[学科发展]5D打印——生物功能组织的制造

生物制造是制造技术与生命科学技术交叉融合产生的新兴学科方向，这一学科方向的发展将为巨大的人体组织与器官市场提供新技术，同时也给制造技术变革带来新机遇。面向生物制造未来发展，提出5D打印制造概念，论述了5D打印的内涵，分析了其关键技术。结合生物制造技术的现有进展，介绍了研究团队在心肌组织支架的制造、类脑神经组织制造、爬行生命机械混合机器人方面取得的初步研究进展，为生物制造技术拓展新方向提供新思路。     

连续碳纤维增强聚乳酸复合材料3D打印及回收再利用机理与性能

纤维增强树脂基复合材料具有轻质高强的优异特性,但传统成型工艺具有成本高、过程复杂、难以回收的缺点限制了复合材料的广泛应用,介绍了一种新的连续纤维增强热塑性复合材料3D工艺(CFRTPCs)及其回收再利用策略,建立成型过程与界面性能、力学性能的内在联系,打印连续碳纤维增强聚乳酸(CF/PLA)样件抗弯强度与模量分别达到390MPa与30.8GPa,实现了复合材料低成本一体化快速制造,其回收再利用过程无污染,材料利用率为75%,二次打印样件抗弯强度提高25%左右,实现了复合材料高效高性能绿色回收再利用,二者结合形成一种全生命周期复合材料应用模式。     

基于氧阻聚效应的陶瓷面成形工艺优化研究

氧阻聚效应的应用使得陶瓷光固化增材制造技术的加工速度和成形精度有了显著提升。利用自制的陶瓷面成形快速成型系统和具有氧阻聚效应的Al_2O_3陶瓷浆料,开展了氧气浓度、液槽底部PDMS膜的厚度对已固化层与PDMS膜粘接引起的分离力大小的研究;在最优PDMS膜厚(0.3 mm)条件下,氧气浓度对陶瓷件尺寸精度、收缩率以及力学性能的影响研究中发现,氧阻聚效应减小了固化层与PDMS膜粘接形成的分离力大小,但不影响陶瓷零件的弯曲强度(约175 MPa),而且适当的氧气浓度可以显著改善零件的尺寸精度和表面质量。正交实验确定了陶瓷多孔结构成形的工艺参数(包括氧浓度、曝光强度和分层厚度)最优集,对比空气条件下(即氧气浓度约20%)打印成形的多孔结构,最优条件下(即氧气浓度40%)所成形的多孔结构形貌有明显提升,最大尺寸偏差减小45%。     

轻质复合材料飞行器仪器支架选择性激光烧结成形与性能研究

针对目前飞行器仪器支架对轻量化、快速开发及结构优化的要求,提出使用选择性激光烧结(SLS)工艺制备轻质复合材料仪器支架,并对其性能进行了综合评估。根据飞行器仪器支架的使用环境,首先对SLS制备短切碳纤维增强尼龙复合材料(CF/PA12)进行了工艺优化并详细研究了复合材料的力学性能、热性能及动态热力学性能,试验结果表明,SLS制备的CF/PA12复合材料的拉伸强度达到63.8 MPa,弹性模量为6.5 GPa,弯曲强度达到118.06 MPa,体积密度仅为1.03 g/cm3,尤其是其损耗因子在0.03～0.06之间,远远大于金属材料,具有更好的减振性能,并对其装配形式进行了评估。最后,以一款火箭仪器支架为例,通过拓扑优化,实现支架进一步减重40%,且都通过了载荷试验(2 000 N),从而证明了SLS制备复合材料在航空航天领域制件轻量化、快速开发及结构优化方面具有明显的技术优势和一定的应用潜力。     

