摘要：碳纤维/环氧树脂复合材料因具有高的比强度、比模量、抗疲劳性好等优点,已在航空航天、轨道交通、汽车等领域得到越来越广泛的应用。然而作为碳纤维/环氧树脂复合材料的主要结构形式之一的层合板结构,由于厚度方向没有纤维,导致层间性能最弱,极易发生分层破坏,影响结构的承载性能。短纤维层间插层增韧是改善碳纤维/环氧树脂复合材料层间性能的有效手段,近年来,国内外学者开展了大量的相关研究工作,但仍缺乏短纤维层间插层增韧的系统研究。本论文选用碳纤维、亚麻纤维及Kevlar纤维作为插层短纤维,系统地分析和讨论了短纤维种类、插层面密度和纤维长度对碳纤维/环氧树脂复合材料层间增韧效果的影响。结果表明,对于不同的短纤维插层,均存在着随着短纤维长度和插层面密度的增加,复合材料层间断裂韧性先上升后下降的趋势。在此基础上揭示了不同种类纤维的增韧机制,纤维桥联、裂纹扩展路径改变、纤维多层级破坏及纵向撕裂等均有助于复合材料层间断裂韧性的提高,研究结果为短纤维插层增韧复合材料的结构设计奠定了基础。

摘要：为研究碳纤维、玻璃纤维和植物纤维增强复合材料在湿热环境下的耐久性能差异,本文制备了纤维体积分数为60vol%的单向碳纤维/环氧树脂复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)、玻璃纤维/环氧树脂复合材料(Glass fiber reinforced polymer,GFRP)和亚麻纤维/环氧树脂复合材料(Flax fiber reinforced polymer,FFRP),在23℃、37.8℃和60℃下进行了吸水试验,并测试了三种复合材料在厚度方向的膨胀率、拉伸性能和层间剪切性能,同时利用时温等效原理对它们的长期吸水性能及力学性能进行了预测。结果表明,三种复合材料的吸水行为在老化前期均符合Fickian扩散定律,而后期有所偏离。从吸水性能来看,FFRP具有最高的扩散系数、饱和吸水率和膨胀率。从力学性能来看,CFRP的拉伸性能随老化时间的增加几乎不变,而层间剪切强度小幅下降,烘干后其拉伸性能及层间剪切性能与未老化时相同,CFRP在老化过程中未发生不可逆变化。GFRP老化后的拉伸强度和层间剪切强度下降幅度较大,而拉伸模量下降幅度较小,烘干后拉伸性能得到部分恢复,而层间剪切强度则基本未有任何恢复,GFRP在老化过程中发生了玻璃纤维水解及界面脱粘等不可逆变化。由于吸水后亚麻纤维的塑化,FFRP的拉伸强度略微提高,而拉伸模量和层间剪切强度则急剧下降后保持稳定,烘干后,其拉伸强度反而大幅下降,拉伸模量及层间剪切强度则大幅上升,这与水分的塑化作用、纤维及基体的膨胀和降解等变化有关。由三种复合材料的长期性能预测结果可知,CFRP的长期力学性能保持率较好,GFRP的长期力学性能保持率较差,FFRP在拉伸强度保持率方面具有优势,研究结果为湿热环境下工程结构的选材和设计提供了一定的理论依据。

摘要：薄板结构是航空航天器、舰艇、高铁等现代工程装备上广泛应用的结构,其波动性能的优劣关系到设备综合性能及整体技术升级.在制备或复杂工况下,结构的几何完备性会产生一些缺陷或参数扰动,会降低基于精准设计的波动调控性能.基于工程应用技术需求,二维共振结构板的高鲁棒性、高品质因子束缚态等波动特性研究不断发展.本文首先介绍了二维共振结构板波动调控发展历程,主要阐述了平面波展开法、多重散射法等二维共振结构波动表征基本理论.简述了二维共振结构板在波导与传感、鲁棒能量采集以及按需智能设计等最新研究成果.最后对二维共振结构板目前的局限性做了总结并对未来的理论研究进行探讨.

摘要：当前机械臂需要完成的任务日益复杂,单个固定机械臂或者是移动机械臂已经不能满足需求,而多移动机械臂系统结合了移动基座的灵活性和多机械臂合作的高效性,引起了学术界的广泛关注.本文研究了在多个移动机械臂抬起目标物体后,移动平台因避障而改变移动轨迹导致与机械臂末端执行器产生相对位移时,如何利用零空间概念设计保持目标物体姿态稳定的控制方法.为验证该控制方法能适用于多移动机械臂系统,对其动力学进行建模,得到了与单机械臂系统形式一致的动力学方程.最后根据该控制方法,设计了多个移动机械臂协同搬运物体时保持物体稳定的控制律并进行了数值验证.

