检索结果-内蒙古大学图书馆

机械工程学报 2017年第13期53卷 125-135页

作者：郭策陆振玉吴元琦南京航空航天大学航天学院南京210016 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033

将一种新型的仿甲虫鞘翅轻质结构应用于飞机大开口区的筋板结构设计,根据飞机大开口区对结构静/动态性能和散热性能的要求,分别构造目标函数,并采用拉丁超立方试验设计方法确定样本点数,建立有限元参数化模型进行仿真计算,利用响应面法... 详细信息

将一种新型的仿甲虫鞘翅轻质结构应用于飞机大开口区的筋板结构设计,根据飞机大开口区对结构静/动态性能和散热性能的要求,分别构造目标函数,并采用拉丁超立方试验设计方法确定样本点数,建立有限元参数化模型进行仿真计算,利用响应面法得到各目标函数的响应面拟合函数,之后设定结构的多功能协同优化目标,并通过线性搜索法进行协同优化设计,优化后计算得到仿生轻质结构的散热性能、抗压刚度分别是优化前的14.3倍和2.1倍,动态性能指标得到明显改善,在相同载荷条件下结构减重11%;进一步以飞机大开口区加筋结构的一阶屈曲因子和最大位移作为优化约束条件,并以结构总质量最小为优化目标,构造各自响应面拟合函数,基于遗传算法优化筋板结构整体布局。优化后开口区加筋结构总质量减少15%,屈曲因子为1.02,较优化前提高21%,结构最大位移为12.1 mm,较优化前减少20%,优化效果显著。

关键词：仿生轻质结构大开口区多功能协同优化响应面法布局优化

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仿生轻质结构在飞机大开口区的多功能协同优化设计

仿生轻质结构在飞机大开口区的多功能协同优化设计

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作者：陆振玉南京航空航天大学

学位级别：硕士

自然生物材料中，甲虫鞘翅是一种具有质轻、高比强度等优异性能的多孔材料，现已成为开发轻质高强多功能结构材料的主要仿生对象之一。目前国内外对甲虫鞘翅的仿生结构复合材料的研究主要集中在模仿生物结构，并以此制备具有相似特性的... 详细信息

自然生物材料中，甲虫鞘翅是一种具有质轻、高比强度等优异性能的多孔材料，现已成为开发轻质高强多功能结构材料的主要仿生对象之一。目前国内外对甲虫鞘翅的仿生结构复合材料的研究主要集中在模仿生物结构，并以此制备具有相似特性的结构材料，而在仿甲虫鞘翅结构的多功能设计及应用方面研究较少。本文针对基于碳纤维仿甲虫鞘翅轻质结构的平板结构，首先采用“等效介质模型”的方法建立热学分析模型，构造出平板结构的散热性能目标函数；其次，采用响应面法得到其静态和动态性能的响应面拟合函数；最后通过构造总体目标函数，实现了仿生轻质结构的多功能协同优化设计。优化后的仿生轻质结构具有良好的散热和力学方面的综合性能，是飞机开口区筋板设计的良好材料。进一步将优化后的仿生结构用于飞机开口区结构的筋板设计，并对开口区整体结构进行布局优化设计。首先采用响应面法建立开口加筋结构布局优化的近似模型，然后利用遗传算法对近似模型进行优化。结果表明在相同的承载能力条件下，优化后开口加筋结构的一阶屈曲因子较优化前有较大提高而结构总质量减少了15%。复合材料开口加筋结构需要进行铺层优化设计，本文采用等效弯曲刚度法建立其铺层优化模型，再利用遗传算法解决包含离散变量的铺层优化问题，确定结构的最佳铺层顺序。铺层优化后结构整体一阶屈曲因子有所增大，同时再次验证了层合板铺层优化的必要性和等效弯曲刚度法在对称层合板铺层优化设计中的有效性。

关键词：甲虫鞘翅仿生轻质结构响应面法布局优化铺层优化

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仿生高强韧轻质管结构的抗弯性能研究

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中国机械工程 2025年第2期36卷 333-341页

作者：辛嘉铭纪小刚孙榕苏义麟江南大学机械工程学院无锡214122 江苏省食品先进制造装备技术重点实验室无锡214122

基于玻璃海绵中八角形结构和竹节中维管束特征,利用数字光处理技术(digital light processing,DLP)工艺设计并制备了两类仿生轻质高强韧平面结构及对应的管状支架结构;采用仿真与实验相结合的方法,聚焦分析仿生平面结构在受压过程中的... 详细信息

基于玻璃海绵中八角形结构和竹节中维管束特征,利用数字光处理技术(digital light processing,DLP)工艺设计并制备了两类仿生轻质高强韧平面结构及对应的管状支架结构;采用仿真与实验相结合的方法,聚焦分析仿生平面结构在受压过程中的极限载荷、破坏模式和吸能情况;基于三点弯曲力学性能试验结果并结合数值模拟选取抗弯性能最优的仿生平面结构,并对各平面结构对应的仿生轻质管进行抗弯性能研究。结果表明,与传统蜂窝管相比,所设计的仿玻璃海绵轻质管抗弯性能更强,验证了平面结构对比结果的可靠性。研究结果可为新型轻质高强韧支架的设计和制备提供指导与参考。

