[NZP]陶瓷零膨胀性能的设计

研究了「ＮＺＰ」材料的零膨胀性能，并尝试对零膨胀的「ＮＺＰ」陶瓷作了设计，从晶体结构、原子复合、各向异性、显微结构和复合材料等方面提出了设计思路。     

空间超高频遥感反射器热变形优化及零膨胀材料的制备

空间超高频遥感反射器（工作频段600 GHz以上）在轨运行过程中,由于空间温度变化不均匀会产生热变形问题。为了保证反射面的电气性能,空间超高频遥感反射器要求反射面的型面精度均方差值r ≤ 10 μm。本文创新性地提出了一种单曲面板栅格结构反射器,利用有限元仿真分析软件对反射器进行热变形分析。研究了反射器的不同结构参数对反射面热变形的影响,并以低热变形为原则对反射器结构参数进行优化。优化后的结果仍然不能满足空间超高频遥感反射器的型面精度要求,因此设计并制备了一种热膨胀系数α ≤ 0.5×10-7℃-1的零膨胀材料。这种零膨胀材料是将碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）与芳纶（Kevlar）纤维织物按照一定比例交错循环铺层,利用该比例调整反射器层压板铺层,可以使反射面热变形降低至7.94 μm,满足空间超高频遥感反射器的型面精度要求。      

零膨胀材料及其机理研究获新进展

北京工业大学材料科学与工程学院/新型功能材料教育部重点实验室的宋晓艳课题组,近年来深入研究了反钙钛矿结构锰氮化合物单一材料体系内的热膨胀行为。在课题组原创的金属纳米晶块体材料制备路线的基础上获得新的突破,于国际上首次制备出了平均晶粒尺寸减小到约十个纳米的超细纳米晶反钙钛矿结构锰氮化合物块体。该材料为     

材料设计计算机模拟技术

由于新材料研究和制备过程的复杂性、试验条件的局限,以及固体物理、量子化学、统计力学、计算数学的深入发展和现代计算机运行速度、存储容量的空前提高,促进了计算机模拟技术的飞速发展,而计算机模拟技术的发展,无疑对新材料的研制开创了更广阔的空间.简要介绍了材料设计计算机模拟的基本概念,模拟的(尺度)层次、方法以及发展现状,阐述了材料设计计算机模拟常用的计算和模拟方法.     

零膨胀材料及其机理研究获新进展

<正>图1Mn3Cu0.5Ge0.5N超细纳米晶块体的显微结构:a,纳米组织形貌。b,电子衍射谱。c,纳米微晶的高分辨形貌.。d,立方反钙钛矿晶体结构。e,磁结构模型。图2Mn阵点占位率对Mn3Cu0.5Ge0.5N块体热膨胀行为的影响:a,不同晶粒尺度     

先进近零膨胀陶瓷研究进展

陶瓷材料易受外界温度剧变的影响,在材料中产生热引力,导致陶瓷材料失效.因此近零膨胀陶瓷在耐热冲击性能上具有显著优势,应用十分广泛,一直是材料学界研究的热点.介绍了磷酸盐、钛酸铝、微晶玻璃、钨酸锆几类典型的耐热冲击陶瓷材料,重点介绍了其热膨胀性能、现阶段的应用情况和国内外的发展状况.并提出了研究中存在的问题及其今后的发展方向.     

零泊松比超材料设计的多评价点功能基元拓扑优化方法

提出基于多评价点约束的零泊松比超材料功能基元拓扑优化设计方法。在同一功能基元拓扑基结构中,通过建立对于多个评价点的正、负泊松比约束,实现胞元零泊松比效应。分别采用最小质量和最大柔度目标函数拓扑优化模型优化设计出与半内六角蜂窝相似的零泊松比功能基元最优拓扑构型。提取功能基元最优构型并周期性序构了零泊松比超材料试件,通过有限元方法验证了该功能基元的零泊松比效应,并分析超材料试件的静、动力学特性。计算结果表明,最大柔度目标函数设计的功能基元构型的泊松比更接近于零,且具有更好的承载与隔振性能。设计了零泊松比超材料环肋双层圆柱壳结构,进行外壳静压和内部设备激振下壳体水下辐射噪声分析。研究表明,零泊松比超材料环肋可将外壳压缩变形转换为内外壳间环肋旋转,实现耐压壳内壳的保形,且具有较好的降噪性能。      

材料设计系统可视化模拟

结合真空蒸发镀膜实验,提出了一种应用面向对象技术实现可视化材料设计模拟系统的初步设想.采用面向对象方法将模拟模型彻底分解为以对象为基础的框架结构,最终能有效地实现材料设计模拟模型的简化和重用.描述了该模拟系统的特点.     

