基于ABAQUS的CCF300碳纤维层合板低速冲击破坏数值模拟

为了更有效预测国产碳纤维增强材料在冲击载荷下的损伤情况,以国产碳纤维（CCF300）/环氧树脂（5228）复合材料层合板为对象,利用专业有限元仿真软件ABAQUS进行冲击破坏性能数值模拟研究。采用复合材料渐进损伤法,建立CCF300碳纤维层合板在低速冲击载荷下的损伤和变形三维有限元模型。通过三维实体单元模拟层合板,利用内聚力接触模拟单层板间的接触,从而模拟层合板层内和层间的不同失效模式。使用FORTRAN语言编写ABAQUS材料用户子程序VUMAT实现模拟,程序中包含本构方程的求解、损伤准则对单元失效的判定和损伤单元参数退化3部分,材料的单元失效是通过引入状态损伤变量来判断。仿真模型可通过调用子程序来模拟复合材料的纤维拉伸、压缩失效、基体开裂、挤压失效4种层内损伤,同时ABAQUS本身可以模拟材料分层损伤。通过仿真得到了材料的最大冲击破坏载荷和损伤模式的效果图。     

复合材料层合板冰雹冲击损伤研究

针对T700/TDE-85型碳纤维增强树脂基复合材料层合板进行了冰雹高速冲击损伤分析研究。采用空气炮试验系统开展了2种不同速度的冰雹冲击层合板试验,对层合板内部损伤进行了超声C扫描无损检测;基于复合材料渐进损伤模型和内聚力模型建立了冰雹冲击复合材料层合板的有限元分析模型,根据冲击试验结果验证了模型的有效性;采用数值模拟分析了铺层方式、冲击速度及冰雹尺寸对层合板冲击损伤的影响规律。研究发现,正交铺层层合板抵抗分层能力较强,准各向同性铺层层合板抵抗变形能力较强,同等冲击能量下小尺寸冰雹更易引发层合板分层损伤。     

热处理工艺对铝基复合材料组织与性能的影响

为了提高铝基复合材料的稳定力学性能,避免发生失效,课题组通过粉末冶金法和搅拌铸造法分别制备了6061Al合金和碳化硼（B4C）质量分数为10%的B4C/6061Al铝基复合材料,然后通过T6工艺对其进行热处理(535 ℃保温5 h后温水淬,165 ℃时效4.5 h)。采用扫描电子显微镜(SEM)观察2种材料的微观组织形态,并运用万能拉伸试验机测试其力学性能。研究结果表明：热处理后的6061Al合金的屈服强度和拉伸强度分别为204和210 MPa;而经过热处理的B4C/6061Al复合材料的屈服强度和拉伸强度分别为221和246 MPa,相对于热处理前的屈服强度和拉伸强度分别提高了66%和62%,但热处理对2种材料的延伸率影响不明显。热处理后的复合材料断裂形态显示出6061Al合金的延性断裂,基体与碳化硼颗粒之间存在界面脱粘以及颗粒产生的断裂现象。     

断簧对浮置板轨道结构振动特性的影响分析

为研究钢弹簧隔振器断裂对浮置板轨道结构振动特性的影响,通过有限元软件建立车辆-轨道耦合模型,利用有限元模拟方法,研究分析了钢弹簧断裂对轨道结构振动特性的影响规律。研究结果表明,不同数量和不同位置的钢弹簧失效对车体和浮置板振动加速度的影响较小且各种工况下的各个加速度指标皆满足规范要求。钢弹簧失效数量越多,浮置板垂向位移、钢轨垂向位移和钢弹簧支点力就越大。钢弹簧失效数量相等情况下,随着钢弹簧失效位置沿线路纵向距离的增加,浮置板垂向位移幅值就越小。板端钢弹簧失效时钢轨垂向位移比板中钢弹簧失效时的大,而板端钢弹簧失效时的钢弹簧支点力比板中钢弹簧失效时的小。     

低屈服钢拉伸试验与数值研究

为了了解低屈服钢的拉伸性能，开展拉伸试验并进行数值研究:采用圆棒试件进行单轴拉伸试验，分析试件的力 位移曲线 、延展性以及断裂模式等；基于幂强化法和加权平均法计算材料颈缩后的真实应力 应变数据；采用扩展有限元方法对圆棒试件的拉伸、颈缩以及断裂过程进行 数值模拟。通过与试验数据的对比发现：加权平均法可以得到与实际相吻合的颈缩后的真实应力 应变数据；扩展有限元方法可以对低屈服钢的拉伸、颈缩与断 裂过程进行有效的仿真。     

