检索结果-南通市图书馆

作者：伊藤誠（Ito Makoto）清华大学

学位级别：硕士

近年来,蜻蜓仿生学的微型飞行器(MAV)尤其是扑翼式飞行器的研究引起了广泛关注。作为一种微型无人驾驶飞行器,可以被用在多个领域,例如野外探查。由于尺度效应等因素,MAV的设计需要克服翼面粘性力;此外,其飞行机动性如急转弯、快速启动... 详细信息

近年来,蜻蜓仿生学的微型飞行器(MAV)尤其是扑翼式飞行器的研究引起了广泛关注。作为一种微型无人驾驶飞行器,可以被用在多个领域,例如野外探查。由于尺度效应等因素,MAV的设计需要克服翼面粘性力;此外,其飞行机动性如急转弯、快速启动和急停也是设计难点之一。然而蜻蜓的飞行具有高机动性和低能耗等特性,通过对蜻蜓飞行机制的深入研究能显著优化MAV的机翼设计。现有研究表明蜻蜓翼面上的多边形结构脉网为其提供了良好的形变灵活性,同时,翼面适度的粗糙度使其具有了超疏水性,避免了水珠的粘附。然而,前人针对翼面结构的研究并未充分探讨其所对应的空气动力学特性。为了实现对包括MAV在内的仿生飞行器设计的优化,本研究通过改变翼面“多边形结构”和“粗糙程度”等与位置相关的诸多表面形貌设计参数,通过实验和仿真计算研究不同翼面结构诱导的空气动力学行为的影响关系。为了实现实验研究蜻蜓翼脉多边形结构对空气动力学的影响,本研究通过建模及3D打印,构建了四种多边形结构。同时,在3D数字显微镜下,测量并分析了蜻蜓翼膜的粗糙度变化,并建立了相应的简化模型。最后,利用风洞实验和计算流体力学(CFD)仿真,研究了不同空气动力学特性下每个翼面模型的表面摩擦系数C,并探讨了翼面粗糙程度对空气动力学的影响。对多边形结构效应的实验和仿真研究表明:(1)在层流和过渡流的条件下,具有五边形结构的翼脉模型比具有方形结构的模型显示出更大的C值,且仅具有五边形结构的模型展示出最大的C值:(2)在湍流条件下,正方形和五边形的组合产生了最大的C值。此外,对蜻蜓翼膜粗糙度的显微观察和仿真模拟得出结论如下:(3)蜻蜓翅膀的后部区域覆有五边形脉网结构,且后部的表面粗糙度R和平均粗糙度R值大于前部:(4)对于弦向前部区域具有较大粗糙度的模型,其后部会产生较大的涡旋(α=8),从而增大了阻力系数C值:(5)升力系数C值与迎角正相关,其值的曲线与粗糙度的分布有关,这提示飞行器翼面的后部应避免较大粗糙度的结构设计。该研究结果为飞行器的结构性能优化提供了理论基础。

关键词：蜻蜓翼面多边形结构粗糙度风洞实验计算流体力学

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铸造镁铝合金疲劳与失效行为的实验研究

铸造镁铝合金疲劳与失效行为的实验研究

作者：吴必胜清华大学

学位级别：硕士

随着航天航空及汽车工业轻量化、节能化和环保化的必然趋势,承载交变载荷的镁铝合金构件越来越多的使用,引起了人们对其疲劳性能的研究兴趣。本文主要研究铸造镁铝合金显微疲劳失效行为和断裂机理,考虑各种因素(如微观结构、加载方式、... 详细信息

随着航天航空及汽车工业轻量化、节能化和环保化的必然趋势,承载交变载荷的镁铝合金构件越来越多的使用,引起了人们对其疲劳性能的研究兴趣。本文主要研究铸造镁铝合金显微疲劳失效行为和断裂机理,考虑各种因素(如微观结构、加载方式、外部环境)对镁铝合金疲劳行为的影响,最后定量地评价了镁铝合金疲劳微小裂纹扩展速率和疲劳寿命。本次研究利用带有高清晰度扫描电子显微镜(SEM)的液压伺服疲劳试验机,分别对铸造 AM50、AM60、AZ91 镁铝合金的光滑和带缺陷(小孔或缺口)试件进行了原位观测疲劳实验。通过拉伸实验及对镁铝合金微观组织的观察发现镁铝合金微观结构对其力学性能有很大的影响。尺寸于 5-50 μm 范围内时,α -Mg晶粒越小、分布越均匀,则合金强度越高;第二相组织( β -MgAl相)体积含量的增加以及网状的空间分布,同时提高了材料的强度和脆性。通过在常、高温下对试件疲劳微小裂纹演化情况的原位观察试验,发现在常温下,由于 β -MgAl相结合强度较低且脆性较强,断裂以沿晶界面为主;在高温下,由于 β -MgAl界面变软, α -Mg晶粒与晶界的变形协调性基本一致,因此,断裂以穿晶为主。微观结构很大程度上影响了微小裂纹的萌生与初始扩展,而外加载荷则决定了微小裂纹的稳态扩展阶段。通过分析知道,随着应力的提高,一对斜孔试件,孔与孔对断裂微小裂纹扩展的路径的影响变大。从断口分析可以知道,镁铝合金的疲劳失效机理有解理断裂、空洞聚集以及混合机理三种方式。并且在高温下,镁铝合金断裂方式有从解理向准解理转变的趋势。本文还对小孔在循环载荷下对应力分布的影响进行了有限元模拟与分析。本文中一个重要的工作就是通过在高温下对微小裂纹扩展的观察,然后基于微小裂纹扩展规律建立起了疲劳微小裂纹扩展速率及寿命预测公式。实验结果表明,在一定的温度下,微小裂纹扩展速率 dl /dN 是 σ和微小裂纹长度 l的函数,其中指数 n与温度成一定的线性关系。

