过程,引入了试件发生失效前的非线性行为,预测的失效载荷小于梁理论结果,与文献试验值更为接近。相比于梁理论(仅包含断裂韧性单一参数),该文模型可同时分析界面强度、断裂韧性及界面初始刚度对ENF试件载荷-位移曲线的影响。结果表明:界面强度主要影响试件失效前的力学行为,对裂纹扩展基本无影响,断裂韧性是影响裂纹扩展的主要参数,界面初始刚度仅影响线弹性加载段;黏聚区长度随断裂韧性增大而增大,随界面强度增大而减小;相较于断裂韧性,界面强度对黏聚区长度的影响更为明显;黏聚区尖端到达试件半长处时,黏聚区的长度呈现一定程度的减小。

含间隙非线性弹性超材料的低频宽带机理
林臻, 吴九汇
2022, 43(5): 524-533. doi: 10.21656/1000-0887.430103
摘要(65) HTML(36) PDF(19)
摘要:

揭示了基于非线性混沌理论含间隙的非线性局域共振结构的低频宽带形成机理,提出了一类含间隙非线性局域共振结构设计的新理念。在该间隙非线性局域共振系统中,产生了非线性混沌现象,且这种非线性运动可以成功地改变振动噪声中的频谱结构,当系统运动进入混沌状态时,线性谱能量大大削弱,变成了一个连续的宽频谱,进而有效隔离低频线谱。有限元计算结果表明,正是这个间隙引起的非线性混沌现象导致了低频宽带的产生,且理论分析和有限元分析结果高度一致。因此,这类含间隙非线性局域共振弹性超材料结构的设计新思想为局域共振弹性超材料的发展开辟了新天地,且基于非线性混沌理论的低频带隙的形成机理为减振降噪应用研究奠定了非常重要的理论基础。

多材料点阵结构的热可编程力学行为
杨航, 马力
2022, 43(5): 534-552. doi: 10.21656/1000-0887.430104
摘要(106) HTML(49) PDF(33)
摘要:

传统的点阵结构一旦制备完成,其力学性能通常在使用寿命内保持不变。设计和制造具有环境适应特性的智能点阵结构,可编程地感知和响应外界变化(例如光强、压强、溶液、温度、电磁场、电化学激励),并在时间和空间上进行形状重构、模式转换和性能调控,仍然是人造材料研究领域重要的科学挑战。该文采用具有不同玻璃化转变温度和温度依赖性的多种聚合物材料,通过合理设计材料空间分布,提出了一类具有热可编程力学响应能力的多材料点阵结构。结合理论分析和有限元模拟,研究了组分材料相对刚度对多材料点阵结构的Poisson比、变形模式以及结构稳定性的影响。通过温度变化实现了对多材料点阵结构弹性常数、压溃响应和结构稳定性的调控,使多材料点阵结构表现出极大的热变形、超弹性和形状记忆效应。为设计和制造自适应保护装备、生物医学设备、航空航天领域的变形结构、柔性电子设备、自组装结构和可变形软体机器人等开辟了新途径。