直写式硅胶3D打印系统设计

针对柔性器件制备工艺复杂、定制化程度低等问题，课题组设计了直写式硅胶3D打印系统。该系统利用精密螺杆泵将高黏度单组份室温固化硅橡胶挤出，通过三轴运动平台对胶线的轨迹进行精准控制，经逐层堆积以及室温固化实现柔性器件的精确制备；通过测量堆垛结构的线距和对标准哑铃试样力学性能测试，对制备的柔性器件进行尺寸及静力学分析。结果表明：制备样品尺寸的相对误差在3%以内，哑铃式样机械性能良好，系统可以按要求进行柔性器件打印。直写式硅胶3D打印系统为柔性器件的制备提供更简化的工艺以及丰富的个性化定制。     

FDM工艺成型体力学性能的数值分析

3D打印技术是一系列快速原型成型技术的统称,它是一种以数字模型文件为基础,通过逐层打印的方式来制造物体的技术。FDM工艺是目前3D打印技术中使用最广泛的工艺,该工艺成型产品的力学强度主要取决于打印参数的设置。研究使用FDM工艺打印的ABS材料制品的力学性能与打印参数(包括打印层厚度、沉积纤维宽度和纤维铺设角度)之间的复杂关系,使用试验设计法确定了FDM产品的力学强度与打印参数间的定量关系,为使用3D打印技术直接制造功能性产品提供了理论支持。     

饱和粘土蠕变特性研究及参数确定

将两种弹 粘弹性模型（Burgers和H 2K模型）的一维蠕变方程，转换成三维状态下的应力 应变 时间关系，分别推导出常应力下两种模型的轴向应变随时间变化的方程。采用分级加载法进行室内长期单轴压缩蠕变试验，结合两种模型三维应力状态的轴向应变表达式，对试验结果进行拟合，得出相应模型的本构参数。试验结果表明：饱和粘土在新增荷载作用下2~3　d变形趋于稳定，Burgers模型和H 2K模型均能较好地模拟饱和粘土的衰减蠕变过程；而H 2K模型能更好地模拟土样在常应力作用下的蠕变特性。     

直书写打印的生鲜品质监测用温/湿度传感器

生鲜在运输和储存过程中有温度和湿度监测的需求，针对传统半导体传感器多感性、选择性差等缺点，课题组设计了一种基于石墨烯与氧化石墨烯（graphene oxide，GO）的温/湿度传感器，并采用直书写3D打印技术将其打印成型。对传感器在温/湿度变化环境下进行了性能研究和解耦分析。实验结果表明：石墨烯和氧化石墨烯分别对温度和湿度响应灵敏且互不干扰，并具有良好的稳定性和重复性，可以实现对运输及仓储环境中温度和湿度的实时、精准监控，降低生鲜的腐坏概率，保证产品质量。     

同轴波导FEL放大器的非线性分析

以同轴波导、同轴混合磁铁摇摆器为模型,导出了自洽的注波三维非线性方程组,在考虑了电子初始速度零散效应、空间电荷波效应的影响及电子注在互作用区入口处的绝热压缩过程的基础上,编制了相应的计算软件。同时,通过数值分析的方法研究了自由电子激光器的饱和效率、频带宽度等高频特性和变参数摇摆器结构对延缓饱和、提高效率的作用。     

熔融沉积成型技术中产生翘曲变形的工艺优化研究

以熔融沉积成型的3D打印过程中加工件产生的翘曲变形为研究对象,对产生翘曲变形因素的原因进行了分析,通过分析堆积层片厚度、支撑结构、填充率等工艺参数对加工件产生翘曲变形的影响程度,得出最大程度减小成形件翘曲变形的最优工艺参数,提出了降低加工件翘曲变形的相应方案.     

基于3D打印模具和凝胶注模成型的多孔氧化铝陶瓷成型工艺

针对传统方法难以成型复杂结构多孔陶瓷，且模具制作周期长、成本高等问题，课题组研究了基于3D打印模具和凝胶注模成型的多孔陶瓷材料的成型工艺。在使用光固化成型技术制作高精度规则树脂模具的基础上，优化凝胶注模工艺所需的低黏度、高固含量氧化铝陶瓷浆料，借助真空加压工艺成型氧化铝陶瓷坯件，以此实现复杂结构多孔陶瓷零件的净成形；针对工艺中陶瓷浆料在复杂结构中的充型问题，研究了浆料pH值、分散剂用量、真空加压工艺对陶瓷成型的影响，测试了坯体气孔率、抗压强度等参数。结果表明：在pH值为9、分散剂质量分数为0.4%、真空加压90 min条件下,能够制备出体积分数为52%的氧化铝陶瓷，气孔率为51.5%，抗压强度为40.1 MPa。使用该工艺制备的陶瓷材料结构完整、表面光洁，可以作为制备复杂结构多孔陶瓷部件的工艺。     