关键词： SEM原位观测疲劳寿命评价有限元分析疲劳小裂纹疲劳断裂机理

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导电高分子薄膜力学性能实验研究

导电高分子薄膜力学性能实验研究

作者：朱随群清华大学

学位级别：硕士

作为信息革命基础的高科技材料之一，导电高分子薄膜材料是近年来材料界研究的热点。不过，到目前为止，人们主要关心的是材料的物理和化学特性、制备方法、电化学反应控制、聚合链上多种相互作用的分子形成过程和分子聚合特性等，而对... 详细信息

作为信息革命基础的高科技材料之一，导电高分子薄膜材料是近年来材料界研究的热点。不过，到目前为止，人们主要关心的是材料的物理和化学特性、制备方法、电化学反应控制、聚合链上多种相互作用的分子形成过程和分子聚合特性等，而对与实际应用密切相关的材料力学特性和疲劳损伤机理等力学问题的研究则相当匮乏。本文采用对面内位移敏感的电子散斑干涉技术和带有自制的灵敏力传感器的实验装置对不同厚度的聚噻吩薄膜试样进行了拉伸实验。此外，还利用岛津电子万能实验机对聚吡咯薄膜进行了拉伸实验。实验结果表明，聚噻吩和聚吡咯材料具有较好的力学性能。同时，这些导电高分子薄膜材料的力学性能受薄膜厚度的影响：在某一临界厚度内其力学性能非常优异，超过这一厚度力学性能有所下降。在电子扫描电镜下，通过对导电高分子薄膜拉断试样的端口SEM图和薄膜自由表面形貌SEM图的分析发现：导电高分子薄膜材料的微结构和它们的力学性能之间有非常密切的关系。薄膜自由表面结构越均匀越致密，薄膜的力学性能越好。河床状结构、帽状聚合体结构和三维岛状结构的薄膜具有优异的力学性能（拉伸强度和韧性）。论文很重要的一个工作是研究导电高分子薄膜制备工艺参数对薄膜力学性能的影响。通过对聚吡咯导电高分子薄膜制备工艺涉及到的电解液浓度、生长位置、溶液温度等参数的调节，并对所得薄膜材料进行了物理和力学性能检测。结果发现，当添加剂PEG的浓度不变时，改变BFEE的浓度可以改变薄膜材料的性能，其中以30％的BFEE浓度为最佳;当固定电解液中BFEE浓度不变时，改变添加剂的浓度对制备的薄膜性能参数影响不明显，但以PEG100为临界;降低温度，可以使薄膜生长减缓，有利于得到性能更好的薄膜。论文的最后部分是薄膜和基底系统疲劳破坏模式实验研究。在高倍显微镜下进行观察得到薄膜在不锈钢基底上疲劳破坏形式主要表现为微裂纹的萌生和扩展、碎片和脱粘。薄膜的疲劳破坏受薄膜合成工艺的影响非常大。特别地，疲劳脱粘和碎片破裂可能主要是由电化学沉积机理和边缘效应引起的。

关键词：导电高分子薄膜力学性能 SEM 电化学合成疲劳破坏模式

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蜻蜓翅膀微结构与力学行为的仿生分析研究

蜻蜓翅膀微结构与力学行为的仿生分析研究

作者：陈应龙清华大学

学位级别：硕士

生物材料在力学性能方面的优异表现吸引了大批材料学和力学研究者，蜻蜓翅膀作为一种生物材料，同时也是蜻蜓的飞行器官，本身轻且薄，但是其比强度和比刚度对比航空铝合金材料有着非常大的优势，而它的力学性能与其结构是息息相关的。... 详细信息

