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具有3D负泊松比结构填充的新型吸能盒设计与耐撞性研究

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西安交通大学学报 2024年

作者：陆欢王小鹏陈天宁西安交通大学机械工程学院机械结构强度与振动国家重点实验室

针对现有吸能盒结构形式单一、缓冲吸能效果有限的问题，在现有研究的基础上，将3D负泊松比结构填充到薄壁圆管中设计一种填充圆管型吸能盒，探索汽车吸能盒结构的新构型设计，改善吸能盒的缓冲吸能性能。首先，建立了3D负泊松比结构填... 详细信息

针对现有吸能盒结构形式单一、缓冲吸能效果有限的问题，在现有研究的基础上，将3D负泊松比结构填充到薄壁圆管中设计一种填充圆管型吸能盒，探索汽车吸能盒结构的新构型设计，改善吸能盒的缓冲吸能性能。首先，建立了3D负泊松比结构填充方管和圆管型吸能盒的几何模型，利用落锤冲击实验对3D打印加工的吸能盒样件进行了低速冲击，并建立了结构的低速冲击有限元模型。研究结果表明，结构的落锤实验结果与低速冲击仿真结果吻合较好，证明了结构低速冲击有限元模型的准确性。随后，基于有限元模型，对比分析了填充型方管、填充型圆管和原始方管吸能盒的耐撞性能，研究发现，相较于原始方管吸能盒和填充方管型吸能盒，填充圆管型吸能盒具有更低的初始峰值力、更高的平均碰撞力，综合耐撞性能更优异。最后，结合响应面方法和NSGA-II算法，对填充圆管型吸能盒的耐撞性进行多目标优化，优化结果表明，优化后吸能盒的比吸能提高了14.7%，初始峰值力降低了18.5%，综合耐撞性能得到了明显改善。该研究为负泊松比结构在汽车吸能盒上的应用探索提供了新的思路。

关键词：负泊松比结构吸能盒耐撞性优化设计

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乘员行为对客舱流场与温度场分布的影响

工程热物理学报 2024年第1期45卷 255-262页

作者：余忠豪张超肖光明杜雁霞桂业伟中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室绵阳621000 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西安710049

飞机客舱内气流组织分布的精细化预测是舱内热舒适性与生物安全研究的重要基础,由于涉及大尺度空间内强迫对流与自然对流共同作用下的复杂传热传质问题,目前仍面临巨大挑战。本文结合混合热格子玻尔兹曼方法 (HTLBM)和GPU加速技术,发展... 详细信息

飞机客舱内气流组织分布的精细化预测是舱内热舒适性与生物安全研究的重要基础,由于涉及大尺度空间内强迫对流与自然对流共同作用下的复杂传热传质问题,目前仍面临巨大挑战。本文结合混合热格子玻尔兹曼方法 (HTLBM)和GPU加速技术,发展了工程适用的舱内混合对流数值模拟方法,并开展了典型算例验证。以某民航飞机客舱为研究对象,对比分析了乘员行为对客舱内流场及温度场分布的影响规律。结果表明,过道位置有乘员站立时显著改变大尺度环流,增大了乘客位置自锁区域的形成,并进风口射流轨迹偏转,导致热量在过道附近聚集。

关键词：客舱气流组织混合热格子玻尔兹曼方法乘员行为热羽流气流自锁

基于增材制造的原位合金化制造方法的研究进展

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中国材料进展 2024年第2期43卷 142-150页

作者：马军贾文鹏李烨贾亮金峰西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室陕西西安710049 西北有色金属研究院金属多孔材料国家重点实验室陕西西安710016

基于增材制造的原位合金化方法是利用激光或电子束将多种元素粉或多种预合金粉的混合粉末熔化,使材料同时进行合金化和致密化的一种成本低廉、快速高效的开发新材料的方法,已经在高熵合金开发、新型生物医用合金打印件开发等领域得到初... 详细信息

基于增材制造的原位合金化方法是利用激光或电子束将多种元素粉或多种预合金粉的混合粉末熔化,使材料同时进行合金化和致密化的一种成本低廉、快速高效的开发新材料的方法,已经在高熵合金开发、新型生物医用合金打印件开发等领域得到初步应用。总结了混合粉末的形貌、粒径、高熔点粉末含量及粉末混合技术对原位合金化打印件性能的影响的研究结果。研究表明,混合粉末的颗粒级配需要同时保证元素混合均匀性和粉末流动性,才能保证原位合金化打印效果。激光功率、束斑直径、重熔工艺等打印参数对熔池几何特征影响很大,继而也强烈影响原位合金化的效果。熔池深度越大,越能保证打印过程中的层间重熔,促进元素均匀,但过深的熔池会造成孔隙。还介绍了基于原位合金化打印制备具有成分波动或成分梯度的合金材料的研究进展。原位合金化工艺本身固有的成分不均匀性有助于制备成分不均匀的合金,从而获得具有双相结构的打印件,这是基于预合金粉打印无法得到的。基于多材料及多相流模型,原位合金化粉床激光熔融过程的数值模型也被研究者建立,模拟得出的原位合金化的增材制造工艺优化参数与针对预合金粉打印的差别很大。最后对增材制造原位合金化技术的应用前景和面临的挑战作出了展望。