激光选区熔化CoCrFeMnNi高熵合金微观组织及力学性能研究

为了探究采用金属增材制造技术对高熵合金的制备，课题组采用激光选区熔化技术（SLM）成功制备冶金结合良好的CoCrFeMnNi试样，并对成形件的微观组织及力学性能进行分析。研究发现SLM成形的CoCrFeMnNi高熵合金相为单一面心立方相（FCC）FeNi，样品微观组织在不同成形方向上呈各向异性：沿水平方向，内部以胞状晶为主；沿成形方向，内部以柱状晶为主，组织为“鱼鳞”状形貌，单个柱状晶粒最长为70 μm，穿过多个成形层并显现外延生长特征。EDS结果表明SLM成形件的各元素分布平均，未呈现显著的成分偏析。拉伸测试结果显示SLM成形件屈服强度和抗拉强度为569 MPa和690 MPa，延伸率为16％，相较于铸态件分别提高了145％和24％，而塑性比铸态件降低了63％。SLM成形件拉伸断口形貌呈现以脆性断裂为主的混合断裂特征。     

空间网状吊杆系杆拱桥吊杆断裂对结构的力学性能分析

以某宽幅空间网状吊杆钢箱系杆拱桥为研究背景，分析空间网状吊杆系杆拱桥吊杆断裂后的稳定状态下对结构的力学性能影响。通过模拟吊杆断裂后的状态，分析同侧吊杆断裂的数量以及断裂位置对剩余吊杆内力、主梁内力、主拱内力、主梁线形、主拱线形的静力学特性。结果表明，吊杆断裂后，相邻吊杆会发生内力重分布的现象，距离断裂位置越近，受到的影响越大；吊杆断裂后，会在其断裂位置附近出现位移减少的峰值，距离断裂位置越远，对主梁和主拱的线形影响逐渐减小；通过分析单根吊杆断裂和2根吊杆断裂可知，吊杆断裂后对主梁和主拱影响最大的位置为拱脚位置和跨中位置。     

轨道结构分析模型的探讨

指出了Winkler假设在模拟有碴轨道结构时的缺陷，提出用单向弹性支承交叉梁系模型分析轨道结构，并与弹性支承交叉梁系模型的计算结果进行比较，显示出本文的方法能够更真实地模拟实际结构的受力状况。     

激光直写法制备超疏水PDMS表面

为探究激光直写制备超疏水PDMS表面的方法，课题组通过激光点阵列直写制备了具有不同粘附力的超疏水表面。使用飞秒激光点阵列扫描在PDMS表面制备微纳结构，通过改变激光功率和扫描点间距实现了不同疏水性和粘附力的超疏水表面。通过对界面润湿状态的分析，研究了表面结构疏水性和粘附性转变的原因。结果表明：使用飞秒激光直写点阵列结构在PDMS上制备超疏水表面是一种有效且可调粘附性的方法。     

树脂基复合材料固化过程中的温度和热应力场三维瞬态分析

建立了热固性树脂基复合材料固化过程温度和热应力场分析的数学模型,采用有限元方法,进行了三维非稳态数值求解。通过与已有实验结果的比较,验证了数学模型和计算方法的正确性。获得了3234/T300层合板固化过程中内部温度及热应力分布,分析了保温时间、升温速率、铺层设计等对温度、内部热应力的影响。数值计算结果表明:预固化时间越长,层合板内温度梯度越小,热应力峰值越低;升温速率越大,层合板内温度梯度越大,热应力峰值越大;采用对称铺层可降低层合板内部温度梯度和热应力。     

球磨法制备生物炭及其对亚甲基蓝的吸附研究

以白果、活性污泥为原料,限氧热解制得生物炭,再由球磨机球磨后制得不同粒径生物炭,探究其对水中亚甲基蓝的吸附性能影响.通过FT-IR对生物炭结构进行了表征,采用静态吸附实验探讨吸附规律,结果表明:球磨可以使材料化学键断裂、重组,湿磨5h的白果生物炭对亚甲基蓝的吸附量从16.47mg/g提升至182.63mg/g,吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir等温线模型,以化学吸附为主,属于单分子层吸附.     

基于一阶响应面法的铺层参数对叶片性能的耦合影响分析

风力机叶片性能随铺层参数的不同而不同.本文依据一阶响应曲面设计原理,设计了铺层参数不同水平的方案.以整体结构性能最优为目标,铺层参数为自变量,叶片强度、刚度为响应变量,采用Minitab中的田口设计法进行试验设计,模拟了叶片的静态结构性能;经多元线性回归构建了铺层参数与Tsai-wu失效因子、最大位移之间的一阶数学模型,进行了显著性检验;分析了铺层参数对叶片性能的影响,验证了方法的可行性和有效性.     