新型镁质膨胀材料的制备

水泥在水化硬化过程中发生的体积收缩会导致混凝土产生微裂纹,降低混凝土的耐久性和使用寿命,新型镁质膨胀材料是以MgO为膨胀组分,以储量丰富和价廉易得的天然矿物为原料,经过煅烧制备得到的膨胀材料,可以用以补偿混凝土的收缩.本文主要研究了新型镁质膨胀材料的制备工艺,研究结果表明,适宜的生料配比为DOL51%、SERP 9.5%和MAG 39.5%,膨胀材料中MgO的设计含量为57%左右,烧成制度为1200℃下煅烧1.0h,空气淬冷.膨胀材料制备中要注意控制一定的颗粒度,避免过细粉磨.     

基于宏观性能的微观多孔材料拓扑优化

基于均匀化理论,建立与微观材料拓扑形状相关的宏观结构材料等效弹性张量。集成宏观结构所得到的位移场,推导出带有宏观结构力学特性的微观敏度。从而实现在给定材料体积分数前提下,以宏观结构最大刚度为目标,对材料微结构进行拓扑优化的目的。相关算例说明该方法可以得到与宏观力学性能相对应的各种微观结构蜂窝材料或复合材料。揭示了材料的微观结构拓扑形状依赖于宏观结构尺寸、载荷及初始边界条件等因素。     

特定弹性性能材料的细观结构设计优化

针对具有特定弹性性质的两相复合材料, 研究了特定性能材料优化设计问题的数学模型,提出了基于形状优化的材料设计方法。该方法利用形状优化技术, 设计两相复合材料的细观结构形式, 以使复合材料具有特定的弹性性质。材料的宏观性质由均匀化方法确定。最后给出了零泊松比材料的设计过程和结果。      

基于人工材料的结构拓扑渐进优化设计

首先,提出了一种在结构边界和孔洞周围附加人工材料的思路。在此基础上,结合ESO方法和应力灵敏度,建立了结构有限单元增、删的准则, 给出了一种新的拓扑优化算法。算例表明该方法能采用固定有限元网格中不同的初始优化结构就可获得优化拓扑。由于其概念上的简洁性和应用上的有效性,该方法具有一定的工程应用价值。     

基于可靠性的复合材料定向管优化设计

基于Tsai-Wu失效准则和一次二阶矩法,建立了复合材料定向管强度可靠性分析的方法。应用Python语言实现了ABAQUS 的二次开发,编程将有限元计算程序与可靠性分析方法相结合,并采用多岛遗传算法和序列二次规划算法相结合优化策略,建立了基于可靠性的定向管铺层参数动态优化模型。优化算例表明:在满足强度可靠度条件下,复合材料定向管重量减小了22.5%。     

SIMULATED ANNEALING AND PARALLEL PROCESSING: AN IMPLEMENTATION FOR CONSTRAINED GLOBAL DESIGN OPTIMIZATION

Global optimization becomes important as more and more complex designs are evaluated and optimized for superior performance. Often parametric designs are highly constrained, adding complexity to the design problem. In this work simulated annealing (SA), a stochastic global optimization technique, is implemented by augmenting it with a feasibility improvement scheme (FIS) that makes it possible to formulate and solve a constrained optimization problem without resorting to artificially modifying the objective function. The FIS is also found to help recover from the infeasible design space rapidly. The effectiveness of the improved algorithm is demonstrated by solving a welded beam design problem and a two part stamping optimization problem. Large scale practical design problems may prohibit the efficient use of computationally intensive iterative algorithms such as SA. Hence the FIS augmented SA algorithm is implemented on an Intel iPSC/860 parallel super-computer using a data parallel structure of the algorithm for the solution of large scale optimization problems. The numerical results demonstrate the effectiveness of the FIS as well as the parallel version of the SA algorithm. Expressions are developed for the estimation of the speedup of iterative algorithms running on a parallel computer with hyper-cube interconnection topology. Computational speedup in excess of 8 is achieved using 16 processors. The timing results given for the example problems provide guidelines to designers in the use of parallel computers for iterative processes.     