关键词：原位合金化增材制造混合粉末熔池均匀性

基于三维细观随机模型的碳纳米颗粒/聚合物力电响应模拟

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材料科学与工程学报 2024年第3期 435-441页

作者：王柱左彦江王俊璞陕西科技大学机电工程学院机械结构强度与振动国家重点实验室

针对碳纳米颗粒聚合物内部导电颗粒随机分布且结构复杂的特点，本研究提出一种结合细观有限元分析与材料微观等效电路电阻计算的方法，对其力电响应行为进行模拟。首先，借助ABAQUS二次开发及改进型最近距离算法，建立碳纳米颗粒聚合物... 详细信息

针对碳纳米颗粒聚合物内部导电颗粒随机分布且结构复杂的特点，本研究提出一种结合细观有限元分析与材料微观等效电路电阻计算的方法，对其力电响应行为进行模拟。首先，借助ABAQUS二次开发及改进型最近距离算法，建立碳纳米颗粒聚合物材料的代表性体积单元模型，通过有限元分析得到不同加载条件下相邻导电聚集体的间距变化。其次，通过转换矩阵法及隧穿电阻公式，对该复合材料所简化的随机电阻网络进行等效电阻的计算。最终以相邻导电聚集体间距为纽带，将导电聚合物电阻与全局应力相关联，得到其力电响应曲线。为验证该方法的有效性，以CB3100/硅橡胶材料为例，分别计算了不同轴向压缩应力下导电复合材料的电阻，并与文献中的数据进行对比。结果表明，该方法不仅能够有效模拟碳纳米颗粒聚合物的力电响应，且从细观尺度揭示了其应变传感机制。

关键词：碳纳米颗粒聚合物代表性体积单元细观有限元微观随机电阻网络力电响应

基于无标记视觉算法的核电厂管道振动测量方法研究

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核动力工程 2024年

作者：何孟夫张一鸣覃曼青徐自力廖彤彤核电安全监控技术与装备国家重点实验室中广核工程有限公司西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室

为改善接触式测量手段难以对薄壁管、小支管等结构振动响应进行有效测量的问题，本文提出了基于视觉测量条件下，通过运动放大算法和光流算法，计算不同时刻的相邻帧光流，实现对管道二维方向的无标记视觉结构运动测量。以悬臂梁和核电... 详细信息

为改善接触式测量手段难以对薄壁管、小支管等结构振动响应进行有效测量的问题，本文提出了基于视觉测量条件下，通过运动放大算法和光流算法，计算不同时刻的相邻帧光流，实现对管道二维方向的无标记视觉结构运动测量。以悬臂梁和核电管道两种典型结构为对象进行试验验证，通过对测量对象随机取点的计算数据与激光位移传感器、加速度传感器等测量结果进行了对比。结果表明，管道振动的视觉测量计算结果与激光位移传感器和加速度传感器测量的测量结果基本一致，相对误差小于5%，因此，本文所提无标记视觉结构运动测量算法可作为管道振动测量的一种非接触式测量选择方案。

关键词：视觉测量光流算法管道振动

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微流控粒子分选中圆形微凹槽容纳特性研究

力学学报 2024年第5期56卷 1317-1327页

作者：申峰张杰艾明珠张越东刘赵淼北京工业大学数学统计学与力学学院北京100124 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西安710049

微流控技术由于具备操控微通道中微小体积流体的能力,已成为操控粒子和细胞的新平台.基于粒子惯性迁移和微凹槽涡胞捕获的粒子分选方法,是一种重要的微流控粒子操控技术.目前,微凹槽容纳的粒子数量不高,制约了该方法的效率.为了提高微... 详细信息

微流控技术由于具备操控微通道中微小体积流体的能力,已成为操控粒子和细胞的新平台.基于粒子惯性迁移和微凹槽涡胞捕获的粒子分选方法,是一种重要的微流控粒子操控技术.目前,微凹槽容纳的粒子数量不高,制约了该方法的效率.为了提高微凹槽粒子容量,对圆形微凹槽进行结构设计,并利用高速显微成像技术和数值模拟,研究了不同圆形微凹槽的粒子容纳能力.研究发现,相同入口雷诺数(Re=37~555)下,带底腔的圆形微凹槽相较于普通圆形微凹槽容纳的粒子数量提升了45%,这是因为增加底腔后使得涡流线向下延展,形成更深的“U形”结构,可以容纳更多的粒子;当Re=482时,带底腔的直径500μm的圆凹槽比直径600μm的圆凹槽的粒子容量提高了93.9%,原因是前者凹槽内粒子运动轨道与流线更加吻合,粒子轨道面积与凹槽面积占比达到了97%;随着Re增加,从侧通道收集到的粒子富集浓度整体呈现先缓慢增大后减小的趋势,收集到的20μm粒子的最大富集浓度为初始悬浮液的126.7倍;不同微凹槽内粒子群的轨道运动受到涡流场特性、粒子物性及粒子间相互作用和壁面限制作用等因素的共同影响.研究结果对微凹槽结构设计和提高粒子分选性能有重要指导意义.

