摘要：纤维增强热固性树脂基复合材料在高端制造领域应用广泛,其固化过程涉及树脂流动、固化反应发生、残余应力引发固化变形等多个步骤。数值模拟纤维增强热固性树脂基复合材料的工艺成型过程是一个多场耦合的复杂问题,建立完善的数值模拟方法用来预测其成型过程中的固化行为对于工艺类型选择、工艺参数设计和复合材料构件性能优化具有重要的理论与实践意义。本文归纳了数值模拟纤维增强热固性树脂基复合材料成型过程的主要研究进展,并讨论了不同数值模型的适用条件,通过分析同一问题不同模型的适用条件可以为复合材料固化工艺及参数设计的选择提供指导。提升精度和降低成本是数值模型迭代优化的主要研究方向。在此基础上,本文对数值模拟纤维增强热固性树脂基复合材料成型过程进行了总结,并认为未来可以从复合材料的树脂流动多尺度建模、机器学习与材料基因组方法在复合材料的构件优化设计中的应用和残余应力对复合材料的性能及使用寿命的影响等方面开展研究。

摘要：基于仿生学的思想,通过模仿生物系统的结构几何构成特性,创新优化隔振模型是当今隔振领域的热门问题.本文基于仿生灵感来源的不同,对现有的仿生隔振器进行了系统的分类,并对不同设计原理的仿生隔振器恢复力本构与隔振性能做了详细的阐述和对比,旨在通过隔振器隔振频带的横向对比厘清几何构型与可调参数的影响,以此厘清隔振器几何设计和隔振性能的关系.并且,本文展望了未来仿生隔振器的发展前景和研究方向.

摘要：硅具有高比容量和低电压平台等优点,被认为是最有前途的锂离子电池负极材料之一。然而,硅电极在锂化/脱锂过程中巨大的体积膨胀以及伴随的材料破裂和粉化,限制了其倍率性能和循环性能。现有研究表明,在循环过程中对硅电极施加外部载荷能有效提高电池的循环性能。本研究提出了一种宏观调控方法,即通过施加外部机械载荷以提高硅电极锂离子电池的容量保持率。采用设计定制的原位充放电加压实验设备,以CR2032纽扣电池为对象开展实验,通过充放电循环测试验证了该方法的有效性。实验结果显示,在CR2032电池表面施加0.2 MPa大小的轴向外部载荷,可以有效抑制硅电极在充放电过程中的膨胀,并调节电池内部状态。经过50个充放电循环后,电池容量保持率将从无外部载荷时的59%提升至70%。同时,由于硅电极活性物质颗粒在锂化和脱锂过程中存在不同的应力状态,提出了一种新的调控方法,即在循环过程中在电极材料的锂化阶段施加0.1 MPa大小的外部载荷,并在脱锂阶段施加0.2 MPa的载荷。实验结果证明,该方法可以进一步提高硅电极锂离子电池的循环性能。此外,电极表面的扫描电子显微镜成像结果也支持了这一结论。本研究采用的外部机械载荷施加方法,为从宏观角度提高硅负极锂离子电池性能提供重要的借鉴。

摘要：随着人类对自然的探索越来越深入,新型水下航行器的需求与日俱增,仿生机器人因其特殊的推进方式和高效的推进效率而受到越来越多的关注,而传统的仿生鱼类仅模拟了流线型外壳,少有提及仿生对象本身结构对于仿生性能的影响,本文提出了一种基于中央模式发生器(CPG)的类双髻鲨仿生机器人.以鱼类基本运动形态为基础,将鱼身抽象为关节连杆结构,建立了三关节四连杆的仿生机器鱼模型并进行了仿真计算.根据步态规律预估了其运动性能,随后通过实验验证了可行性.本仿生鱼旨在以简单的机械结构和较低的控制成本,实现对双髻鲨的最大限度模拟,得益于良好的仿生结构,中央模式发生器的引入,以及柔性硅胶材料在鱼身的应用,此机器人拥有体型小,控制简单,地形适应能力强,能量利用率高等特点,与传统水下推进器相比噪音更小,环境适应能力更强,在科研、农业等行业均具有广泛的应用前景,如野外勘测,水下救援,水域巡逻等.

