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多功能輕量化材料與結構 版權信息
- ISBN：9787030752697
- 條形碼：9787030752697 ; 978-7-03-075269-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
多功能輕量化材料與結構 內容簡介
本書內容分為7章，包括：緒論、輕量化材料與結構的制備技術、輕量化材料與結構的準靜態力學特性、輕量化材料與結構的動態力學特性、輕量化材料與結構的聲學性能、輕量化材料與結構的換熱性能、含液多孔介質的基礎理論研究。加入作者多年來的研究成果，突出基礎性、優選性和系統性。
多功能輕量化材料與結構 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 多功能輕量化材料與結構的研究背景 1
1.2 多功能輕量化材料與結構的基本概念和特性 3
1.2.1 無序多孔金屬 3
1.2.2 有序多孔金屬 5
1.2.3 混雜多孔結構 7
1.2.4 含液多孔介質 9
第2章 多功能輕量化材料與結構的制備技術 11
2.1 無序泡沫金屬的制備技術 11
2.1.1 熔體發泡法 11
2.1.2 熔體吹氣法 11
2.1.3 先驅體發泡法 12
2.1.4 FORMGRIP法 13
2.1.5 壓力鑄造法 14
2.1.6 占位粒子法 14
2.2 泡沫鋁的孔結構演變和梯度泡沫鋁的制備 15
2.2.1 孔結構演變和影響因素 15
2.2.2 梯度泡沫鋁及其制備方法 16
2.2.3 順序凝固法制備梯度泡沫鋁的基本原理 19
2.3 點陣結構的制備技術 22
2.3.1 二維點陣結構的制備 22
2.3.2 三維點陣結構的制備 26
2.4 混雜點陣結構的制備 30
2.4.1 波紋-泡沫鋁混雜結構 30
2.4.2 波紋-蜂窩混雜結構 31
2.4.3 金字塔點陣-陶瓷混雜結構 32
2.4.4 X形點陣-平板翅片混雜結構 32
第3章 多功能輕量化材料與結構的力學性能 34
3.1 二維點陣材料的面外壓縮性能 34
3.1.1 結構形式 34
3.1.2 理論分析模型 35
3.1.3 與其他拓撲結構比較 37
3.2 混雜點陣材料的面外壓縮性能 38
3.2.1 結構設計和載荷工況 38
3.2.2 理論研究 40
3.2.3 初始破壞模式圖 44
3.3 混雜點陣材料的動態面外壓縮性能 46
3.3.1 模型描述 47
3.3.2 沖擊速度對復合結構動態壓縮行為的影響 48
3.3.3 總質量的限定對強化效應的影響 51
3.3.4 復合結構在動態壓縮下的強化機制 52
3.4 高性能輕量化材料的抗侵徹性能 54
3.4.1 問題描述 54
3.4.2 基于侵徹過程的理論模型 55
3.4.3 理論有效性驗證 60
第4章 多功能輕量化材料與結構的聲學性能 63
4.1 金屬平行筋條和波紋夾芯三明治板的隔聲性能 64
4.1.1 模型推導 64
4.1.2 加筋板隔聲計算模型 64
4.1.3 收斂性、結構/材料參數和模型適用范圍 68
4.1.4 結果討論與分析 69
4.1.5 波紋夾芯三明治板的傳聲損失 73
4.2 多孔纖維材料填充蜂窩結構的聲學性能 78
4.2.1 理論建模 79
4.2.2 參數分析 84
4.3 微穿孔蜂窩-波紋復合夾層結構的聲學性能 90
4.3.1 微穿孔吸聲結構的聲阻抗理論 90
4.3.2 微穿孔蜂窩-波紋復合夾層結構的等效理論模型 93
4.4 微穿孔蜂窩-波紋復合夾層結構的聲學優化設計 109
4.4.1 基于改進型模擬退火算法的優化模型 109
4.4.2 聲學性能優化 114
第5章 多功能輕量化材料與結構的換熱性能 119