挖掘修复道路力学响应与设计方法

开挖道路对既有路面结构造成直接破坏，以致行车荷载作用下的受力模式发生变化，而现有模型对新模式下的结构变形和应力计算存在缺陷。因此，正确认识开挖后道路特征，建立新模式下结构变形和应力计算模型是掘路修复理论分析的基础。在三维有限元分析成果基础上，最终确定掘路修复的设计方法与参数。     

通用挤出型食品3D打印机的设计

为了解决当下专用食品3D打印机可打印食材种类单一的问题，课题组设计了一款可打印巧克力和面点类的通用挤出型食品3D打印机。通过SolidWorks软件设计了笛卡尔坐标系形式的机械结构，并对其滚珠丝杠螺母传动机构进行了分析计算，详细介绍了其选型过程。通过气压供料、活塞挤出的方式，实现了打印喷头的连续供料功能。针对巧克力类熔融挤出低温冷却及面点类常温挤出加热熟化的食材成型特性，设计了可实现制冷和加热切换的恒温打印平台温控系统，实现了食品3D打印成型的通用性。研究结果表明该型食品3D打印机能以连续性供料的方式打印巧克力及面点类食品，顺应了多功能发展的理念。所设计的食品3D打印机可以完成一机多用的个性化食品打印，具有一定的实用价值。     

3D鱼糜打印机结构设计及样机研制

针对目前加工鱼糜精细食品存在成型困难和成本昂贵等问题,提出了3D鱼糜打印机。打印机的支撑平台顶面和底面采用等边三角形结构,并以3根铝型材与之相连,整体呈三棱柱形状;通过同步带传动加直线导轨将步进电机的旋转运动转化为与并联臂相连接的滑块运动,带动打印平台移动;通过螺杆和铜螺母配合将步进电机的旋转运动转换为直线运动,由铜螺母相连接的压块向下运动从而压缩活塞,实现物料的挤出。通过3D鱼糜打印机样机的试制表明：所设计的3D鱼糜打印机结构简单,制造成本低,可打印出精细的鲍鱼和鲅鱼等实体模型。     

基于离散元法的混凝土三轴压缩破坏试验数值模拟

混凝土是一种非均质的多相复合材料，其破坏过程具有非常复杂的应力应变关系。利用离散元软件PFC3D，模拟混凝土试件三轴压缩破坏试验，分析了摩擦系数、孔隙率、平行粘结半径、平行粘结刚度、平行粘结强度等细观参数对混凝土试件峰值强度的影响，并对混凝土试件的破坏形式进行分析。     

基于三维校正的SHGC物体三维结构提取方法

针对SHGC(straight homogeneous generalized cylinders)图像的特点与从单幅图像中提取三维信息困难,设计了一种基于单幅SHGC图像和三维校正的三维结构提取方法。与传统的SHGC三维结构提取方法不同,该方法从三维空间中匹配的角度出发,构造一个二维横截面,在二维横截面上增加一个z轴,通过平移、旋转预先构造好的三维横截面,将构造好的横截面与原图像中SHGC物体的横截面进行兴趣点匹配,从而确定最优化结果时的仿射成像参数(λ,θ),通过成像参数可以成功提取SHGC横截面的三维信息,结合SHGC的子午线轮廓信息定性地得到整个SHGC物体的三维信息,提取SHGC表面的纹理,通过三角网格的方法将纹理贴到三维物体表面。实验论证了本文提出的三维结构提取方法是可行的和正确的。     

基于蜂窝夹套反应釜强度分析和结构设计

针对传统蜂窝夹套反应釜在结构设计时存在裕量过大，材料浪费等缺点，提出了利用有限元ANSYS软件对蜂窝夹套结构进行应力分析和疲劳校核，得到了应力强度最大点位于短管与夹套结构焊脚外壁处。在保证疲劳强度和应力强度条件下，采用ANSYS参数化语言对夹套反应釜的短管壁厚、短管直径、短管间距及夹套厚度等4个参数优化设计，并以整体结构的总质量最小作为设计的目标函数，分析结果表明优化后的质量降低了39.4%。课题组的研究成果缩减了生产制造费用，实现了降低结构质量和经济化的目标。     

基于主动混合技术的双组分硅胶打印工艺

针对目前多数增材制造设备在加工双组分硅胶材料时存在材料属性与工艺参数无法匹配的问题，课题组提出将主动混合技术应用于双组分硅胶的高精度成型，并对此进行了研究。采用控制变量的方法探究了混合间隙以及混合流道长度对硅胶线条成型均匀性以及力学性能的影响；在分析其打印原理的基础上对双组分硅胶打印工艺进行了优化。研究结果表明：双组分硅胶线条的均匀性及力学性能的稳定性随着混合流道长度的增大而增大，而在一定范围内随着混合间隙的减小而增大。通过优化后的工艺参数实现了复杂晶格结构的硅胶泡沫打印，证明了利用主动混合技术打印双组分硅胶的可行性。     