摘要：随着人类探索宇宙步伐的不断加速,太空轨道垃圾已成为一个重大的安全隐患.现有的刚性机械臂、飞网等捕获方式对不同距离、不同尺寸轨道垃圾的适应性有限,缺少一种能够应对各类轨道垃圾的捕获装置和捕获策略.针对这一问题,本文利用曲壳梁可变刚度的特性,设计了一种新型的空间自生长柔性变刚度机械臂,实现了机械臂工作距离的大范围可调性;在此基础上,本文对这种新型的机械臂进行了动力学分析,提出了针对机械臂臂长分配的等矩原则,并建立了相应的算法;进一步的,本文面向跨尺寸的太空垃圾捕获,分别提出了抓取策略和缠绕策略,并采用取样避障和样条曲线方法,对机械臂进行了轨迹规划;最后,本文对所提出的针对自生长柔性变刚度机械臂的控制方法进行了仿真,验证了其可行性.

摘要：为了突破传统隔振器刚度和承载能力之间的矛盾,需要隔振器具有高的静态刚度,低动态刚度的特性.如今的准零刚度隔振器技术可以实现低频微幅隔振,但是对于大幅振动,隔振效果并不明显甚至失效,因此突破宽幅隔振成为隔振领域亟待解决的问题.为此,我们利用多稳态折纸通过并联装配的方式,构造具有宽幅零刚度区间的折纸型隔振器,以解决传统隔振器振动抑制幅值较低的问题.本文建立了宽零刚度隔振器模型,提出宽幅零刚度的设计方法,并通过动力学分析分析了模型的隔振效果.最后搭建试验样机,验证了理论的正确性.这种设计打破了传统准零刚度隔振器单点准零的设计准则,能够在一个大幅范围内保证稳定性,同时实现零刚度,极大拓宽了隔振器的适用范围.这种设计理念能够被用在新隔振材料设计和航空、船舶等大幅低频动态环境中.

摘要：本工作采用分子动力学模型研究了多晶NiTi合金在强冲击载荷作用下微孔洞的演化行为。为定量确定材料内部的孔洞体积分数,在后处理中采用PYTHON代码编程来统计孔洞体积。分子动力学的模拟结果很好地揭示了NiTi合金在不同冲击速度、冲击持时和晶粒尺寸下的孔洞演化机制和微观损伤机理。结果表明冲击速度的增大会导致冲击熔化效应,从而显著增加孔洞体积分数,并促使损伤行为从经典层裂向微层裂转变。在经典层裂中,冲击持时的增加不会影响孔洞的演化速率,但会延迟初始损伤时刻并使孔洞分布更靠近加载边界。而在微层裂行为下,缩短冲击持时将使损伤行为从微层裂退化为经典层裂,并降低孔洞的体积分数。此外,在数值模型中还研究了晶粒尺寸对孔洞演化的影响。在经典层裂情况下,由于晶粒间相互作用对孔洞生长的抑制作用,随着晶粒尺寸的减小,孔洞体积的增长速率会受到抑制。然而,当冲击速度增大到3 km/s时,冲击熔化行为会弱化晶粒尺寸的强化效果。在本工作中,分子动力学模拟对NiTi合金在不同参数下的损伤演化过程进行了很好的微观表征并揭示了相应的微观机理,其相应的数值结果可以为NiTi合金抗冲击结构设计提供理论参考,并为NiTi合金的制备优化提供了数值依据。