摘要：传统的锂离子电池研究多注重本身相关机理以及储能能力的提高,而结构化电池不仅能够储能,且可以作为结构本身承受一定载荷.本文设计了一种新型结构化电池石墨负极板,通过修正准静态下石墨的力学指标得到对应高应变率下的压缩应力-应变曲线、失效应变,采用数值分析方法对石墨负极板的承载能力进行了分析.同时,由于荷电状态(State of charge, SOC)会影响石墨的弹性模量、失效应变、厚度以及压缩应力-应变曲线等力学性能,因此在石墨的本构方程中考虑并修正了SOC产生的影响.通过有限元模拟了不同SOC下石墨负极板受到冲击后的响应,结果表明随着应变率或SOC增大,石墨负极板承载高速冲击的能力也随之降低.本文的研究成果可以为结构化电池负极的结构设计提供参考.

摘要：噪声污染是重要的环境问题,研究如何设计吸声结构以降低环境中的噪声一直是一项富有挑战性的课题。相比于传统材料,超构材料因其低频吸声的突出优势,成为目前设计研究的热点。首先介绍2种主要的声学吸收机制:声学黏滞性理论和热传导理论。在此基础上,阐述了吸声结构的基本设计分析方法,包括阻抗分析方法、数值计算方法以及实验方法,其中阻抗分析方法主要介绍了阻抗匹配理论和复频率平面分析方法。接着,根据目前吸声结构的设计研究现状进行分类,深入介绍基于超构材料设计的研究进展,讨论了其实际应用和可能的发展方向,最后从结构设计、工作频带、结构尺寸、吸声效果方面对基于超材料的吸声结构进行了总结,并分析了其在实际应用和不同工况下面临的挑战。

摘要：大范围转动和伸缩运动是某些机械臂系统的典型运动特征,如快堆中燃料组件转运机构.为了实现精准定位操作,设计过程中需要考虑机械臂的弹性振动问题.本文从刚体运动和弹性变形耦合的角度出发,运用广义Hamilton原理建立了一种变长度回转梁的时变动力学方程.通过变量替换,利用假设模态法得到二阶变系数微分方程,并采用Newmark-β法进行求解.根据计算结果,讨论了不同回转角速度和轴向伸缩情形对机械臂末端弹性振动的影响,并说明了在此类柔性机械臂振动分析中考虑刚弹耦合的必要性.

摘要：在扫描隧道显微镜的观测中发现了自支撑石墨烯膜镜面屈曲这一独特现象,目前尚少有研究人员对其进行系统性的研究.对于这种面外变形行为,不论是在实验观测,还是在能量收集系统这种潜在的应用形式中,石墨烯的尺寸都需要达到微米级.先前的研究表明,传统分子动力学适用于纳米尺度石墨烯的计算与分析,由于其计算方法的限制,在处理微米级模型时容易出现计算效率低、耗时长等问题.为了研究微米级尺寸石墨烯膜镜面屈曲现象,本文使用粗粒化分子动力学方法,首先验证该方法的适用性,然后分别施加不同大小的机械载荷和温度载荷在扇形截面不同高跨比的石墨烯膜上以分析各因素带来的影响.计算结果表明机械载荷作用下各个高跨比石墨烯均可以发生镜面屈曲现象,且临界载荷随高跨比的增大而增大;温度载荷作用下,高跨比较小的石墨烯能够发生完全翻转现象,大高跨比情况下温度升高使中心高度下降,但完全翻转较难发生.研究分析各因素对于石墨烯镜面屈曲现象的影响,可以加深对这一特殊现象了解的同时,为能量收集系统的设计提供理论指导.

摘要：锂离子电池的断裂会影响电池结构的完整性。颗粒水平的断裂和电极水平的断裂都已被证明会对电池的电化学性能和安全性能产生极大的不良影响。研究断裂机理对预防电池的断裂有着重要的意义。因此,本研究总结了近年来针对不同类型电极材料的断裂机理的相关研究,并阐述电极材料的断裂与电池老化之间的密切关系,探讨颗粒水平和电极水平上发生的断裂及其对电化学性能的影响。本研究工作可为力学断裂和电池性能之间的关联提供更深刻的理解,进而促进高稳定性、高安全性锂离子电池的设计发展。

摘要：冠心病等心血管疾病的发病率逐年提高,血管支架使用率大幅提升.聚乳酸等形状记忆聚合物生物相容性较好、具有一定生物降解特性,可以用于制备新型心脏支架.心脏支架需要收缩时体积尽可能小,且膨胀时足以撑开堵塞的血管,因此需要具有负泊松比特性.本文基于聚乳酸的力学和形状记忆性能,设计了不同截面胞数的凹六边形负泊松比心脏支架模型,使用4D打印熔融沉积成型技术对其制备,并对血管支架模型的力学性能、形状记忆性能及血管支撑性能等进行测试,分析了支架的不同构型对支架体外性能的影响.同时,进行了有限元数值模拟,弹性模量和泊松比计算结果与实验相吻合.本文提出的模型对于通过4D打印的方式构建在临床上可用的新型血管支架具有重要参考价值.