温度敏感各向异性材料的表面失稳机理和微结构拓扑优化研究
批准号:
11802082
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
18.0 万元
负责人:
林森
依托单位:
学科分类:
多场耦合与智能结构力学
结题年份:
2021
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
王里、孙子正、王浩、夏令伟、柴艳龙、张心颖
中文摘要
温度敏感材料是指在温度变化时能够改变自身特性如几何形状,导热系数,膨胀系数,折射率的高分子材料,可用于高分子温敏传感器、调光结构和形状记忆结构的制造。本项目针对由温度敏感复合材料构成的复杂曲率的曲面结构和多孔结构,建立温度场或热力耦合作用下的失稳控制方程,研究材料的弹性模量、泊松比和蠕变应变在玻璃化转变温度中的变化。研究层合结构表面失稳的各种模态以及后屈曲过程中出现的曲率二次分岔和局部失稳现象,并通过叠加几何缺陷研究反向表面失稳过程中的形貌演化机理。提出具有光滑边界的双向渐进结构优化算法以实现温度敏感材料的微结构优化,设计具有各向异性膨胀性能和负热膨胀的复合材料以控制结构表面失稳和形貌演化。该温度敏感智能结构在自适应环境建筑、柔性电子元件和药品输送等领域具有良好的应用前景。
英文摘要
Thermal-sensitive materials refer to the polymer materials can change their properties such as geometry, thermal conductivity, coefficient of expansion and refractive features under temperature changing. They can be used for fabricating thermal-sensitive sensor, dimming structures and shape memory structure. This project aims at investigating the thermal-sensitive structures with composite curvatures and porous surfaces, deriving the governing equations affected by temperature field or thermal mechanical coupling field, and studying the changing of elastic modulus, Poisson’s ratio and creep of the material at the glass transition temperature. The project also classifies the forms of instability, secondary bifurcation and local instability during the post buckling process. The reverse post buckling process is studied by superpositioning geometrical imperfection. Additionally, the bi-directional evolutionary structural optimization with smooth boundaries algorithm is proposed to realize microstructure optimization of the thermal-sensitive materials and design composite materials with anisotropic expansion properties or negative thermal expansion ratio, which can control structure surface instability and morphology evolution. The methodology of designing thermal- sensitive intelligent structures can have good application prospect in adaptive environment constructions, flexible electronics and drug delivery.
采用网络水凝胶这种高分子聚合物为主体材料,与热可塑性聚氨酯为辅助材料混合获得具有高热膨胀率和合理使用强度的超材料。基于目前的温度敏感的软材料单向拉伸的小变形一维线性本构方程,根据粘弹性理论,拓展得到三维热力学本构关系,以描述复杂应力状态下温度敏感材料的热力学性能。对于非晶态高分子材料,其表征热力学性能的材料参数(弹性模量、泊松比和蠕变应变)在玻璃化转变温度附近有极大变化,需要测定复合材料各向异性的热膨胀特性,并综合考虑温度对蠕变应变的影响。在有限元分析中,采用特征值屈曲分析预测理想线性结构的理论屈曲强度,在复杂的非线性分析之前即可获得结构的临界荷载和表面失稳形状,并为非线性后屈曲分析提供可参考的荷载值。采用Block Lanczos 方法求解复杂结构的特征值。为了考虑初始几何缺陷对结构形貌演化的影响,必须对结构进行基于大变形有限元理论的非线性失稳分析。采用改进的Riks 弧长法跟踪非线性平衡路线,选取荷载收敛准则判断收敛性。以低阶特征值对应的特征向量作为初始几何缺陷,根据失稳态的临界波长对缺陷进行幅值修正并通过加权叠加建立新的初始几何模型,在温度场作用下诱导结构表面反向失稳,其表面形貌趋向于初始光滑平整的方向演化。对于各向异性材料的微结构的定向传热优化,基于变换热力学,采用坐标斜变换和旋转变换得到定向传热结构单元的热导率分布表达式,在此基础上定义单元温度梯度。两单元间温度梯度越大说明进行热交换需求越大,在此构建传热通道可以使结构分布更均匀。因此基于结构温度整体性的平均化,选择与实体单元相邻的温度梯度最大的孔洞单元中进行材料添加。与此类似,计算热量传递势容耗散函数对密度的敏度,删减敏度最大的实体单元,可以有效降低结构导热过程中热量传递势的损失,从另一方面提高结构的导热能力。本项目可以在自适应环境建筑和柔性电子元件和药品输送等方面取得广泛应用,契合“十三五”规划中传统制造业绿色化和提质增效的方针。
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DOI:
10.1016/j.addma.2019.101020
发表时间:
2020-03
期刊:
Additive manufacturing
影响因子:
11
作者:
[Lingwei Xia;Sen Lin;G. Ma]
通讯作者:
Lingwei Xia;Sen Lin;G. Ma
Acoustic performance optimization of a cementitious composite with a porous medium
多孔介质水泥基复合材料的声学性能优化
DOI:
10.1016/j.jobe.2021.103362
发表时间:
2021-12
期刊:
Journal of Building Engineering
影响因子:
6.4
作者:
[Lin Sen, Zhang Genbao, Sun Junbo, He Shilin, Chen Changfu, Morsy Amr M., Wang Xiangyu]
通讯作者:
Wang Xiangyu
Human-made corals for marine habitats: Design optimization and additive manufacturing
用于海洋栖息地的人造珊瑚:设计优化和增材制造
DOI:
10.1016/j.advengsoft.2021.103065
发表时间:
2021-12
期刊:
Advances in Engineering Software
影响因子:
4.8
作者:
[sen lin, Dingwen Bao, Chengwang Xiong, Jie Fang, Hongwei An, Zi Zheng Sun, Yi Min Xie, shiwei zhou]
通讯作者:
shiwei zhou
DOI:
10.1016/j.advengsoft.2020.102905
发表时间:
2020-11
期刊:
Advances in Engineering Software
影响因子:
4.8
作者:
[sen lin, li chen, meng zhang, yi min xie, xiaodong huang, shiwei zhou]
通讯作者:
shiwei zhou
A maze-like path generation scheme for fused deposition modeling
熔融沉积建模的迷宫式路径生成方案
DOI:
10.1007/s00170-019-03986-7
发表时间:
2019-09-01
期刊:
INTERNATIONAL JOURNAL OF ADVANCED MANUFACTURING TECHNOLOGY
影响因子:
3.4
作者:
[Lin, Sen, Xia, Lingwei, Xie, Yi Min]
通讯作者:
Xie, Yi Min
共 6 条
基于皱型纹理发育的防护壳体筋脉布局与模块化成形
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批准号:2026JJ50004
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2026
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负责人:林森
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依托单位:
基于拓扑优化的叶脉形态生成机理与仿生加筋板壳研究
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批准号:2020JJ5027
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2020
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负责人:林森
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依托单位:
国内基金
海外基金