关键词：微流控技术粒子分选微凹槽粒子捕获涡胞

碳纳米管增强氟橡胶高温力学行为及本构关系研究

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计算力学学报 2024年第3期41卷 593-598页

作者：左彦江王柱王俊璞陕西科技大学机电工程学院西安710021 西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室西安710049

改性氟橡胶因其优异的耐油耐高温及良好的物理性能,广泛应用于汽车、航空航天和国防等领域。本文通过对不同温度(120℃~220℃)下碳纳米管增强氟橡胶的单轴拉伸试验结果进行分析,得到改性氟橡胶力学行为随温度变化的特点。通过本构模型... 详细信息

改性氟橡胶因其优异的耐油耐高温及良好的物理性能,广泛应用于汽车、航空航天和国防等领域。本文通过对不同温度(120℃~220℃)下碳纳米管增强氟橡胶的单轴拉伸试验结果进行分析,得到改性氟橡胶力学行为随温度变化的特点。通过本构模型评估和材料参数拟合,推导出适用于改性氟橡胶的温度相关修正本构方程。最终对比了特定温度下单轴拉伸的试验结果与模型预测结果,证明了温度相关的修正Yeoh模型可以较好地描述试验温度内碳纳米管增强氟橡胶的力学性能,为高温下改性氟橡胶的工程应用提供理论基础。

关键词：碳纳米管增强氟橡胶温度效应超弹性本构模型力学性能单轴拉伸

散射体旋转诱导模态下拓扑声高性能波束成形机理

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西安交通大学学报 2024年

作者：马承志吴九汇宋倩于罗钦西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室西安交通大学机械工程学院

实现具有特定形式的无旁瓣高指向性声波波束的发射以及发射器件抵抗错误因素的能力过低一直是波束成形领域的棘手问题，通过旋转散射体在声学拓扑绝缘体的体边对应关系下提出了散射体旋转诱导模态下拓扑声学高性能波束成形机理。受到旋... 详细信息

实现具有特定形式的无旁瓣高指向性声波波束的发射以及发射器件抵抗错误因素的能力过低一直是波束成形领域的棘手问题，通过旋转散射体在声学拓扑绝缘体的体边对应关系下提出了散射体旋转诱导模态下拓扑声学高性能波束成形机理。受到旋转散射体对模态的调控，能够实现无旁瓣宽频段下对波束波峰宽度以及波束能量衰减速率的近场和远场调控。通过在此结构内部引入错误因素，发现此拓扑声学高性能波束成形器具有较高的容错性，多个错误因素对波束成形的近场远场结果基本不产生影响，这在很大程度上降低了加工制造的难度，同时极大提高了器件的使用寿命。最后分别对宽频带下无旁瓣拓扑声学波束成形以及错误因素介入下波束成形进行了实验验证。该研究提出的全新波束成形方法，将为声学通讯、微纳制造、生物医学和其他微形及多功能声学设备的工程应用带来极大的促进，而且将为光波、电磁波等其他经典波领域带来更多的启发。

关键词：波束成形拓扑声学高容错模态耦合无旁瓣

基于信号响应分析模型的金属结构损伤导波检出概率

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振动与冲击 2024年第2期43卷 32-41,186页

作者：王莉杨宇刘国强王霞光李嘉欣任一鹏南京航空航天大学航空学院机械结构力学及控制国家重点实验室南京210016 中国飞机强度研究所强度与结构完整性全国重点实验室西安710065

飞机结构损伤导波在线监测技术作为一种新颖的无损检测手段,为了真正实现该技术在结构运营维护过程中的视情维护,必须明确其结构损伤检出概率(probability of detection,POD),以指导结构检查维修方案的制定。提出了一种基于信号响应分... 详细信息

飞机结构损伤导波在线监测技术作为一种新颖的无损检测手段,为了真正实现该技术在结构运营维护过程中的视情维护,必须明确其结构损伤检出概率(probability of detection,POD),以指导结构检查维修方案的制定。提出了一种基于信号响应分析模型的结构损伤导波POD计算方法,该方法通过构建在线导波监测信号的损伤指数与裂纹长度间的对应关系,得到结构损伤POD的统计计算模型,并分析了拟合参数的不确定性对计算模型的影响,构建了不同置信度下的导波POD计算模型。通过开展金属开孔和搭接结构疲劳裂纹导波监测试验,验证了该方法的有效性。试验结果表明,损伤指数类型、对应关系拟合函数和传感器监测方案均对结构损伤导波POD具有影响,且在95%置信度90%POD下金属开孔和搭接结构的可检裂纹长度分别约为2.6 mm和9.5 mm。

关键词：结构健康监测导波检出概率(POD) 金属疲劳裂纹