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考虑几何非线性的正交各向异性层合板随机振动响应数值解

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机械工程学报 2024年第2期60卷 224-233页

作者：张玄刘源侯耀东张承双尹维龙邓清扬哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001 西安航天复合材料研究所西安710025

为提高卫星用复合材料结构随机振动响应的分析精度,充分考虑结构几何非线性特征,提出正交各向异性中厚板的非线性随机振动响应数值求解方法。首先,基于一阶剪切变形理论建立矩形中厚板的运动方程。然后,采用伽辽金法和摄动法求得层合板... 详细信息

为提高卫星用复合材料结构随机振动响应的分析精度,充分考虑结构几何非线性特征,提出正交各向异性中厚板的非线性随机振动响应数值求解方法。首先,基于一阶剪切变形理论建立矩形中厚板的运动方程。然后,采用伽辽金法和摄动法求得层合板结构的非线性固有频率。在此基础上,结合等效线性化法和虚拟激励法推导得到三种边界条件下正交各向异性中厚板的非线性随机振动响应数值解。采用提出的非线性随机振动数值解法,结合具体实例分析卫星用复合材料中厚板的随机响应特性,结果表明,采用线性化方法和非线性化方法求解中厚板随机振动响应的结果存在很大差异,非线性方法可显著提高随机振动响应数值求解的精度;外加激励较小时,相同的弯曲边界条件下,不同平面边界条件对随机振动响应的功率谱密度和均方根影响较小,而外加激励较大时不同平面边界条件对随机振动响应的影响显著。提出非线性随机振动响应求解方法为卫星结构动力学分析提供了新的研究思路和研究方法,具有重要的理论研究和工程应用价值。

关键词：几何非线性正交各向异性层合板随机振动中厚板数值解

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超构透明吸波体的研究前沿与展望

中国科学：技术科学 2024年第6期54卷 1021-1035页

作者：宋梓诚闵萍萍张锐聪贺乔柏杨磊王天宇韩杰才朱嘉琦哈尔滨工业大学航天学院复合材料与结构研究所哈尔滨150080 哈尔滨工业大学郑州研究院郑州450018 哈尔滨工业大学分析测试中心哈尔滨150080 哈尔滨工业大学能源科学与工程学院哈尔滨150080

吸波材料在电磁隐身技术中发挥着至关重要的作用.与非透明材料相比,透明材料实现电磁吸收面临更复杂和独特的挑战.经典透明吸波体在光学透过率、厚度、电磁吸收带宽、倾角与极化稳定性等多项指标存在难以调和的矛盾.随超构材料应用于透... 详细信息

吸波材料在电磁隐身技术中发挥着至关重要的作用.与非透明材料相比,透明材料实现电磁吸收面临更复杂和独特的挑战.经典透明吸波体在光学透过率、厚度、电磁吸收带宽、倾角与极化稳定性等多项指标存在难以调和的矛盾.随超构材料应用于透明吸波体,上述核心性能指标得到显著改善,从而促进了其在电磁隐身领域的实际应用.本文针对超构透明吸波体研究工作进行了综述,首先介绍了透明吸波体的光学透明与电磁隐身原理,并对经典透明吸波体工作原理与局限进行分析与总结.随后对超构材料改善透明吸波体在宽带电磁吸收、倾角与极化稳定性经典性能的研究进展与设计方法进行了总结.为预示未来发展方向,本文详细阐述了近年来透明吸波体在混合机制设计、多光谱设计、动态可调性能的技术原理与研究前沿,并展望了新兴方向为透明吸波体带来的多机制、多功能、智能化的发展机遇.