激光增材制造WNbMoTa高性能高熵合金

随着工业实践中高端装备耐温部件整体制造要求的提高,现有合金材料体系、制造工艺难以满足需求。研究将高熵合金材料与激光增材制造技术耦合,为我国大尺寸、复杂高端装备零部件的整体制造提供了新的解决方案。一方面,通过激光熔覆沉积技术成形了WNbMoTa、NbMoTa等多种高性能高熵合金,成形的高熵合金晶粒尺寸细小且无微观成分偏析。其中NbMoTa高熵合金1000℃下屈服强度达到530MPa,高于国内应用于航空发动机涡轮叶片的GH4169、DZ125高温合金和应用于航空航天工业的T111、C103、Nb-1Zr难熔合金。另一方面,通过基于有限差分-有限元数值模拟的方法对高熵合金材料成形过程中的热应力与应变进行数值模拟,解决了选区激光熔化成形高熵合金过程中样件易翘曲的问题。     

滑移隔震半主动控制的人工神经网络方法

基于人工神经网络方法,在考虑上部结构的刚度和阻尼的条件下,通过计算基底摩擦力的大小,对滑移隔震结构的半主动控制方法进行了研究。实例计算表明,通过半主动控制的滑移隔震结构不但具有较好的隔震效果,且能有效地减小基底的最大滑移量及残余位移。通过与Bang-Bang控制和瞬时最优控制算法的对比分析表明:基于人工神经网络控制算法的控制效果优于其它控制算法,具有反馈量少、稳健性强等特点。     

传统聚落文化与现代人居环境

从聚落“天人合一”的自然观、界域性与中心性等方面，阐述了传统聚落文化为自然的人文精神，并对现代人居环境作了分析，探讨了传统聚落的文化精神最终仍会回到现代人居环境中来。     

有压孔隙水环境中的混凝土动态抗压性能研究

利用动静力三轴仪进行不同孔隙水压与不同加载速率下的混凝土常三轴试验,对试验数据进行基本力学参数分析,在此基础上对选用的Weibull-Lognormal损伤本构模型的参数进行统计分析。研究结果表明:1混凝土的峰值应力随应变速率的增加而增大,峰值应力及其对应变速率的敏感性随围压增大而增大。在各应变速率下,大气自然环境状态下的峰值应力均大于饱和状态下的峰值应力,即自然干燥状态下的混凝土强度高于水饱和状态下的混凝土强度。在有水环境中,混凝土峰值应力随围压的增加而增加,增加幅度随应变速率的提高而提高,围压的存在提高了混凝土的速率敏感性;2峰值应变随应变速率的提高,水饱和状态下的峰值应变普遍小于大气自然环境下的峰值应变;随围压的增加,峰值应变呈增长趋势,同时峰值应变对围压的敏感性随围压的增加而降低;3在大气自然干燥状态与饱和有水压状态下,混凝土的吸能能力均随应变速率的增大而增大,饱和有水压环境中混凝土的吸能能力对率敏感性更强,且随围压增大呈增加趋势。在各应变速率下,大气自然环境状态下的吸能能力均大于饱和状态下的吸能能力。在各应变速率下,随围压的增加,混凝土吸能力的增加幅度减小并呈下降趋势;4混凝土损伤特性在峰前服从Weibull统计分布,峰后服从Lognormal统计分布。峰前控制参数m随围压的增加而减小,围压越大,m值随应变速率的变化范围越小;峰后控制参数t在有围压时随应变速率增加,无围压时随应变速率减小。当应变速率低时随围压增加而减小,而应变速率高时则随围压的增加而增加。     

不同MgO掺量混凝土动态损伤特性的研究

对不同MgO掺量(0％、2％、4％、6％、9％、12％)的混凝土进行了应变速率(10-5s-1、10-4 s-1、10-3 s-1和10-2 s-1)下的单轴抗压试验研究,分析了不同MgO掺量混凝土的基本力学参数变化规律.结果表明:(1)相同应变速率下,随着MgO掺量的升高,混凝土的峰值应力和峰值应变整体上表现出升高的趋势,并且得到混凝土的峰值应力和峰值应变随MgO掺量变化的关系式;(2)相同MgO掺量下,混凝土单轴受压下的峰值应变随应变速率的变化离散性较大;(3)混凝土弹性模量随MgO掺量和应变速率的变化波动性较大;(4)基于Weibull统计理论分布的损伤本构模型,描述了不同MgO掺量的混凝土损伤破坏过程,混凝土材料的损伤发展主要有3个阶段:损伤起始阶段、损伤发展阶段和损伤破坏失稳阶段.