5.1 通孔金屬泡沫在沖擊射流下的流動換熱特性 119
5.1.1 圓形均勻沖擊射流下金屬泡沫的換熱特性 119
5.1.2 圓形沖擊射流下翅片夾芯泡沫熱沉的換熱特性 132
5.2 X 形點陣芯體三明治板的強制對流傳熱特性 139
5.2.1 實驗研究 139
5.2.2 數值模擬 147
5.2.3 等雷諾數約束條件下的散熱性能 152
5.2.4 傳熱機理探究 154
5.2.5 等雷諾數約束條件下的壓降特性 164
5.2.6 等泵功約束條件下的散熱性能 165
第6章 含液多孔材料與結構力學 167
6.1 具有界面力的閉孔含液多孔介質中的流固耦合 167
6.1.1 問題描述 167
6.1.2 材料界面的曲率 168
6.1.3 問題求解和驗證 170
6.1.4 球形液體夾雜理論解的特性 172
6.1.5 夾雜問題的能量平衡 174
6.1.6 具有界面力的閉孔含液多孔介質的等效力學性質 177
6.2 表面效應對開孔含液多孔介質力學行為的影響 181
6.2.1 問題描述 181
6.2.2 兩種典型的微觀結構 183
6.2.3 開孔含液多孔介質中表面效應的討論 192
6.3 充液彈性毛細管振動 195
6.3.1 充液彈性毛細管振動實驗部分 195
6.3.2 充液彈性毛細管梁-弦振動模型 198
6.3.3 結果與討論 201
6.4 充液增強型點陣夾層結構的動態力學性能 206
6.4.1 實驗方法 206
6.4.2 制備過程 207
6.4.3 材料表征 208
6.4.4 泡沫子彈的沖擊測試 209
6.4.5 實驗結果 210
6.4.6 數值模型描述 215
6.4.7 結果與討論 216
參考文獻 219
第1章 緒論 1
1.1 多功能輕量化材料與結構的研究背景 1
1.2 多功能輕量化材料與結構的基本概念和特性 3
1.2.1 無序多孔金屬 3
1.2.2 有序多孔金屬 5
1.2.3 混雜多孔結構 7
1.2.4 含液多孔介質 9
第2章 多功能輕量化材料與結構的制備技術 11
2.1 無序泡沫金屬的制備技術 11
2.1.1 熔體發泡法 11
2.1.2 熔體吹氣法 11
2.1.3 先驅體發泡法 12
2.1.4 FORMGRIP法 13
2.1.5 壓力鑄造法 14
2.1.6 占位粒子法 14
2.2 泡沫鋁的孔結構演變和梯度泡沫鋁的制備 15
2.2.1 孔結構演變和影響因素 15
2.2.2 梯度泡沫鋁及其制備方法 16
2.2.3 順序凝固法制備梯度泡沫鋁的基本原理 19
2.3 點陣結構的制備技術 22
2.3.1 二維點陣結構的制備 22
2.3.2 三維點陣結構的制備 26
2.4 混雜點陣結構的制備 30
2.4.1 波紋-泡沫鋁混雜結構 30
2.4.2 波紋-蜂窩混雜結構 31
2.4.3 金字塔點陣-陶瓷混雜結構 32
2.4.4 X形點陣-平板翅片混雜結構 32
第3章 多功能輕量化材料與結構的力學性能 34
3.1 二維點陣材料的面外壓縮性能 34
3.1.1 結構形式 34
3.1.2 理論分析模型 35
3.1.3 與其他拓撲結構比較 37
3.2 混雜點陣材料的面外壓縮性能 38
3.2.1 結構設計和載荷工況 38
3.2.2 理論研究 40
3.2.3 初始破壞模式圖 44
3.3 混雜點陣材料的動態面外壓縮性能 46
3.3.1 模型描述 47
3.3.2 沖擊速度對復合結構動態壓縮行為的影響 48
3.3.3 總質量的限定對強化效應的影響 51
3.3.4 復合結構在動態壓縮下的強化機制 52
3.4 高性能輕量化材料的抗侵徹性能 54
3.4.1 問題描述 54
3.4.2 基于侵徹過程的理論模型 55
3.4.3 理論有效性驗證 60
第4章 多功能輕量化材料與結構的聲學性能 63