关键词：透明吸波体电磁隐身宽带雷达散射截面积漫反射吸波体

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硫族MAX相硼化物的物相稳定性和性能预测

无机材料学报 2024年第2期39卷 225-232,I0001-I0003页

作者：张宇晨陆知遥赫晓东宋广平朱春城郑永挺柏跃磊哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室/复合材料与结构研究所哈尔滨150080 哈尔滨师范大学化学与化工学院哈尔滨150025

Zr2SB、Hf2SB、Zr2SeB、Hf2SeB、Hf2TeB都是近期发现的硫族MAX相硼化物,与典型MAX相相比,具有明显不同的性质,因此备受人们关注。本文采用第一性原理并结合“线性优化法”、键刚度模型和准简谐近似研究了MAX相硼化物(M=Zr,Hf;A=S,Se,Te... 详细信息

Zr2SB、Hf2SB、Zr2SeB、Hf2SeB、Hf2TeB都是近期发现的硫族MAX相硼化物,与典型MAX相相比,具有明显不同的性质,因此备受人们关注。本文采用第一性原理并结合“线性优化法”、键刚度模型和准简谐近似研究了MAX相硼化物(M=Zr,Hf;A=S,Se,Te)的物相稳定性、力学性能和热性能。理论分析结果与目前可用的实验结果一致。经热力学和本征稳定性分析后发现,只有M2AB可以稳定存在。较短的M−A键与M−B键长使Hf系化合物的键刚度高于Zr系化合物,这也同样导致Hf系化合物的硬度高于Zr系。随着A元素由S到Se再到Te,M−B与M−A键长逐渐增加,键刚度减小导致弹性模量降低。而且,这些化合物的体积模量取决于其平均化学键刚度。更加重要的是,最弱键和最强键的刚度比(kmin/kmax)较高,显示这些MAX相硼化物不同于传统MAX相,均呈本征脆性。考虑晶格振动(声子)和电子激发的贡献后计算得到M2AB等压热容及热膨胀系数(TEC),均在300 K以下随温度升高先快速上升后上升速率逐渐降低,这与其它MAX相类似。较低的键刚度导致Zr系MAX相硼化物的平均线热膨胀系数整体上高于Hf系,而且在300~1300 K区间与大部分MAX和MAB相一致。

关键词：第一性原理 MAX相硼化物物相稳定性力学行为热学性能

碳纤维增韧陶瓷基复合材料高温氧化性能研究进展：氧化机理、氧化损伤实验与模型

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复合材料学报 2024年

作者：方国东王章文李赛王兵孟松鹤哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所

碳纤维增韧陶瓷基复合材料兼具陶瓷材料优良的抗氧化腐蚀性能和碳纤维材料增强增韧的力学性能，已成为最有潜力的高超声速飞行器热防护候选材料。碳纤维增韧陶瓷基复合材料在多物理场耦合服役环境下的高温氧化损伤失效机理对热防护材料... 详细信息

碳纤维增韧陶瓷基复合材料兼具陶瓷材料优良的抗氧化腐蚀性能和碳纤维材料增强增韧的力学性能，已成为最有潜力的高超声速飞行器热防护候选材料。碳纤维增韧陶瓷基复合材料在多物理场耦合服役环境下的高温氧化损伤失效机理对热防护材料设计及性能表征与评价至关重要，也一直是国内外学者研究的热点。本文从高温氧化机理、耦合失效实验、高温氧化模型三个方面对C/SiC和C/ZrB2-SiC复合材料进行详细论述和总结，对相应的研究方法的局限性和适用范围进行分析和评价，并展望了碳纤维增韧陶瓷基复合材料氧化损伤研究的发展趋势，进而为碳纤维增韧陶瓷基复合材料在热力氧耦合条件下的热/力响应及性能评价研究奠定理论模型基础。

关键词：碳纤维增韧陶瓷基复合材料氧化机理损伤失效实验氧化模型

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仿真模拟主动调节负泊松比力学超材料

复合材料学报 2024年第1期41卷 467-476页

作者：姚永涛丛琳王鸿涛王军哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨150080 内蒙动力机械研究所呼和浩特010000

负泊松比材料作为一种新型的超材料,鉴于其优异的力学性能,在航天、航空、工业、医药科学等领域具有广泛的应用前景。为得到性能、结构可主动调节的超材料,首先以负泊松比结构为基础,结合形状记忆智能材料,设计出性能可调控的超材料结... 详细信息