面板堆石坝级配料开采爆破块度预报模型及爆破设计参数优化研究

本文介绍了爆破块度预报模型的建立方法,并结合天生桥一级水电站面板堆石坝级配料开采爆破试验,建立了适合于天生桥一级水电站级配料开采的爆破块度预报模型,提出了快速判断开采料是否满足设计要求的方法。本文还介绍了爆破参数优化的概念,并建立了适用于水电站开挖爆破的优化目标函数及约束条件。最后通过实例,介绍了建模方法以及最优解和可行解的求解方法,并对天生桥一级水电站的级配料开采的爆破参数进行了优化设计,提出了适合于天生桥一级水电站ⅢＡ、ⅢＢ料开采的最优爆破参数及可行爆破参数。这些方法和思路对其他类似工程的研究有着重要的参考价值。     

面板堆石坝级配料开采爆破块度预报模型及爆破设计参数优化研究

本文介绍了爆破块度预报模型的建立方法，并结合天生桥一级水电站面板堆石坝级配料开采爆破试验，建立了适合于天生桥一级水电站级配料开采的爆破块度预报模型，提出了快速判断开采料是否满足设计要求的方法。本文还介绍了爆破参数优化的概念，并建立了适用于水电站开挖爆破的优化目标函数及约束条件。最后通过实例，介绍了建模方法以及最优解和可行解的求解方法，并对天生桥一级水电站的级配料开采的爆破参数进行了优化设计，提出了适合于天生桥一级水电站ⅢＡ、ⅢＢ料开采的最优爆破参数及可行爆破参数。这些方法和思路对其他类似工程的研究有着重要的参考价值。     

夹芯圆柱壳稳定性优化

研究了在轴压载荷作用下圆柱壳结构的失稳模态和结构承载效率,分析了空心圆柱壳厚度对失稳模态和承载效率的影响,以及圆柱壳填充轻质芯体对提高承载效率的作用;研究了圆柱壳结构的基于参数化建模、稳定性分析以及承载效率优化设计的一体化方法,并基于商用软件PATRAN的PCL语言予以实现。针对特定夹芯圆柱壳结构的稳定性分析和优化表明,空心薄壁圆柱壳结构在轴压载荷作用下容易失稳,结构承载效率低。适当增加壳体厚度,不但提高抗屈曲能力,而且也提高了结构承载效率。但厚度增加到一定限度后,进一步增加壳体厚度会提高结构的失稳荷载,但承载效率下降。利用泡沫状材料填充薄壁圆柱壳结构可以提高圆柱壳的结构抗屈曲承载能力和承载效率。通过优化壳体壁厚和芯体材料的相对密度,可有效地提高结构的承载能力和承载效率。     

APPLICATION OF TOPOLOGICAL OPTIMIZATION TECHNIQUES TO STRUCTURAL CRASHWORTHINESS

The topological optimization of components to maximize crash energy absorption for a given volume is considered. The crash analysis is performed using a DYNA3D finite element analysis. The original solid elements are replaced by ones with holes, the hole size being characterized by a so-called density (measure of the reduced volume). A homogenization method is used to find elastic moduli as a function of this density. Simpler approximations were developed to find plastic moduli and yield stress as functions of density. Optimality criteria were derived from an optimization statement using densities as the design variables. A resizing algorithm was constructed so that the optimality criteria are approximately satisfied. A novel feature is the introduction of an objective function based on strain energies weighted at specified times. Each different choice of weighting factors leads to a different structure, allowing a range of design possibilities to be explored. The method was applied to an automotive body rear rail. The original design and a new design of equal volume with holes were compared for energy absorption.     

OPTIMAL STRUCTURAL TOPOLOGY DESIGN USING THE HOMOGENIZATION METHOD WITH MULTIPLE CONSTRAINTS

In applications of the homogenization method for optimal structural topology design the solution is obtained by solving the optimahty conditions directly. This reduces the computational burden by taking advantage of closed-form solutions but it restricts the optimization model to having only one constraint. The article develops a generalized class of convex approximation methods for mathematical programming that can be used for the optimal topology homogenization problem with multiple constraints in-eluded in the model, without substantial reduction in computational efficiency. A richer class of design models can be then addressed using the hotnogenization method. Design examples illustrate the performance of the proposed solution strategy.