4.1 金屬平行筋條和波紋夾芯三明治板的隔聲性能 64
4.1.1 模型推導 64
4.1.2 加筋板隔聲計算模型 64
4.1.3 收斂性、結構/材料參數和模型適用范圍 68
4.1.4 結果討論與分析 69
4.1.5 波紋夾芯三明治板的傳聲損失 73
4.2 多孔纖維材料填充蜂窩結構的聲學性能 78
4.2.1 理論建模 79
4.2.2 參數分析 84
4.3 微穿孔蜂窩-波紋復合夾層結構的聲學性能 90
4.3.1 微穿孔吸聲結構的聲阻抗理論 90
4.3.2 微穿孔蜂窩-波紋復合夾層結構的等效理論模型 93
4.4 微穿孔蜂窩-波紋復合夾層結構的聲學優化設計 109
4.4.1 基于改進型模擬退火算法的優化模型 109
4.4.2 聲學性能優化 114
第5章 多功能輕量化材料與結構的換熱性能 119
5.1 通孔金屬泡沫在沖擊射流下的流動換熱特性 119
5.1.1 圓形均勻沖擊射流下金屬泡沫的換熱特性 119
5.1.2 圓形沖擊射流下翅片夾芯泡沫熱沉的換熱特性 132
5.2 X 形點陣芯體三明治板的強制對流傳熱特性 139
5.2.1 實驗研究 139
5.2.2 數值模擬 147
5.2.3 等雷諾數約束條件下的散熱性能 152
5.2.4 傳熱機理探究 154
5.2.5 等雷諾數約束條件下的壓降特性 164
5.2.6 等泵功約束條件下的散熱性能 165
第6章 含液多孔材料與結構力學 167
6.1 具有界面力的閉孔含液多孔介質中的流固耦合 167
6.1.1 問題描述 167
6.1.2 材料界面的曲率 168
6.1.3 問題求解和驗證 170
6.1.4 球形液體夾雜理論解的特性 172
6.1.5 夾雜問題的能量平衡 174
6.1.6 具有界面力的閉孔含液多孔介質的等效力學性質 177
6.2 表面效應對開孔含液多孔介質力學行為的影響 181
6.2.1 問題描述 181
6.2.2 兩種典型的微觀結構 183
6.2.3 開孔含液多孔介質中表面效應的討論 192
6.3 充液彈性毛細管振動 195
6.3.1 充液彈性毛細管振動實驗部分 195
6.3.2 充液彈性毛細管梁-弦振動模型 198
6.3.3 結果與討論 201
6.4 充液增強型點陣夾層結構的動態力學性能 206
6.4.1 實驗方法 206
6.4.2 制備過程 207
6.4.3 材料表征 208
6.4.4 泡沫子彈的沖擊測試 209
6.4.5 實驗結果 210
6.4.6 數值模型描述 215
6.4.7 結果與討論 216
參考文獻 219
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多功能輕量化材料與結構 節選
第1章緒論 1.1多功能輕量化材料與結構的研究背景 作為人類生存和發展的物質基礎，材料是人類文明的重要支柱，其發展水平始終是時代進步和社會文明的標志。發展性能優異的新材料是金屬材料領域持之以恒的追求。著名材料學家、英國劍橋大學Ashby教授給出了各種材料的性能比較圖。如圖1-1所示，所有的材料屬性圖都有一個共同的特征，即部分屬性區域有材料，其余區域則是空白。如何進一步擴大現有材料體系的范圍，或者說填補現有材料體系的空白是材料科學發展的重大需求。 對于輕量化材料與結構來說，其主要的目標就是填補圖1-1中左上角的空白區域，即尋找低密度、高性能(強度、剛度等)材料。為了實現這一目標，一般采用兩種途徑：一是采用先進基體材料來達到減重的目的；二是采用先進的拓撲構型，盡量降低材料的冗余重量。現代材料力學的發展使得單純依靠以上兩種方法減重的潛力越來越小，因而需要尋求全新的解決方案。人們發現，傳統的材料設計通常不考慮功能需求，如果將材料結構系統和功能系統集成在一起開展多功能協同設計，將有效減小功能系統的冗余質量，從而達到大幅減重的目的。 