金属材料铣削力及振幅预测模型

为了实现对加工过程中铣削力动态变化的预测，课题组构建了金属材料铣削力及振幅的预测模型。首先通过仿真与试验相结合的方法，探究不同材料在不同主轴转速和轴向切深下的铣削力特性；在确认仿真模型准确的基础上进行铣削力的正交仿真，采用回归分析的方法构建平均铣削力及振幅的预测模型。结果表明：不同材料的平均铣削力受主轴转速和轴向切深的影响不同，但铣削力的振幅大小与主轴转速和轴向切深均呈正相关。课题组所提出的铣削力及振幅预测模型可以为铣削参数的合理选择提供参考。     

基于调制函数的振动力学模型全参数估计

为提高振动力学模型的精度，课题组对振动力学参数展开研究。基于经典系统力学模型通过在定义域内进行级数展开，重构动力学模型；应用分部积分法及引入调制函数将微分问题转化为关于加速度的积分方程，以便于获取加速度信息作为输入；采用最小二乘法估计刚度、阻尼值，应用雅克比正交级数来表示未知力，从而实现动力学模型全参数的估计。通过估计值和真实值对比验证了课题组所提出的估计方法的准确性。该方法可实现未知参数下的动力学建模，具有一定工程应用价值。     

基于速度环补偿的零力控制方法

针对当前零力拖动控制方法成本较高、系统复杂的缺点，课题组提出一种基于速度环补偿的零力控制方法，适用于小型机械臂的拖动示教。根据伺服电机励磁电流与力矩的线性关系，利用电流检测代替复杂的力矩传感器，并通过实验验证这一替代的可行性；设计一种模拟人手拖动单关节电机实验方法，运用控制变量法研究在外力拖动下关节电机转速与励磁电流之间的关系。实验结果表明外力不变时存在一个转速使励磁电流值最小，此时对应了需要的拖动力最小。本研究验证了基于速度环进行零力控制的可行性，为零力控制提供了新的思路。     

电动汽车电池包底部锥状物冲击下的力学响应分析

为研究地面碰撞事故对电动汽车电池包的损伤,以某款电动汽车的电池包为研究对象。通过建立电池包的CAD模型,在Hypermesh中建立电池包的精细化有限元模型,随后通过模态实验与仿真证明了模型的准确性。动态速度下的侵入是地面碰撞过程中的主要故障模式。采用速度为1～5 m/s的锥形冲头对电池包进行动态冲击,得到冲击载荷作用下电池包结构的应力和应变分布情况及最大值,将结果与准静态作用下的结果进行比较,结果显示:不同速度作用下的电池包失效位移小于准静态下失效位移,且随着速度的增大,失效位移越来越小,但是失效的临界力却更大。进一步对不同锥形冲击物的顶角和顶端半径进行参数化研究,全面揭示电池包在地面冲击下的响应。研究结果对于动力电池包的地面碰撞分析及电池包的安全性能研究有参考意义。     

新型角接触球轴承预紧装置设计

为实现轴承预紧的动态调节，课题组设计了一种新型的主轴轴承自调节预紧装置。该装置采用对称性结构，可通过调整离心力的输出方向，来满足同向和背对背安装轴承的预紧力调节需求；并且能根据主轴转速变化，利用质量元件产生的离心力自动调整轴承预紧力；通过设计轴承变预载系统，对装置的运行机理进行了分析；利用ANSYS有限元仿真分析软件对装置进行接触非线性分析，研究了装置不同转速时的动态预紧性能。研究结果表明：该装置既能在低速时提供大的预紧力，又能在高速时以二次函数关系式的形式自动减少轴承的预载，具有很好的预紧性能。课题组的研究为轴承预紧结构的设计提供了新思路。     

流体诱发换热器管束弹性不稳定性的数值模拟

针对常规换热器频发的振动破坏现象，课题组基于动网格技术和双向流固耦合方法，建立了流体诱发管束振动的三维数值模型。采用数值模拟对实验难以 获得的管束振动轨迹进行了补充；研究了管束发生流体弹性不稳定性时主振方向的变化；分析了管子位置的分布对振动的影响；探究了管束的排列方式和节径比 对流体弹性不稳定性的影响。结果显示：流体弹性不稳定性先发生在曳力方向，后发生在升力方向；位于边缘的管子的振幅大于中间管子的振幅；在4种排列方 式的管束中，发生流体弹性不稳定性从难到易依次为正方形、正三角形、转置正方形、转置正三角形；在一定的范围内，节径比越小，越易于发生流体弹性不稳 定性。课题组对换热器管束在模拟方面的研究可对工程应用起到一定的指导作用。     

固定张紧带式输送机动力学分析的意义

本文将带式输送机的静态设计与动态分析综合，在静态设计的基础上对固定张紧方式下胶带动态特性进行研究。根据分析，提出了对带式输送机进行动力学分析的必要性。     

雷达吸波结构机理分析及电磁设计方法研究

主研人员：饶克谨 赵伯琳 高正平 杨华军 饶 力 罗 威 王 卓 苟 益 刘红星 系统地进行了单向和多向碳纤维层板、多向有耗SiC铺层板、加入吸收剂的纺织纤维板雷达反射特性、电磁参数预测方法的研究，完成了预测软件，理论计算结果与实验验证吻合较好；独立开发出了浸渍吸收剂蜂窝板的反射系数和等效电磁参数预测的关键技术，包括研究加入有耗介质的蜂窝结构散射电场的计算和电磁参数预测，完成了预测软件；将遗传算法用于宽频带多层吸波材料的优化设计和电路模拟吸波材料的设计方案探索；进行了吸波结构导流板的机理分析…