摘要：评估人体穿戴外骨骼后的运动性能是指导外骨骼硬件迭代和控制策略优化的重要依据.与传统的基于实验的评估相比,基于人-外骨骼耦合系统动力学仿真的评估避免了平台搭建和实地测试、实验数据分析处理的巨大人力和时间成本.此外,如将人体神经肌骨动力学纳入人-外骨骼耦合系统,动力学仿真还能够生成肌肉激活、肌肉力和关节力矩等实验中难以测量的生理学和生物力学信息,从而可以从肌肉发力的层面评估不同环境下穿戴外骨骼对人体运动的影响.本研究以人体肌骨-髋关节外骨骼耦合系统为研究对象,基于考虑人体神经肌骨动力学、足地接触和人-外骨骼交互作用的完整神经-肌骨-外骨骼耦合正向动力学仿真框架,对系统在平地和上坡(5.71°,10%)两种场景以0.8 m/s步速行走的动力学进行了比较研究.通过给定模型中的神经肌肉反射参数,综合考虑系统运动状态、肌肉收缩动力学、肌骨运动学、肌肉代谢、不同环境下的地反力和人机交互力等因素,并采用协方差矩阵自适应进化策略进行分阶段多目标优化,可以在不需要实验数据输入的条件下,高效完成全系统的动力学仿真.计算结果表明,所提仿真框架不仅能够生成包括肌肉激活、肌肉力、关节力矩和关节角度在内的完整生理学和生物力学信号,还能够反映和解释不同肌肉的激活模式随步行环境的适应性变化.此外还在与仿真情况一致的步行条件下进行了人体穿戴外骨骼行走测试,并进一步将肌肉激活数据与测得的肌电信号对比.结果表明,仿真与实验的肌肉激活结果保持了较高的相关性,并呈现出相对于地形坡度基本一致的变化规律;在上坡行走时,腘绳肌、臀大肌、髂腰肌和比目鱼肌的肌肉激活程度的RMS值均显著高于平地行走的情况,而股直肌与胫骨前肌的肌肉激活程度的RMS值则有所下降.上述结果表明,提出的动力学仿真框架可以在无实验数据输入的条件下有效且准确地捕捉在不同地形中行走时肌肉激活模式的定性差异.本研究为人体肌骨-外骨骼耦合系统在多场景下的行走仿真与性能评估提供了新的途径,也为外骨骼设计与控制策略的优化提供了理论参考和仿真分析方法.

摘要：脉冲喷射推进是海洋生物中普遍存在的一种游动方式,从乌贼喷射推进的游动方式中受到启发,基于电磁动态驱动原理,设计了一种仿乌贼喷射推进的软电磁机器鱼.其由柔软的机体外壳、软电磁线圈和软电磁驱动薄膜组成,能够在动态电磁力的作用下改变内部腔体体积而实现循环反复的喷射推进.本文研究了不同设计参数和激励电流对软电磁驱动薄膜的振动特性的影响,并通过实验测试了在不同控制电流的幅值和频率下机器鱼的水下推进力和游动速度.研究结果表明,机器鱼的最大平均推力为0.0784 N,机器鱼在动态电磁激励作用下能够达到37.3 mm/s (约0.62身长/s)的最大游动速度,具有优越的游动性能.

摘要：天然气水合物具有巨大的潜在经济和环境价值,其开发利用对国家能源安全和实现国家碳达峰碳中和的“双碳目标”具有战略意义。我国天然气水合物资源主要分布于南海海域,海洋环境的复杂性和隐蔽性使工程测量数据具有较大不确定性,影响钻井安全。目前未见有水合物储层井壁稳定可靠度研究。为定量评估在我国南海神狐海域水合物储层钻井风险,基于水合物储层钻井井壁稳定解析理论和南海神狐海域具体地质条件,结合可靠度分析方法中的改进一次二阶矩法和响应面法,研究南海神狐海域水合物储层钻井井壁失稳概率分布特征,分析该海域井壁失稳概率及安全钻井液压力窗口对主要参数均值和不确定性的敏感性,结果表明:(1)若测量数据足够精确,在我国南海神狐海域水合物储层进行钻井活动的安全性较高,安全钻井液压力窗口也较大。测量数据的不确定性增大将使井壁失稳概率显著升高,缩窄安全钻井液压力窗口。(2)较低的钻井液温度对降低井壁失稳概率略有帮助,且能明显地扩大安全钻井液压力窗口。(3)5个主要参数的均值和不确定性对井壁失稳概率的影响次序相同,均为初始地应力>初始内摩擦角>弹性模量比>初始黏聚力>初始弹性模量。实际工程中对初始地应力数据精确测量,能够显著提高水合物储层钻井井壁稳定性。