對于多功能協同設計來說，人們可以從自然界尋找靈感。自然界的生物結構(圖1-2)經過億萬年遺傳進化呈現出多種功能并存的構造特點。例如，人體的頭蓋骨(圖1-2(a))在兼具輕質特點的同時，由于多尺度孔隙的存在，還可在發生碰撞時通過不連續的孔隙減緩沖擊應力傳遞，降低對大腦的損傷；候鳥的翅膀(圖1-2(b))具有輕質高強特點，并且具有一定柔性來適應多變的氣流；犀鳥的喙(圖1-2(c))具有較高的強度與耐沖擊性能。又如，植物的莖稈(圖1-2(d))，其孔隙既為營養運輸提供通道，又在較少物質(各種糖類與蛋白質)需求的同時，為植物花朵和葉片提供強有力的支撐。借鑒自然界的結構，人們發現將結構系統與功能系統同時設計是拓展輕量化材料與結構種類的有效途徑。 隨著國防裝備的迅速發展，尤其是重點裝備、重大型號的預研及定型，對兼具結構和功能特性的輕質材料與結構提出了越來越多、越來越高的要求。例如，高超聲速飛行器沖壓發動機需要兼具承受爆燃產生的高壓力和高效主動散熱的冷卻板；航母需要輕質高效承載的噴氣偏流裝置；液體火箭發動機需要高效輕質的燃燒室(圖1-3)；新型脈沖爆震發動機需要具有主動散熱功能的承壓爆震管壁結構。這些裝備對多功能特性的新需求，為我國新材料的研發指明了新的方向。近年來的一些研究成果表明，以各類多孔金屬材料、點陣材料為代表的輕量化材料與結構，不僅具有優異的結構承載能力，還具有廣泛的多功能特性，如主動散熱、抗爆、抗侵徹、吸聲隔聲等特性，未來在國防及民用領域均具有重要的應用前景。 1.2多功能輕量化材料與結構的基本概念和特性 如圖1-4所示，本書的研究對象包括以泡沫鋁為代表的無序多孔金屬、以點陣結構為代表的有序多孔金屬、點陣和多孔金屬復合的混雜多孔結構以及含液多孔介質。從研究的時間順序來看，這四類輕量化材料與結構大體可分別稱為**代多孔結構、第二代多孔結構、第三代多孔結構以及第四代多孔結構。值得注意的是，雖然本書在后面論述各功能特性的時候相對獨立，但實際工程應用中經常出現需要滿足多種功能特性的情況，而且孔隙的尺度跨度很大(從納米到米)。換句話說，輕量化材料與結構的多功能特性研究通常是多學科交叉的、多尺度的。 1.2.1無序多孔金屬 無序多孔金屬以泡沫金屬(也稱為金屬泡沫)為主，其孔隙幾何特征一般為隨機分布。按孔隙的連通性劃分，泡沫金屬又分為閉孔泡沫金屬和通孔泡沫金屬，如圖1-5所示。 由于其制備工藝簡單，制造成本相對較低，以及其高孔隙率和優異的力學、熱學及聲學等方面的性能，因此泡沫金屬受到國內外學者的高度關注。 閉孔泡沫金屬以其優異的能量吸收性能，在航空航天、防護工程、機械制造及交通防撞領域已經得到廣泛研究和應用。對于閉孔泡沫金屬的靜態力學性能研究，主要集中在壓縮性能方面，因其壓縮應力-應變曲線具有較長的平臺段，可作為能量吸收裝置的核心吸能元件。此外，國內外學者也對其拉伸、彎曲、剪切、腐蝕、蠕變等性能進行了大量研究工作。Peroni等對閉孔泡沫鋁的各種力學性能進行了系統實驗研究。研究表明，閉孔泡沫鋁在軸向壓縮載荷作用下表現出良好的能量吸收特性，而在拉伸載荷作用下，閉孔泡沫鋁則會發生脆性斷裂，能量吸收能力受到限制。在彎曲、剪切和扭轉等載荷作用下，由于拉伸破壞的存在，其力學性能沒有表現得像壓縮那樣優異。在靜態力學性能研究的基礎上，人們對其動態力學性能進行了大量研究。采用落錘沖擊手段對閉孔泡沫鋁的低速沖擊行為進行實驗研究，可實現壓縮及彎曲等低速沖擊加載，而對于高速沖擊下的力學行為，可通過分離式霍普金森桿進行實驗研究。也有學者對閉孔泡沫金屬在強動載荷(如侵徹和爆炸)下的力學行為展開研究。另外，由于閉孔泡沫金屬在動態載荷下的特殊力學行為，部分學者還用其模擬爆炸沖擊載荷，用泡沫子彈打擊結構物來近似模擬爆炸載荷。 與閉孔泡沫金屬不同，通孔泡沫金屬的孔洞相互連通。泡沫骨架具有如下特點：多個棱桿匯聚形成節點，如此互相連接即形成了整塊的通孔泡沫材料。