马宁
,
张宗华
,
胡平
,
郭威
,
刘书田
,
申国哲
材料工程
doi:10.3969/j.issn.1001-4381.2011.05.019
对汽车车门防掩梁热成形(成形与淬火同时进行)过程进行了研究,发现由于成形过程中钢材表面发生氧化脱碳,得到的防撞梁零部件表面软而内部硬,材料性质在厚度方向上呈连续梯度分布,即表面硬度、强度低而内部的硬度、强度高,这样形成了新型连续梯度分布的多层金属复合材料.对汽车车门防撞梁这种新型金属复合材料的微观结构、硬度、强度及塑性变化规律进行研究,并进行三点弯曲对比实验.在此基础上研究这种新型金属复合材料的碰撞及吸能性能,根据金相分析及三点弯曲实验建立了防撞梁的有限元分析模型.通过对比金属复合材料与内部各相材料冲击时所受到的冲击力、吸能等性能.发现这种新型金属复合材料综合了各单相材料的优秀性能,适合用于承受冲击吸能构件的选材.
关键词:
热成形(热冲压)
,
金属复合材料
,
防撞梁
,
微观结构
,
冲击力
,
吸能
刘书田
,
马宁
复合材料学报
doi:10.3321/j.issn:1000-3851.2005.01.027
基于均匀化理论研究了复合材料粘弹性分析的多尺度方法,以及复合材料等效热应力松弛规律.引入了等效粘弹性热应力系数张量和等效时变热膨胀系数的概念,建立了含温度变化的复合材料热粘弹性本构关系,并给出了基于均匀化理论的复合材料粘弹性松弛模量、等效热应力松弛系数和等效时变热膨胀系数的预测方法.对特殊复合材料的粘弹性性质进行了分析,结果表明:(1)复合材料的粘弹性本构关系具有与常规材料的本构关系类似的形式,但一般复合材料的热应力松弛规律与常规材料不同,其热膨胀不能瞬时完成,而具有明显的时变性质;(2)空心材料的热膨胀具有瞬时性质,其等效时变热膨胀系数与基体材料的热膨胀系数相同,其热应力松弛规律与基体材料的松弛规律相同;(3)当各组分材料的松弛模量的各分量可分解成不同的系数与相同的时间函数的乘积时,复合材料的等效时变热膨胀系数与时间无关,其松弛规律与常规材料的松弛规律完全相同.
关键词:
复合材料
,
粘弹性
,
热膨胀
,
本构方程
,
均匀化理论
刘书田
,
曹先凡
复合材料学报
doi:10.3321/j.issn:1000-3851.2005.01.023
零膨胀材料对提高航空航天结构和电子设备等的热几何稳定性有重要意义.采用拓扑优化技术设计各相材料在单胞域的分布形式,以获得零膨胀材料的微结构形式.给出了由二相实体材料和空心构成的各向同性零膨胀材料的设计方案,讨论了初始设计依赖性问题,分析了该依赖性的存在原因.采用有限元技术代替实际测试,分析了所设计材料的试件在均匀温度变化下的变形,验证了所设计材料的零膨胀(低膨胀)性质,说明通过拓扑优化技术设计材料的微结构是设计零膨胀材料的有效方法.
关键词:
材料设计
,
零膨胀材料
,
拓扑优化
,
均匀化
,
模拟验证
孙先念
,
刘书田
复合材料学报
doi:10.3321/j.issn:1000-3851.2007.03.029
复合材料Z-pinning增强技术通过在层合板内嵌入体分比小于5%的Z-pins,能大幅度提高层合板的层间断裂韧性,减少因低能量冲击所产生的分层损伤.本文作者基于细观力学模型,构造了相应的Z-pin单元;结合梁单元,建立了用于分析含Z-pins的双悬臂梁(Double cantilever beam,DCB)的有限元模型;在分层裂纹面上引入接触单元以防止分析过程中2个分层子梁在分层前缘处的相互嵌入.通过数值算例分析了Z-pins对层间韧性增强效果的影响及其原因.数值计算结果表明,Z-pins的几何分布对其增强层间韧性的影响相对较小.
关键词:
Z-pinning
,
复合材料
,
双悬臂梁
,
层间韧性
刘书田
,
刘鹏
,
张永存
,
王博
复合材料学报
doi:10.3321/j.issn:1000-3851.2008.01.025
二维多孔材料存在一个易于流动的方向并具有较大的面密度,因此在具有良好的比刚度和比强度的同时也具有良好的散热性能,研究强迫对流下的散热性能对其多功能化设计具有重要意义.本文中利用数值方法求解考虑二维多孔材料内部流体流动规律、热传导和对流换热影响的流固耦合热传输问题,分析了多孔率和微结构尺寸对散热性能的影响并进行了最优参数设计;通过分析比较5种具有典型微结构形式的二维多孔材料的散热性能,给出了微结构形式对散热性能的影响.提出了以需要满足的散热性能为约束条件,以满足需求的设计参数的可调范围(设计参数的允许变化范围)为设计目标的最优散热结构设计理念.以此理念得到的设计结果,更有利于根据其他性能的要求对材料进行多功能化设计.分析表明,具有正六边形微结构的二维多孔材料的散热性能最优,并有利于实现轻质多功能化设计.