负泊松比材料作为一种新型的超材料,鉴于其优异的力学性能,在航天、航空、工业、医药科学等领域具有广泛的应用前景。为得到性能、结构可主动调节的超材料,首先以负泊松比结构为基础,结合形状记忆智能材料,设计出性能可调控的超材料结构单元模型。然后通过基本梁理论计算,获得宏观结构泊松比正负转变与刚体结构之间的临界参数。其次,通过有限元仿真,确定材料泊松比正负调节与填充单元组合比例及排列方式之间的关系。最后对这种二维结构材料的振动特性和力学性能进行了详细的分析。结果表明:这种材料在调节结构力学性能和振动调控方面表现出优异的性能。调节内部单元的填充形式和排列方式,可以得到不同的力学性能和吸能效果;同时,通过引入形状记忆材料和微结构,使材料表现出优异的宏观结构和刚度智能调节性能。

关键词：力学超材料负泊松比吸能可调节设计有限元仿真

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二氧化钒智能窗光热调控原理及进展

光学学报 2024年

作者：陈艺丹赵九蓬豆书亮李垚哈尔滨工业大学化工与化学学院哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所

VO2在341K时发生绝缘体-金属态的转变（IMT），是研究最为广泛的热致变色智能窗材料。虽然对VO2在太阳辐射波段的性能优化方面已有大量研究，但对中远红外波段的热辐射调节却鲜有涉及，这对智能窗的节能效果产生不利影响，限制了其实际... 详细信息

VO2在341K时发生绝缘体-金属态的转变（IMT），是研究最为广泛的热致变色智能窗材料。虽然对VO2在太阳辐射波段的性能优化方面已有大量研究，但对中远红外波段的热辐射调节却鲜有涉及，这对智能窗的节能效果产生不利影响，限制了其实际应用。本文基于太阳辐射能量分布，通过归纳提升VO2智能窗性能的典型光学设计方法，介绍其在太阳辐射波段光谱调控的基本原理，从能量调控角度明确影响VO2热致变色智能窗节能效果的关键因素。在此基础上，结合黑体辐射能量分布，阐明红外辐射对VO2智能窗节能效果的影响规律，总结基于VO2的红外智能窗设计方法、基本原理和研究现状，并对未来发展方向提出了展望。

关键词：二氧化钒热致变色智能窗光学设计红外辐射

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变翼尖机翼技术的研究现状与发展趋势

航空学报 2024年

作者：李斌张泽南贾飞孙健刘彦菊冷劲松哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学航天科学与力学系

机翼翼尖对飞行器的气动性能和操控性能有重要影响，在起飞、爬升、巡航、下降等不同飞行阶段，飞行器对机翼翼尖几何参数有不同需求。变翼尖机翼技术是一种多功能、局部变体技术，可用于提升机翼气动性能、提高燃油效率、减轻阵风载荷... 详细信息

机翼翼尖对飞行器的气动性能和操控性能有重要影响，在起飞、爬升、巡航、下降等不同飞行阶段，飞行器对机翼翼尖几何参数有不同需求。变翼尖机翼技术是一种多功能、局部变体技术，可用于提升机翼气动性能、提高燃油效率、减轻阵风载荷、强化操控性能等用途。从气动特性、结构响应和操控特性三方面，对变翼尖机翼技术效益进行梳理，从翼尖变形形式、材料与结构组成两个角度，展开对变翼尖机翼技术研究现状的讨论，指出变翼尖机翼技术正在向多功能集成、组合变形和智能化方向发展。提出变翼尖机翼技术亟需解决的四项关键技术，即全局气动优化、变形/承载一体化蒙皮技术、高效驱动系统设计、智能控制技术，分析了各项关键技术的技术特点和研究难点。