通孔泡沫材料的孔隙率往往比較高，常見孔隙率大于70%。這種通孔結構為流體提供了通道，使其具備多方面的應用，如過濾、強化換熱、吸聲等。*初人們采用固體幾何學的觀點描述泡沫材料的微觀拓撲孔隙，認為通孔泡沫材料的孔形狀是菱形十二面體。后來人們采用*小表面能理論闡述通孔泡沫材料的空間構型，以Kelvin提出的面略彎曲的十四面體為代表的空間構型被人們廣泛接受。Weaire和Phelan將計算機軟件用于求解表面積*小化問題，得到了單位體積中表面積更小的組合體。該組合體由等體積的6個十四面體和2個十二面體構成，組合后表面積僅為0.3%。通孔泡沫金屬在強制對流下是優良的傳熱介質，可以作為承受高熱流密度的結構(如空天飛行器、超高速列車)和微電子器件(如高速芯體)的散熱裝置。現有的初步研究表明，通孔泡沫金屬的吸聲效果良好，而且當孔徑為0.1～0.5mm時其吸聲效果*優。例如，Alporas泡沫金屬已成功地應用于高架橋底的吸聲內襯，以及隧道口的吸聲壁板上。與傳統吸聲材料相比，多孔金屬具有高比剛度、高比強度、無毒、耐腐蝕和耐高溫等明顯優勢，可以用于有阻燃要求和各種嚴苛條件下(如高溫、潮濕)的內裝材料。 1.2.2有序多孔金屬 Chen等采用二維泡沫模型從理論上系統地研究了導致泡沫材料性能低于理論預測的幾種缺陷形式，揭示了微觀幾何缺陷是導致泡沫材料結構性能不佳的重要原因。為了彌補泡沫材料自身結構性能不理想的缺點，人們設計了多種胞元形狀規則并周期性排布的點陣多孔材料，即有序多孔金屬。按芯體構型劃分，有序多孔金屬分為二維點陣材料和三維點陣材料。顧名思義，二維點陣芯體主要是指芯體沿平面內兩個方向變化，沿空間另一個方向不發生變化的芯體，圖1-6給出了九種由二維點陣芯體組成的夾層結構，其中芯體沿平行于上下面板方向可以無限拉伸。圖1-7給出了三種常見的蜂窩芯體，該類芯體沿垂直于面板方向可以無限拉伸而不影響其平面拓撲結構。圖1-8給出了由三維點陣芯體構成的夾層結構，該類芯體多由空間桿系結構組成。 與無序多孔金屬相比，有序多孔金屬具有極高的可設計性，并且由于其結構呈周期性，制備過程中的缺陷相對較少，因此，該類結構成為近年來各國學者研究的重點。由于飛機制造工藝的需求，六方蜂窩作為早期的輕質芯體結構有著較長的研究歷程，如圖1-9所示，六方蜂窩的制備可以通過波紋板堆疊-焊接成形，也可以通過鋁箔逐層錯位黏接后拉伸而成。Gibson和Ashby在其專著中對六方蜂窩的面內、面外力學性能進行了系統研究，其面外壓縮強度遠大于其面內壓縮強度。隨著承載力要求逐漸增大，蜂窩芯體壁厚也隨之增加，傳統六方蜂窩的制備方法已經無法滿足要求，相對簡單的嵌插-焊接工藝使得四方蜂窩的研究引起了學者和工業界的注意。Cote等采用嵌插結合真空焊接工藝制備了不銹鋼四方蜂窩，通過實驗對其壓縮性能和剪切性能進行了研究，并利用理論分析對四方蜂窩的壓縮強度和剪切強度進行了預測，發現了在橫坐標為相對密度、縱坐標為無量綱強度的材料選擇圖上，四方蜂窩芯體相對于波紋芯體、金字塔桁架及泡沫金屬等輕質多孔金屬具有明顯優勢。Rathbun等基于強度破壞機理對受到廣義彎曲的不同拓撲結構的夾層板進行了優化設計和*小質量比較。對于組成材料屈服應變為0.001的不同結構，由于波紋芯體在低載荷區域的破壞模式以屈曲失效模式為主，該類型結構無論是在橫向彎曲載荷下還是在縱向彎曲載荷下，其*小質量均大于四方蜂窩芯體夾層板。關于蜂窩結構更詳細的研究，讀者可參考ZhangQC的綜述文章。通過深入分析可以發現，在承受面外壓縮、面內剪切和彎曲載荷作用時，四方蜂窩結構相對于同等相對密度的其他點陣芯體性能優異的原因在于：首先，蜂窩單胞胞壁與載荷方向平行，胞壁結構可以完全承受載荷；其次，根據平板穩定理論，有
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