树脂基复合材料自修复中二维管网载体的研究

发布时间：2017-05-11 17:09

  本文关键词：树脂基复合材料自修复中二维管网载体的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：复合材料在使用过程中,会受外界环境的影响产生裂纹、内部分层等缺陷,如不及时修复,将缩短材料使用寿命并带来严重的安全隐患。而内部损伤很难被检测,为此提出复合材料自修复技术,即在材料出现损伤(如微裂纹)后可以实现自动修复,不需人工参与。本文主要针对树脂基复合材料自修复中二维管网载体展开研究。首先,通过实验和有限元分析相结合的方法确立管网在基体材料中的体积百分比阈值。制备环氧树脂基体试样,进行了拉伸和弯曲实验测试,实验结果得到了环氧树脂的相关力学参数弹性模量、泊松比、强度极限等分别为3.93GPa、0.34和20.6MPa,并通过有限元建模和仿真,得到了二维管网载体体积百分比阈值为5.24%。其次,针对正交自修复二维管网载体拓扑结构进行了研究。在给定入口总流量下,根据选定的管径范围,以管网的体积百分比和流动效率为优化目标,采用改进后的多目标遗传算法—NSGA-II,并结合哈迪?克罗斯迭代法对单入单出和双入双出的二维管网载体模型分别进行了参数优化。结果得到:迭代12000次后,单入单出和双入双出管网模型都收敛且体积百分比均在阈值范围内,这说明此优化算法的可行性。通过归一化处理从Pareto解中选出了最优拓扑结构方案,分别为非劣解50和非劣解44,并获得每根管道的流速、流量等。最后,采用分析和数值模拟方法研究了流体在二维管网载体流道中的流动特性。以单入单出和双入双出的最优拓扑结构方案为研究对象,采用Gambit软件划分网格,边界条件为速度入口、自由出流,流态为层流模型。采用Fluent软件仿真分析了这两种管网模型管道内部流场,迭代收敛后,得到了压力、速度分布云图及矢量图,观察了管网中液体流动的状态及走向,并计算求得每根管道中液体的流速,将仿真速度与优化速度进行了对比,得到两者速度值接近。同时分析比较了含裂纹和不含裂纹的单入单出二维管网模型的流动状态,结果表明部分液体从裂纹处流出,将造成管道速度值减小。
【关键词】：自修复 管网 有限元 遗传算法 流场
【学位授予单位】：华东交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-12
• 1.1 研究背景及意义8-9
• 1.2 复合材料自修复中管网载体的研究现状9-10
• 1.3 本文主要研究内容10-12
• 第二章 二维管网载体的体积百分比阈值12-21
• 2.1 有限元模型构建12-14
• 2.1.1 纯环氧树脂材料参数的确定12-13
• 2.1.2 建立模型13-14
• 2.2 纯环氧树脂的仿真及分析14-16
• 2.2.1 设置单元属性14-15
• 2.2.2 网格划分15
• 2.2.3 加载并求解15
• 2.2.4 有限元结果分析15-16
• 2.3 埋入二维管网的自修复环氧树脂的仿真16-19
• 2.3.1 建立自修复模型16-17
• 2.3.2 划分网格及加载求解17
• 2.3.3 仿真结果及分析17-19
• 2.4 二维管网体积百分比阈值的确定19-20
• 2.5 本章小结20-21
• 第三章 二维管网载体拓扑结构的优化21-36
• 3.1 二维管网优化设计数学模型21-23
• 3.1.1 目标函数的建立21-22
• 3.1.2 约束条件22-23
• 3.1.3 管网优化设计23
• 3.2 非劣分层遗传算法23-24
• 3.3 基于非劣分层遗传算法的二维管网拓扑优化24-26
• 3.3.1 管径编码24
• 3.3.2 创建初始种群24
• 3.3.3 适应度的确定24-25
• 3.3.4 选择操作25
• 3.3.5 交叉操作25
• 3.3.6 变异操作25-26
• 3.3.7 算法的终止条件26
• 3.4 二维管网优化设计的计算机程序实现26-28
• 3.5 模型优化实例28-35
• 3.5.1 单入单出二维管网模型优化及结果分析28-32
• 3.5.2 双入双出二维管网模型优化及结果分析32-35
• 3.6 本章小结35-36
• 第四章 二维管网载体的流体模拟与软件仿真36-56
• 4.1 流体力学基础36-38
• 4.1.1 流体力学基本控制方程36-37
• 4.1.2 流态与雷诺数37-38
• 4.2 CFD软件38-39
• 4.2.1 Gambit简介38
• 4.2.2 Fluent软件介绍38-39
• 4.3 不含裂纹单入单出二维管网载体流动仿真分析39-48
• 4.3.1 模型的建立39-41
• 4.3.2 边界条件的设置及求解器求解41
• 4.3.3 判断迭代收敛41-43
• 4.3.4 仿真轮廓线分析43-45
• 4.3.5 仿真流速值的求解45-46
• 4.3.6 结果分析46-48
• 4.4 不含裂纹双入双出二维管网载体流动仿真分析48-52
• 4.4.1 建立几何模型、网格及边界条件48-49
• 4.4.2 仿真结果49-50
• 4.4.3 结果分析50-52
• 4.5 含裂纹的二维管网载体流动仿真分析52-55
• 4.5.1 模型的建立和网格划分53
• 4.5.2 仿真结果53-55
• 4.6 本章小结55-56
• 第五章 总结与展望56-58
• 5.1 总结56-57
• 5.2 展望57-58
• 参考文献58-61
• 致谢61-62
• 个人简历 在读期间发表的学术论文62

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本文编号：357685