泡沫材料微结构设计与弹性性能分析

采用球填充算法对两组真实泡沫材料微结构进行模型拟合,分别获得基于Laguerre模型的各向异性开孔泡沫材料与各向同性闭孔泡沫材料的微结构;同时结合Laguerre算法编程与有限元软件ABAQUS,开发了泡沫材料微结构的仿真软件VirtualTPS。最后讨论了低密度范围内,不同胞体体积变异系数与基体相对密度对泡沫结构相对弹性模量的影响,其数值分析结果表明,泡沫材料的相对弹性模量随体积变异系数变化较小,与相对密度呈幂指数关系。     

复合材料微结构多目标自适应拓扑优化

提出适用于多目标最优化问题的自适应加权系数算法 , 将其应用于周期性两相材料微结构拓扑优化。以具有一定体积分数实体材料和对称性的单胞微结构作为优化对象。将单胞经有限元划分 , 应用均匀化方法计算单胞的等效弹性模量。以材料的等效弹性模量作为目标函数 , 以单胞各单元的相对密度作为设计变量 , 并引入SIMP单元刚度插值格式对中间密度单元进行惩罚。在迭代过程中 , 根据目标函数的变化 , 自适应调节加权系数 ,以保证各个分目标在目标函数中的比重。应用自适应加权系数算法 , 对单胞等效弹性模量设定不同的加权系数组合 , 得到了不同的单胞微结构拓扑。数值算例验证了所提出的自适应加权系数算法可以有效地求解复合材料微结构多目标拓扑优化问题。      

对流换热边界条件的多孔材料主动散热性能

通过推导2种不同换热边界条件下平板夹层多孔材料的散热指标, 研究了考虑对流换热因素的平板夹层多孔材料主动散热性能, 得到了影响材料散热性能的因素。分析了在确定的相对厚度下, 不同构型多孔材料的相对密度与散热指标的关系, 并得出正六边形构型的散热指数最大。随着相对厚度的增大, 最大散热指标和最优相对密度增大较快, 当相对厚度大于20时, 最大散热指标和最优相对密度变化较小并最终趋于定值。由上述结果可以得到相对应的最小质量, 随着最小质量的增大, 最大散热指标增大并最终趋于定值。在相同的最大散热指标下, 随着表面换热系数比值的增大, 最小质量逐渐减小。最后考虑承载因素对结构进行了优化分析, 正六边形构型的多孔材料具有明显的综合性能优势。      

空心玻璃微珠对固体浮力材料性能的影响

建立了固体浮力材料胶液粘度、密度、压缩强度和弹性模量的解析法计算模型,分析了空心玻璃微珠(HGB)对固体浮力材料胶液粘度、密度、压缩强度、弹性模量和吸水率的影响。结果表明,粒径较大的空心玻璃微珠胶液粘度相对略低;空心玻璃微珠的体积分数固定时,固体浮力材料密度随着微珠密度的升高而升高,压缩强度随微珠强度的升高而升高,弹性模量随微珠模量的升高而升高;同一静水压下,固体浮力材料的吸水率随微珠强度的升高而减小。     

喷射沉积多孔材料的轧制变形理论

根据"表观总应变能达到一个临界值时材料开始屈服"这一概念,研究和建立了多孔材料轧制塑性变形屈服准则,根据"多孔材料变形时质量不变"原理建立了轧制变形过程中高向变形与相对密度、高向变形与纵向变形、泊松比与相对密度的关系.理论预测与用喷射沉积制备的FVS0812耐热铝合金多孔材料的轧制结果符合得较好;建立了多孔材料轧制变形相对密度与高向应力的关系,提高多孔材料所处的压应力状态可以加速材料的致密化速度,改善多孔材料的轧制成形性能.     

