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基于介电高弹体褶皱失稳的抗海洋生物淤积研究

基于介电高弹体褶皱失稳的抗海洋生物淤积研究

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作者：杨中杰广州大学

学位级别：硕士

海水中含有大量的海洋生物,它们能够附着、生长在海洋装备表面,形成海洋生物淤积。这不仅对海洋装备、海洋工业、生态环境等造成了严重的危害,而且造成了巨大的经济损失。作为传统的抗海洋生物淤积方法,涂装有毒的防污涂料因为对非目标... 详细信息

海水中含有大量的海洋生物,它们能够附着、生长在海洋装备表面,形成海洋生物淤积。这不仅对海洋装备、海洋工业、生态环境等造成了严重的危害,而且造成了巨大的经济损失。作为传统的抗海洋生物淤积方法,涂装有毒的防污涂料因为对非目标生物和海洋环境造成了严重的危害和污染而在全球范围内被禁止使用。随之发展而来的绿色、环保的抗海洋生物淤积方法,如:涂装无毒、低毒的防污涂料或采用物理手段清除海洋生物淤积等,虽然减少了海洋生物淤积的危害,但仍然受限于抗污的成本、时效性、经济性等问题。因此,发展一种经济性好、可重复的抗海洋生物淤积新方法尤为重要。受到自然现象的启发,现有研究从实验角度证明了利用介电高弹体(Dielectric Elastomer,DE)褶皱失稳能够有效清除海洋生物淤积,并且具有绿色、环保、经济性好、可重复等优点,但缺少了定量表征抗海洋生物淤积效果的相关理论。基于此,本文首先从单轴拉伸试验入手,测试了一系列不同类型的DE材料的力学性能及材料参数,并开展了初步的褶皱失稳实验。此外,建立了 DE褶皱失稳的力电耦合有限元模型,预测了 DE薄膜的褶皱失稳形貌。进一步,建立了生物淤积与DE薄膜的简化的接触力学模型,量化了DE褶皱失稳抗海洋生物淤积的效果。最后,探究了不同关键参数对抗海洋生物淤积效果的影响规律。主要研究工作如下:(1)通过单轴拉伸试验,测得了一系列DE材料的力学性能和材料参数,并开展了初步的褶皱失稳实验。首先,利用单轴拉伸试验测量19种VHB系列DE材料的力学特性曲线,并基于DE力学本构方程,求解材料的剪切模量和拉伸极限,为未来探究不同DE材料对抗海洋生物淤积效果的影响奠定了基础。进一步,制备一种圆形DE驱动器,进行初步的褶皱失稳实验,为将来开展抗海洋生物淤积实验研究做出了积极的实践和探索。(2)建立了 DE褶皱失稳的力电耦合有限元模型,预测了褶皱失稳形貌响应。通过商用有限元软件ABAQUS中的用户子程序UANISOHYPERNV建立DE褶皱失稳的力电耦合有限元模型,利用后屈曲分析预测DE薄膜的褶皱失稳形貌,并求解褶皱形貌参数。此外,定义了一个无量纲关键参数η(η=A/λ),并采用线性函数η((?))表征褶皱失稳形貌与电压的关系。(3)建立了生物淤积与DE薄膜的简化的接触力学模型,量化了褶皱失稳形貌与抗海洋生物淤积效果的关系。首先,将生物淤积与DE薄膜的接触问题简化为二维问题,并采用生物淤积分离力衡量抗海洋生物淤积效果。此外,将生物淤积与DE薄膜的接触方式分为单点接触、两点接触和多点接触。进一步,建立接触力学模型,求解三种接触方式下的无量纲分离力表达式。由于表达式均为关于η((?))的函数,因此只需通过改变输入DE薄膜的驱动电压即可实现对生物淤积分离力的实时调控。(4)研究了不同关键参数对抗海洋生物淤积效果的影响规律。结合前面建立的有限元模型和接触力学模型,探究不同关键参数:预拉伸倍数、驱动电压、DE材料、DE材料杨氏模量对生物淤积分离力的影响规律。研究发现,预拉伸对清除海洋生物淤积起到关键作用,且对于DE材料VHB4905,预拉伸倍数取1.5是一种优选。此外,通过调节驱动电压能够调控DE薄膜的褶皱失稳形貌,从而实现对生物淤积分离力的实时调控。进一步,在所研究的DE材料中,VHB9473在单点接触条件下是一种优选,而VHB4910则更适用于两点接触和多点接触条件下。最后,对于单点接触和两点接触,材料的杨氏模量越小,抗海洋生物淤积效果越好;而多点接触条件下的抗海洋生物淤积效果基本不受材料弹性模量的影响。

关键词：抗海洋生物淤积接触力学模型介电高弹体薄膜褶皱失稳生物淤积分离力

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层级薄板结构的拉伸皱曲与裂纹扩展特性研究

层级薄板结构的拉伸皱曲与裂纹扩展特性研究

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作者：尹悦哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

薄板结构广泛地应用在航空航天领域,但是薄板结构在其服役期间往往会由于褶皱失稳或裂纹形成而导致结构和功能失效,甚至会引发安全问题。当薄板结构受到压应力时容易失稳产生褶皱,对于高精度要求的航空航天领域,褶皱形成意味着结构失效... 详细信息

薄板结构广泛地应用在航空航天领域,但是薄板结构在其服役期间往往会由于褶皱失稳或裂纹形成而导致结构和功能失效,甚至会引发安全问题。当薄板结构受到压应力时容易失稳产生褶皱,对于高精度要求的航空航天领域,褶皱形成意味着结构失效。同样,薄板在长期服役过程中也容易产生微裂纹,在外界载荷的作用下裂纹会不断扩展,导致结构断裂。所以研究褶皱和裂纹形成机制,设计高稳定性、高强度和高韧性结构具有重要意义。首先,研究了薄膜结构在拉伸载荷的作用下失稳形成褶皱的过程。建立了受单轴拉伸的薄膜模型,通过有限元仿真的方法获取了薄膜结构的失稳过程和褶皱模态。探究了薄膜开孔位置和改变结构刚度对薄膜结构褶皱形成的影响规律,提出了变刚度结构力学模型,通过改变局部刚度的方法达到调控褶皱的目的。借鉴贝壳等生物的层级结构,选取两种不同刚度的材料,通过改变两种材料的分布设计出三种不同的单胞模型,并通过有限元仿真得到三种单胞结构的相关参数。通过在每个区域随机分布不同的单胞建立层级薄板结构,分析了褶皱的最终形式,根据褶皱的不同形式进行分类。通过机器学习来探究了不同的单胞分布对褶皱的影响,获取了层级结构对褶皱影响的分类规律。在此基础上提出混乱度的定义来描述材料的分布情况,通过机器学习来探究混乱度与褶皱分布之间的规律,并在误差允许的范围内来评价了以上两种分类方法的可行性。研究了变刚度对抑制薄板结构裂纹扩展的影响。建立带有预制裂纹的层级薄板模型,并划分为64块区域,每个区域随机分布不同的单胞（上面设计的三种单胞）。探究了不同的单胞分布对薄板结构抑制裂纹扩展影响规律。对于这种非均匀材料提出有效强度和有效韧性的定义,以此来判定不同的结构对抑制裂纹扩展的效果。该模型具有非常大的样本空间,故通过机器学习的方法来探究不同的单胞分布对抑制裂纹扩展的影响,最后优化出相对已有样本更好的结构,该结构具有更高的有效强度和有效韧性,即优化出可以更好的抑制裂纹扩展的变刚度分布结构。

关键词：层级结构褶皱失稳裂纹扩展机器学习混乱度

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