钻铤螺纹的有限元分析及应力分散槽优化设计

针对钻井技术进步带来的井下钻铤的服役条件更加苛刻、失效更加严重的问题，对钻铤螺纹失效问题进行了深入分析，找出引起钻铤螺纹失效的主要原因和失效的关键部位，利用大型三维实体建模软件Pro/E和有限元分析软件ANSYS分别对API标准钻铤螺纹进行实体建模和强度分析，得出了钻铤螺纹在不同工况、不同结构条件下的等效应力分布情况，并对ZTNC56-80型钻铤螺纹应力分散槽进行了最优化研究，找出了其最优值，并指出应力的变化与过渡圆角变化不是线性对应关系，在改进钻铤螺纹应力分散槽结构时，不能单纯以增大结构过渡圆角为手段，从而为改进钻铤螺纹应力分散槽结构提供了科学依据。     

基于Marching Cubes与Ray Casting的医学图像三维重建

本文研究了医学图像三维面绘制和体绘制的典型算法MarchingCube和RayCasting的原理和三维可视化工具包VTK的实现机制,在VC 6.0平台下,利用VTK分别实现了基于上述算法的DICOM格式的CT序列图像三维重建,并给出了关键算法和3D可视化结果。     

开放源代码硬件许可协议知识产权问题研究——以3D打印为视角

相对于较为成熟的开放源代码软件运动,开放源代码硬件仍然处于起步阶段。造成这种困境的原因主要是经济成本的阻碍和许可协议的缺失。3D打印技术的发展,为开源硬件运动的发展克服了技术和经济门槛,同时为依据知识产权法律制定许可协议提供了工艺基础。在3D打印环境下,根据专利权或者合同约束制定开源硬件许可协议存在缺陷,而以著作权为基础构建许可协议是可行的。许可协议应当包括授权性条款、义务性条款和免责性条款。著作权制度有必要以此为契机,在应对反向工程、拓展产品设计图复制权保护范围,以及构建新型邻接权等方面做出完善。通过许可协议的合理制定,可以推动3D打印开放源代码硬件运动的发展。     

高桩码头结构地震响应分析

为了研究强震区高桩码头结构在地震动作用下结构的安全性,采用快速拉格朗日时域有限差分法进行地震时程分析,并利用FLAC3D软件进行某高桩码头数值模拟。结果表明:双向地震动作用下,码头结构产生的水平、竖直残余位移较小;平台纵梁正应力及横梁正应力幅值波动较大,但均在材料的允许强度范围之内;桩体轴力幅值变化较大,但均小于其承载力。从码头结构刚度、强度角度分析,码头结构安全可靠。     

高速胶乳分离机转鼓体结构优化

针对高速胶乳离心机转鼓体受载大,应力分布不均,局部应力值大等问题,运用多目标优化设计方法,改善其结 构及应力分布。建立转鼓有限元计算模型,分析转鼓的受力和约束条件,得到转鼓体的应力和应变云图;以转鼓体外径 R1、高度H1、筒体壁厚D1和底面厚度D2作为目标参数,进行结构优化。优化结果：R1,H1和D1分别减少了4.180, 3. 640,2.353 mm,D2增加了1.518 mm;最大等效应力减小了21.09 MPa,下降率为4.29%,最大局部应力减小;总质量减 小了1. 042 kg,下降率为5.85%;最大变形量相对减小0.001 35 mm,下降率为0.65%,基本达到了优化目标。研究结果 及分析方法对碟式分离机结构优化具有参考价值和借鉴意义。     

机翼颤振模型试验在课程教学中的应用与实践

机翼颤振模型是一种观测气动弹性颤振现象的实验装置。利用风洞、振动采集系统等仪器设备，在人为控制风速、振动扰动等条件下，引起模型的气动弹性动力失稳，进入自激振动（颤振）状态。通过观察、测定和分析响应信号，帮助学生理解颤振发生的力学机制，获得气动弹性的相关知识，并发展防颤振设计的能力。本文基于气动弹性力学设计、结构弯扭刚度解耦技术、3D打印等创新手段，开展颤振风洞试验模型的自主设计与研发，应用该模型开展气动弹性教学，获得了实践教学数据。目前机翼颤振教学实验与飞行器结构力学、气动弹性概论等课程一起，共同组成了飞行器设计与工程（飞设）专业核心课程体系，是工科飞设专业的重要教学实践环节。