泡沫铁镍金属抑制瓦斯爆炸冲击波的实验研究

为探求新型有效阻隔瓦斯爆炸装置,研究适合煤矿使用的抑爆材料,利用自行设计加工的断面为30cm×30cm方形爆炸实验管道,对不同参数的多孔泡沫铁镍金属材料的衰减超压效果分别进行了实验研究。实验结果表明,多孔泡沫铁镍金属具有一定的吸波能力,抗冲击性能较强,衰减管道内瓦斯爆炸冲击波效果良好,衰减率在12.9%～73.8%之间;孔径、相对密度及厚度是影响其衰减性能的重要因素,适当降低孔径、增加相对密度与厚度有利于提高多孔泡沫铁镍金属材料的衰减冲击波性能,而其中铁镍基体材料成分比例对其衰压效果影响不大。     

二维多孔材料散热性能分析与设计

二维多孔材料存在一个易于流动的方向并具有较大的面密度 , 因此在具有良好的比刚度和比强度的同时也具有良好的散热性能 , 研究强迫对流下的散热性能对其多功能化设计具有重要意义。本文中利用数值方法求解考虑二维多孔材料内部流体流动规律、 热传导和对流换热影响的流固耦合热传输问题 , 分析了多孔率和微结构尺寸对散热性能的影响并进行了最优参数设计 ; 通过分析比较 5种具有典型微结构形式的二维多孔材料的散热性能 , 给出了微结构形式对散热性能的影响。提出了以需要满足的散热性能为约束条件 , 以满足需求的设计参数的可调范围(设计参数的允许变化范围)为设计目标的最优散热结构设计理念。以此理念得到的设计结果 , 更有利于根据其他性能的要求对材料进行多功能化设计。分析表明 , 具有正六边形微结构的二维多孔材料的散热性能最优 , 并有利于实现轻质多功能化设计。     

纳米纤维增强闭孔泡沫材料的力学性能

为研究纳米纤维增强闭孔泡沫材料的力学性能,采用Voronoi随机泡沫模型对闭孔泡沫材料的细观几何结构进行模拟,并将纳米纤维随机分布在泡沫材料的胞壁中,利用改进的自动搜索耦合（ASC）技术将纤维单元与基体单元进行耦合,建立了能够反映纳米纤维增强闭孔泡沫材料细观结构的数值模型。在此基础上,进一步研究了泡沫模型随机度、相对密度以及纳米纤维长径比和质量分数对纳米纤维增强闭孔泡沫材料弹性模量与屈服强度的影响规律。结果表明:由所建立的数值模型得到的纳米纤维增强闭孔泡沫材料的弹性模量和屈服强度与实验值吻合较好;提高泡沫模型的随机度会使复合泡沫材料的弹性模量和屈服强度增加,而当随机度达到0.450以后,材料的弹性模量和屈服强度几乎不再发生变化;当相对密度在0.05~0.30范围内变化时,复合泡沫材料的弹性模量与屈服强度几乎随相对密度的增加呈线性增长;提高纳米纤维长径比和质量分数也会使材料的弹性模量和屈服强度得到提高,但当纤维长径比达到500以后,纤维长径比的增强作用逐渐减弱。所得结论对纳米纤维增强闭孔泡沫材料的制备具有重要意义。      

成型工艺对多孔PI材料摩擦学及力学性能的影响EI北大核心CSCD

为探索冷压定容烧结成型工艺对多孔聚酰亚胺(PI)材料摩擦性能和力学性能的影响,采用正交实验设计方法,研究了密度、烧结温度、保温时间对多孔PI材料含油性能、摩擦因数、拉伸强度和冲击强度的影响。通过综合考虑甩油后摩擦因数和冲击强度,优化了多孔PI材料的成型工艺。实验结果表明:随着密度的减小,材料表面孔洞增大,内部孔洞支架变稀疏,含油率明显增大,但含油保持率较低,摩擦因数相对较高,拉伸强度和冲击强度显著下降;当烧结温度为350℃时,冲击强度较高;保温60 min即可保证不同密度多孔PI材料的强度;优化制备工艺后,材料含油率为12.0%,离心甩油2 h后摩擦因数为0.092,冲击强度为105.9 kJ/m 2,拉伸强度为74.2 MPa。     

低温管路管外结霜过程的数值模拟研究

采用多孔介质法,构建了低温圆管壁面结霜的非稳态数学模型,对低温圆管壁面霜层的生长过程进行了数值模拟,研究了结霜过程的非稳态传热特性,并对壁面温度、管径以及相对湿度、气流速度等影响因素进行了分析,获得了霜层厚度、换热热流密度与霜层表面温度与各影响参数之间的依赖关系。结果表明:霜层厚度与密度的预测值与文献实验数据吻合良好;对流换热在结霜过程中起主导作用,总的热流密度随着霜层厚度的增加而减小;圆管壁面温度越低,圆管直径越大,相对湿度越高,霜层厚度越大;与强制对流条件相比,自然对流条件下形成的霜层更厚,表面温度更低。