关键词：玻璃海绵仿生轻质结构三点弯曲轻量系数数字光处理工艺

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多孔玻璃海绵轻质结构的仿生研究

多孔玻璃海绵轻质结构的仿生研究

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作者：陈银河南京航空航天大学

学位级别：硕士

海绵生物已经在地球上存活了几亿年,为了适应复杂多变的海洋环境,它们不断进化形成了独特的多孔结构。本文以多孔玻璃海绵为主要研究对象,通过仿生结构设计模拟多孔玻璃海绵骨架的微观结构,设计了三种不同的仿海绵结构。使用有限元分析... 详细信息

海绵生物已经在地球上存活了几亿年,为了适应复杂多变的海洋环境,它们不断进化形成了独特的多孔结构。本文以多孔玻璃海绵为主要研究对象,通过仿生结构设计模拟多孔玻璃海绵骨架的微观结构,设计了三种不同的仿海绵结构。使用有限元分析软件Ansys workbench对三种仿海绵结构及蜂窝结构的压缩、扭转和悬臂弯曲等静力学性能进行分析和比较,观察不同载荷下轻质结构应力集中情况,结果表明仿海绵结构II各项力学性能均比较出色。为了验证结构建模和有限元分析结果的可靠性,使用3D打印技术,以光敏树脂为原料分别制备了仿海绵结构II和蜂窝结构试样进行静力学性能测试,实验测试结果与有限元分析结果吻合。本文还分别以仿海绵结构II和蜂窝结构作为夹芯层设计了两种轻质夹芯管,并比较了两种轻质夹芯管在压缩、扭转和弯曲载荷下的轻量因子和比刚度,结果表明仿海绵结构夹芯管的各项指标比蜂窝夹芯管均有提高。除了静力学性能,还对以这两种结构作为夹芯结构的薄壁管的稳定性能进行分析和比较。仿海绵夹芯结构薄壁管的抗压和抗扭稳定性能同样好于蜂窝夹芯薄壁管。以仿海绵I结构为模型,以碳纤维预浸料布为原料,开展碳纤维轻质结构铺层工艺的研究。以模压成型和升温固化为工艺基础,设计了平铺和编织缠绕两种铺层方式,并对以这两种工艺制备试样的力学性能进行测试和比较,分析两种工艺对结构力学性能的影响。此外,还以铝合金为原料制备了仿海绵轻质管,通过实验测试,比较碳纤维和铝合金两种材料对仿海绵结构力学性能的影响。

关键词：仿生轻质结构多孔玻璃海绵轻质夹芯管轻量系数比刚度

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飞行器舵翼结构的仿生轻量化设计及其力学性能研究

飞行器舵翼结构的仿生轻量化设计及其力学性能研究

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作者：吴元琦南京航空航天大学

学位级别：硕士

舵翼结构是飞行器的主要承力部件之一,主要包括蒙皮及骨架结构,研制轻质高强的新型舵翼对提高其飞行性能具有重要意义。然而,传统的设计及制备方法已无法满足实际工程需要,研究人员亟需新的解决方案。近年来的研究表明,甲虫鞘翅是一种... 详细信息

舵翼结构是飞行器的主要承力部件之一,主要包括蒙皮及骨架结构,研制轻质高强的新型舵翼对提高其飞行性能具有重要意义。然而,传统的设计及制备方法已无法满足实际工程需要,研究人员亟需新的解决方案。近年来的研究表明,甲虫鞘翅是一种典型的空腔层板结构,具有轻质高强、高刚、耐损伤的特点,动物骨骼也因其轻质高强、高韧的特性吸引了广大工程技术人员的研究兴趣,因此本文选择这两种典型生物结构作为仿生设计模板,进行舵翼结构轻量化设计和优化设计,并基于金属3D打印先进制造方法,实现复杂结构的一体化成型,从而为新型飞行器舵翼结构的设计提供新方法和新思路。本文从甲虫鞘翅断面微结构中提取设计元素,设计出一种仿生轻质夹芯结构,同时选取两种对比结构,分别对三种结构进行压缩、三点弯曲及剪切力学性能仿真分析,结果表明仿生轻质夹芯结构具有更优异的综合力学性能。本文制备了仿生轻质夹芯结构3D打印试样,并进行压缩与三点弯曲力学性能测试,同时与工程常用轻质结构材料进行对比,试验数据表明所设计的仿生轻质夹芯结构具有更优异的力学性能,试验结果与仿真分析一致。本文建立了仿生轻质夹芯结构参数优化模型,以质量、最大等效应力及最大变形为优化目标进行多目标综合优化设计,确定了结构的最优尺寸参数。优化后的仿生轻质结构质量、最大等效应力及最大变形均有所改善,最后将优化后的仿生轻质夹芯结构应用于舵翼蒙皮的设计中。本文对舵翼整体结构建模,且对舵翼骨架进行拓扑优化设计,并通过结构仿生设计方法进行骨架的创新微结构设计。对设计后的舵翼骨架进行有限元分析,结果表明所设计的舵翼骨架结构可以满足载荷要求,同时实现了轻量化设计。本文结合金属3D打印技术要求对舵翼骨架结构进行重新设计,设计三种候选改进方案,通过有限元分析得到一组最佳改进方案,最终实现了舵翼蒙皮与骨架结构缩比模型的整体打印,为后续研究打下了良好的基础。

