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空气动力学学报 2024年第1期42卷 55-66,I0002页

作者：张超孔祥壮杜雁霞王娴肖光明西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室陕西省先进飞行器服役环境与控制重点实验室西安710049 空天飞行空气动力科学技术全国重点实验室绵阳621000

飞行器热管理系统中所用的高孔隙率泡沫材料具有质量轻、比表面积大等优点,孔隙尺度几何参数的优化设计对有效提升综合传热性能、降低结构质量至关重要。以各向异性kelvin泡沫胞元为研究对象,采用混合热格子Boltzmann方法以及多GPU加速... 详细信息

飞行器热管理系统中所用的高孔隙率泡沫材料具有质量轻、比表面积大等优点,孔隙尺度几何参数的优化设计对有效提升综合传热性能、降低结构质量至关重要。以各向异性kelvin泡沫胞元为研究对象,采用混合热格子Boltzmann方法以及多GPU加速技术,实现了同时考虑泡沫骨架导热和多胞元孔隙尺度强迫对流换热的共轭传热数值模拟。在上述基础上,分别选取了Re=10、100、1000计算条件,开展了不同胞元高径比(H/D=0.5、0.75、1.0、1.5、2.0)对其流动传热特性的影响规律研究。结果表明,在不同Re条件下,随着各向异性kelvin泡沫H/D的减小,其泡沫内部的流动阻力及努塞尔数均增大,且随着Re的增大,对流换热的作用增强,H/D的影响也更为明显。此外,相比于流动阻力,结构传热性能受H/D的影响变化速率更大,由此造成综合传热因子(j/f^(1/3))与H/D成反比关系,即减小kelvin胞元H/D可有效提高泡沫结构的综合传热性能。

关键词：各向异性 kelvin泡沫流动阻力综合传热因子

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FDM增材制造有序闭孔泡沫多轴力学行为研究

FDM增材制造有序闭孔泡沫多轴力学行为研究

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作者：张丽秋湖南大学

学位级别：硕士

由于兼具轻质、高比刚度/比强度、高吸能等优良力学特性,泡沫材料被广泛应用在航空航天、交通运输、建筑工程等领域。相比无序多孔材料,有序闭孔泡沫结构具有较为优良的力学性能表现和更大的可设计性,因而已成为目前高性能多孔材料研究... 详细信息

由于兼具轻质、高比刚度/比强度、高吸能等优良力学特性,泡沫材料被广泛应用在航空航天、交通运输、建筑工程等领域。相比无序多孔材料,有序闭孔泡沫结构具有较为优良的力学性能表现和更大的可设计性,因而已成为目前高性能多孔材料研究领域的重点关注对象。本文选取有序闭孔泡沫中的典型结构kelvin十四面体泡沫和新型结构Octet-B八角泡沫为研究对象,利用熔融沉积成型(FDM)增材制造工艺实现泡沫材料的制备。通过真实试验研究和虚拟仿真分析相结合的手段,开展了单轴、压缩-剪切和三轴加载等一系列复杂工况虚拟试验,旨在揭示泡沫细观模型与宏观等效力学性能表征之间的内在映射关系。本文的主要内容如下:(1)选取FDM打印工艺中四种关键打印参数作为影响因子,利用田口法中的正交试验设计、信噪比分析和方差分析等手段,以获取泡沫基体材料最大拉伸屈服强度为目标,确定最佳打印参数组合为打印喷头温度230℃、打印分层厚度0.2mm、填充率100%、打印速率40mm/s。(2)基于最优的FDM工艺参数制备了闭孔泡沫试样,并开展单轴压缩试验。依据试验条件,进行了相应的泡沫单轴压缩有限元仿真分析。研究结果表明,相对密度是影响两类泡沫压缩性能的主导因素。由于不同密度下受力机制的差异性,kelvin泡沫的变形模式受密度影响较大,Octet-B泡沫则几乎不发生改变。(3)开展了kelvin和Octet-B泡沫在压缩-剪切加载下的数值模拟研究。分析结果表明,泡沫的法向应力随加载角度增加而减小,切向应力趋势则反之;二者均随相对密度呈现正增长。15°加载时两类泡沫变形接近0°纯压缩,45°加载时变形更加均匀,而75°加载时切应力主导出现“H”型变形特征。(4)开展了非对称三轴加载虚拟仿真试验,获取kelvin和Octet-B泡沫在von Mises等效应力σ和平均应力σ平面的初始屈服数据。采用单轴初始屈服应力对初始屈服面进行归一化处理。结果表明,10%相对密度的kelvin泡沫的初始屈服面与Zhang等人提出的中心不在原点的椭圆屈服函数更为吻合;Miller提出的改进型抛物线屈服函数能更好地刻画20%和30%相对密度的kelvin泡沫初始屈服曲面。然而,Octet-B泡沫的归一化屈服面却几乎不受密度影响,Deshpande和Fleck提出的中心椭圆屈服函数最适用于表征该类泡沫的初始屈服面。

关键词： kelvin泡沫 Octet-B泡沫 FDM打印多轴加载初始屈服面

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