关键词:
散热
,
材料设计
,
二维多孔材料
,
蜂窝材料
张永存
,
刘书田
复合材料学报
doi:10.3321/j.issn:1000-3851.2008.03.033
由于存在一个易于流动的方向并具有较大的面密度,金属蜂窝材料在具有良好的比刚度和比强度的同时也具有良好的散热性能,研究强迫对流下的散热性能对其多功能化设计具有重要意义.蜂窝材料强迫对流换热是流-固耦合传热问题,由于具有大量微结构,直接采用计算流体动力学(CFD)方法进行模拟,计算量巨大,成为进行优化设计的主要障碍.发展具有广泛适用性的高效快速算法具有重要的理论意义和应用价值.针对金属蜂窝强迫对流换热结构,本文中提出了一种快速高效的数值算法,计算速度比有限体积法提高3～4个数量级.通过2个具体算例,验证了该方法的有效性和广泛适用性.
关键词:
金属蜂窝材料
,
对流换热
,
快速数值算法
,
有限体积法
孙先念
,
刘书田
复合材料学报
假设纤维Z-pins的桥联力与嵌入厚度成正比,建立适于非对称分层(分层位于层合板厚度方向上的任意位置)的Z-pin细观力学模型并构造相应的Z-pin单元,结合考虑一阶剪切变形的梁单元,建立了用于分析含浅部分层采用Z-pins增韧的双悬臂梁(Double cantilever beam,DCB)有限元模型,并在分层裂纹面上引入接触单元以防止分析过程中2个分层子梁在分层前缘处的相互嵌入.通过数值算例分析了Z-pins对含非对称分层的DCB试件Ⅰ型层间韧性的增强作用.参数分析表明,当分层位置靠近层合板的表面时,Z-pins的增韧作用明显下降,其较薄分层子层的厚度是决定Z-pins对Ⅰ型层间韧性增强效果的关键参数.
关键词:
Z-pins
,
双悬臂梁
,
Ⅰ型层间韧性
,
复合材料
孙先念
,
刘书田
复合材料学报
利用纤维Z-pins的细观力学模型构造了相应的Z-pin单元,结合考虑一阶剪切变形的梁单元,建立了用于分析含非对称分层采用Z-pins增韧的端部开口弯曲试件(End notched flexure,ENF)的有限元模型,并在分层裂纹面上引入接触单元以防止分析过程中2个分层子梁在端部开口处的相互嵌入.通过数值算例分析了Z-pins对含非对称分层的ENF试件Ⅱ型层间韧性的增强作用.参数分析表明,当分层位置靠近层合板的表面时,Z-pins的增韧作用明显下降,Z-pins对Ⅱ型层间韧性的增强作用主要由2个分层子层中较薄子层决定,但另一分层的厚度也对Ⅱ型层间韧性有一定的影响.
关键词:
Z-pinst端部开口弯曲试件
,
Ⅱ型层间韧性
,
复合材料
郭绍伟
,
张永存
,
宋恩鹏
,
孙先念
,
徐雅楠
,
刘书田
复合材料学报
针对具有典型铺设角[0/45/-45/90]的开孔碳纤维层合板,采用三维有限元数值模拟方法,分析了在单向拉伸载荷作用下孔边附近的层间应力,讨论了界面层参数对层间应力的影响,详细给出了典型铺设角之间层间应力的分布规律和最大层间应力产生的位置。结果表明：对于相同铺设角的界面层,沿厚度方向的位置影响层间应力的大小,但不影响分布趋势;而铺层顺序（如[角度1/角度2]或[角度2/角度1]）对层间应力的大小和分布趋势影响则较小。最大层间正应力产生于[-45/90]的界面层,位于与拉伸方向成90°的位置,是外加拉伸应力的51%;最大层间剪应力产生于[-45/0]的界面层,最大层间环向剪应力位于与拉伸方向成74°的位置,是外加拉伸应力的64%;而最大层间径向剪应力位于与拉伸方向成66°的位置,是外加拉伸应力的25%。
关键词:
典型铺设角
,
开孔层合板
,
层间应力
,
自由边效应
,
界面层参数