关键词：舵翼仿生轻质结构有限元分析拓扑优化轻量化

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多种材料复合的仿巨嘴鸟喙轻质结构设计与力学性能研究

多种材料复合的仿巨嘴鸟喙轻质结构设计与力学性能研究

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作者：苏杭南京航空航天大学

学位级别：硕士

自然界中巨嘴鸟的喙是一种“三明治”复合夹芯结构,在自然进化过程中,因觅食和筑巢等功能需求,巨嘴鸟喙具有优异的力学性能,是典型的轻质高强结构,其密度仅为0.1g/cm3,目前已成为理想的仿生对象。本文以巨嘴鸟喙的微观结构为仿生模板,... 详细信息

自然界中巨嘴鸟的喙是一种“三明治”复合夹芯结构,在自然进化过程中,因觅食和筑巢等功能需求,巨嘴鸟喙具有优异的力学性能,是典型的轻质高强结构,其密度仅为0.1g/cm3,目前已成为理想的仿生对象。本文以巨嘴鸟喙的微观结构为仿生模板,在对巨嘴鸟喙内部微结构形态进行观测与分析的基础上,设计出仿巨嘴鸟喙的单胞微结构型式以及仿巨嘴鸟喙的复合夹芯结构,并对其力学性能开展了深入研究。利用基于定义的有限元方法,通过对单胞结构的分析预测其宏观力学性能。分别对仿生单胞结构和经典Gibson–Ashby闭孔泡沫模型进行建模,使用有限元分析软件ANSYS workbench对压缩载荷及剪切载荷条件下两种单胞结构的力学性能进行分析和比较,结果表明仿生单胞结构的比弹性模量及比剪切模量均更优越。对仿生单胞模型进行参数化设计,以最小质量、最小等效应力及最大约束反力为优化目标进行参数优化设计,获得了夹芯结构单元的最优尺寸参数,在此基础上设计仿巨嘴鸟喙夹芯板梁结构。选取工程实际中常用的两种蜂窝夹芯排列方式,并通过有限元分析选择抗弯性能较好的蜂窝夹芯板梁作为与仿巨嘴鸟喙复合夹芯板梁进行力学性能对比分析的对照结构。通过光固化3D打印制备出复合夹芯板的仿巨嘴鸟喙芯层结构,使用环氧树脂基碳纤维面板制备复合夹芯板的上下层板,并使用结构胶对上、下层板和芯层进行粘接,探索仿生夹芯板梁结构及蜂窝夹芯板梁结构的制备工艺。在此基础上,使用万能试验机对两种结构试样进行三点弯曲力学性能测试,得出其弯曲载荷-位移图。测试结果表明,在孔隙率相同的前提下,仿巨嘴鸟喙夹芯结构试样比蜂窝结构试样的最大承载力和弯曲模量分别高出67.2%和36.8%,因此仿巨嘴鸟喙夹芯板梁结构比蜂窝夹芯板梁结构具有更好的抗弯性能。

关键词：仿生轻质结构巨嘴鸟喙复合夹芯板有限元分析弯曲性能

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基于蛛网藻结构的轮毂仿生轻量化设计及优化

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机械制造与自动化 2020年第6期49卷 90-94,100页

作者：陈依婷郭策李龙海马耀鹏马玉秋南京航空航天大学航天学院江苏南京210016 南京航空航天大学机电学院江苏南京210016

以典型的轻质高强蛛网藻硅质壳结构为仿生模板,设计一种仿生汽车轮毂结构,并建立有限元参数模型进行仿真分析,发现其较普通辐条式轮毂结构的弯曲与疲劳性能更好,且具有进一步优化的空间。采用响应面法进行优化设计,获得仿生轮毂最优结... 详细信息

以典型的轻质高强蛛网藻硅质壳结构为仿生模板,设计一种仿生汽车轮毂结构,并建立有限元参数模型进行仿真分析,发现其较普通辐条式轮毂结构的弯曲与疲劳性能更好,且具有进一步优化的空间。采用响应面法进行优化设计,获得仿生轮毂最优结构方案,优化后的整体结构较优化前减重8.4%,其中轮辐减重25.6%。进一步利用BP神经网络提高结构最大等效应力及疲劳寿命的预测精度。计算结果表明,BP神经网络对结构最大等效应力的预测精度与Workbench响应面法的预测精度相当,但对结构疲劳寿命预测精度则提高了56.97%。

关键词：仿生轻质结构轮毂响应面方法 BP神经网络

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