生物材料在力学性能方面的优异表现吸引了大批材料学和力学研究者，蜻蜓翅膀作为一种生物材料，同时也是蜻蜓的飞行器官，本身轻且薄，但是其比强度和比刚度对比航空铝合金材料有着非常大的优势，而它的力学性能与其结构是息息相关的。本文从研究蜻蜓翅膀的微结构出发，在实验观察的基础上，从多个尺度表征蜻蜓的翅膀结构，并建立了相关的力学模型，通过理论和模拟的方法分析了蜻蜓跨尺度下的结构与其力学行为包括气动力学行为之间的关系。本文首先测量了蜓翼在宏观尺度下的形状和重量参数，利用贝塔分布函数描述了蜻蜓前后翼的轮廓，并利用重量参数计算得到了蜓翼关于翼根部连接点的惯性矩和重心位置。随后，通过ESEM观察了蜓翼在微米和纳米尺度下的微结构，结果显示，蜻蜓翅膀是一种多级复合生物材料，它有三级结构：一、蜓翼有茎脉与翅膜组成，茎脉中的处于翼前缘的主要茎脉在三维空间内的凹凸排列形成第一级的“W”形褶皱结构;二、纵脉的三明治结构与翅膜的上下分层结构为第二级结构;三、三明治结构中的内外几丁质层与翅膜上下表层都为纳米薄层平行堆积而成，三明治结构的中间蛋白层中则存在环向生长的纳米纤维，此为第三级结构。此外，通过理论模型分析，本文明确了蜓翼各级结构的力学特性以及彼此间的关系，认为蜓翼突出的两个显著特征为褶皱和精细的微结构，而褶皱又是由微结构诱导，认为蜓翼“W形”褶皱前缘与背部肌肉的连接结构类似于扭簧。蜓翼结构与力学行为之间的关系表现为两个方面。一方面，蜓翼利用了各级结构突出的力学性能，因蛋白质层的介入和外层几丁质的纳米分层使得蜓翼在弯矩作用下表现更为柔性，在扭矩作用下，因为蛋白质层与几丁质层间的接合机制和蛋白质中嵌入的纳米纤维，使得蜓翼能承担较大的扭转变形，扭簧的结构甚至具有主动控制飞行姿态的能力;另一方面，蜓翼的这种结构是由其力学行为决定的，蜓翼处于弯矩和扭矩单独或者耦合作用的工况下，为了满足其飞行要求，蜓翼在长期的进化中选择了这种多级结构。对蜓翼整体结构的自然频率与模态的模拟分析显示褶皱结构增加了翅膀整体结构刚度。

关键词：蜻蜓翅膀褶皱微结构扭簧模型力学行为

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夹杂物对超高强度钢微观破坏机制的研究

夹杂物对超高强度钢微观破坏机制的研究

作者：梁锋清华大学

学位级别：硕士

随着世界经济的发展,钢铁材料以高强、高韧、轻量、高功能化为目标进行着研究,在众多领域要求实现钢材的高强度化,可以说对于21世纪的钢铁材料来说,高强度化是一个大的发展领域。但是由于熔炼原料不纯或处理不当等一些冶炼原因,金属材... 详细信息

随着世界经济的发展,钢铁材料以高强、高韧、轻量、高功能化为目标进行着研究,在众多领域要求实现钢材的高强度化,可以说对于21世纪的钢铁材料来说,高强度化是一个大的发展领域。但是由于熔炼原料不纯或处理不当等一些冶炼原因,金属材料中总是或多或少的存在一些夹杂物(硬质或软质)。而在金属材料中即使存在很少量的夹杂物,也足以影响金属材料的性能,降低材料的质量尤其是使材料的关键力学性能指标——低周疲劳寿命大大降低。大量实验观察表明,硬质夹杂物是超高强度钢主要的裂纹萌生源。因此,研究高强度钢中夹杂物对钢的性能的影响就显得尤为重要。本文研究利用带有高清晰度扫描电子显微镜(SEM)的液压伺服疲劳试验机,对含有不同形状和大小的夹杂物的超高强度钢MA250和GE1014进行了原位观测实验研究。主要研究了的微观、瞬态时夹杂物附近裂纹生长行为和断裂机理。试验中不仅考察不同形状,大小夹杂物对超高强度钢的裂纹萌生与扩展行为的影响,还研究了不同载荷类型下的裂纹萌生与扩展行为,尤其是疲劳载荷下的夹杂物对疲劳裂纹萌生与扩展的影响。比较了夹杂物长轴平行加载方向时和垂直加载方向时裂纹不同的萌生位置及起因。在我们的大量试验结果中(薄试样、低周疲劳),超高强度钢夹杂物对疲劳裂纹萌生与稳态扩展的关键尺寸是10μm-20μm。疲劳裂纹萌生有三种基本形式:夹杂物开裂、夹杂物和基底材料的脱裂以及基底材料中滑移线上的开裂。微观结构很大程度上影响了微小裂纹的萌生与初始扩展,而外加载荷则决定了微小裂纹的稳态扩展阶段。本文还通过对各种情况下的断裂断口形貌特征进行了分析,比较了表面观察结果到疲劳失效过程和内部失效过程中的各种异同。这对了解超高强度钢的整个疲劳行为来说是一个很重要的内容。本文利用有限元方法粗略地对不同大小,形状的夹杂物对疲劳裂纹的影响进行了模拟计算,并与实验结果进行了对比。

关键词：夹杂物低周疲劳 SEM原位观测疲劳断裂机理有限元模拟