关键词：变体飞行器变翼尖机翼气动特性结构响应操控特性智能材料与结构

超轻质石英/酚醛复合材料烧蚀行为与多物理场数值模拟

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复合材料学报 2024年

作者：闫晓杰金翔宇黄鹤范召林张幸红洪长青哈尔滨工业大学航天学院复合材料与结构研究所

基于超轻质石英/酚醛复合材料的烧蚀防热机制，建立了包含二氧化硅相变的复合材料烧蚀多物理场模型，预测了超轻质石英/酚醛复合材料的表背面温度、热解度、不同层厚度及孔隙压力分布。数值模拟通过计算获得了表面二氧化硅液态层厚度变... 详细信息

基于超轻质石英/酚醛复合材料的烧蚀防热机制，建立了包含二氧化硅相变的复合材料烧蚀多物理场模型，预测了超轻质石英/酚醛复合材料的表背面温度、热解度、不同层厚度及孔隙压力分布。数值模拟通过计算获得了表面二氧化硅液态层厚度变化规律，模型预测的温度结果与烧蚀实验中测量结果吻合。根据各项传热模式的热流分析结果可见，对防/隔热机制影响最主要的是热辐射、热阻塞和二氧化硅气化。针对超轻质石英/酚醛复合材料的典型服役工况，采用0.5～2.5MW/m2之间热流密度作为环境输入参数，研究了不同热流密度条件下超轻质石英/酚醛复合材料的烧蚀行为，结果表明：超轻质石英/酚醛复合材料表面烧蚀后退量随热流密度的增加而增加；热流密度小于1.5 MW/m2时表面液态层厚度随热流密度的增加而增加，热流密度大于1.5 MW/m2时表面液态层厚度基本保持不变。该模型为深入研究超轻质石英/酚醛复合材料的烧蚀机理提供一定的指导。

关键词：超轻质石英/酚醛复合材料高温烧蚀试验多物理场有限元法二氧化硅相变

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玻璃纤维及偶联剂对聚乳酸降解性能的影响

复合材料学报 2024年第2期41卷 694-701页

作者：吕东阳陈利王静天津工业大学纺织科学与工程学院天津300387 天津工业大学复合材料研究院先进纺织复合材料教育部重点实验室天津300387

聚乳酸因其优异的性能广泛应用在骨折内固定领域,但其存在降解速度过快导致的弯曲和剪切性能下降问题,因此复合改性是提高其性能的途经之一。本文采用三维编织技术制备了玻璃纤维(GF)和聚乳酸(PLA)混编预制体,并采用偶联剂KH550对预制... 详细信息

聚乳酸因其优异的性能广泛应用在骨折内固定领域,但其存在降解速度过快导致的弯曲和剪切性能下降问题,因此复合改性是提高其性能的途经之一。本文采用三维编织技术制备了玻璃纤维(GF)和聚乳酸(PLA)混编预制体,并采用偶联剂KH550对预制体进行改性处理。采取热压成型工艺制备复合材料。在37℃条件下将复合材料浸泡在磷酸盐缓冲溶液(PBS)中进行体外降解实验。结果显示:GF质量分数增加会降低复合材料的质量损失率及吸水率。降解28天后,GF质量分数为40wt%的结晶度较GF质量分数为30wt%的试样增加了12.3%,GF质量分数为30wt%、35wt%和40wt%时,弯曲强度分别下降了32.3%、28.13%和16.16%,剪切强度分别下降了53.74%、51.1%和47.18%。说明提高GF质量分数有助于维持复合材料的力学性能,缓解因降解引起的界面损伤。KH550的引入使降解介质(PBS缓冲液)pH值下降幅度小。降解28天后,改性复合材料弯曲强度下降了22.85%,剪切强度下降了56.11%。结合SEM图像,发现降解第7天时GF质量分数为30wt%的试样出现细小沟壑,第28天时表面损伤明显。而GF质量分数为40wt%的试样降解损伤较小。可见,GF对PLA复合材料的力学性能和结晶度起到促进作用,同时抑制了PLA的降解。KH550改善了GF和PLA的界面,对降解介质p H值变化影响较小。

关键词：聚乳酸玻璃纤维偶联剂三维编织降解性能