长安大学创新创业训练项目申报书-改.doc

编号长安大学2013年国家级大学生创新创业训练计划申 请 书项目名称： 新型功能梯度多孔防护结构设计 项目类别： 创新训练项目 所在学院： 理学院 项目负责人： 晏东 所在学院： 理学院 学 号： 201112030220 专业班级 2011120302 手 机：指导教师： 邓庆田 联系电话：大学生创新创业训练计划管理办公室制填表日期: 年 月 日申请者的承诺 我承诺对本人填写的各项内容的真实性负责，保证没有知识产权争议。如获准立项，我承诺以本表为有约束力的协议，遵守学校的相关规定，按计划认真开展研究和实践工作，取得预期成果。长安大学有权使用本表所有数据和资料。 负责人签字： 年 月 日填 写 须 知一、申请参加大学生创新创业项目团队的人数含负责人在内不得超过5人；创业实践项目人数不作要求。二、本表请如实填写，表达明确严谨。所列各项内容不能简单标注“见附件”，否则视为不合格；本表所需签字之处，由本人亲笔签名。三、填表字体用小四号宋体，单倍行距，申请书一式3份，所在学院1份、教务处2份。要求统一用A4纸双面印制、左侧装订，所附材料用小四号宋体打印，附于申请书后。四、项目填写申报时可根据具体内容调整表格大小。一、项目基本情况项目名称新型功能梯度多孔防护结构设计项目类别A：创新训练项目（） B：创业训练项目（ ）C：创业实践项目 （ ） 所属学科力学申请经费10000元起止年月2013年4月至2015年7月申请者情况姓 名学 号院（系）、专业E-mail电 话签名晏 东201112030220理学院573059160qq.co 瑾201112030210理学院276067889qq.co 湉201112030215理学院624960016qq.co礼平201112030124理学院2373807656qq.co导老师姓名单位职称签名邓庆田长安大学理学院讲师项目负责人参加科技创新活动与获奖情况无 指导教师承担科研课题情况及对本项目的支持情况（由指导教师填写）指导老师承担负泊松比多孔结构相关课题研究并取得一定成果，能够保证对本项目的顺利进行提供可靠的支持。项目内容提要项目拟以装备领域及生活领域结构轻量化的迫切要求为指导，针对以高能量吸收率、高效减振为特征的轻质功能梯度多孔材料及构成结构，开展轻质功能梯度多孔结构的基础理论的研究，结合结构在多物理场及其耦合状态下的性能，对材料的孔隙结构和制备工艺进行局部优化，设计多种具有更高冲击防护性能的多孔结构，发展和形成轻质功能梯度多孔结构建模方法及简单制备、冲击实验测试与评价方法，最终为装备领域的新型防护结构提供途径。二、具体申报内容A创新训练项目立项依据 (项目的研究意义、国内外研究现状分析、科学依据，附主要的参考文献)研究意义 高空隙率多孔结构作为吸能材料, 凭借其质量轻、吸能效率高等优点, 近年来被逐步应用于制造航天航空飞行器、高速列车、汽车、轮船等交通运载工具和重要建筑物的缓冲装置、减震装置以及保险杠等安全装置上. 与此同时, 超轻多孔金属材料力学行为的研究在近年内得到了迅猛发展, 主要原因是材料研制和应用中的大量力学问题极大地吸引了材料科学和力学工作者的注意力.多孔材料，如木材、海绵、骨骼和软木等，普遍存在于自然界中，生物结构的多孔构造为超轻多孔材料的设计与构筑提供了灵感与启迪。在仿生基础上发展起来的超轻多孔材料，已经显示出了传统材料所不具备的多种优异特性，成为未来轻量化、功能化、低能耗结构的理想用材。随着工业、科技的发展，航空航天、探月工程、高铁列车车体、汽车、国防等装备领域迫切需要高效能量吸收、高效减振降噪、高效散热的轻量化高性能材料，在这方面颇具潜力的超轻多孔材料已成为各国科学界及政府积极开展研究的热点领域。作为近年来随着材料制备以及机械加工技术的迅速发展而出现的一类新颖多功能结构化材料，其宏观结构按规则程度可分为有序和无序两大类，多孔结构的孔径可逐渐由毫米级减小到微米甚至纳米级，孔隙结构千变万化，且不同构形的孔结构对材料的力学及其它物理特性有着显著的影响，因而具有良好的可设计性。超轻多孔材料独特的多尺度孔隙结构使其表现出一系列传统材料所不具备的多功能集成特性，如高比强、高比刚度、高强韧、高能量吸收等优良机械性能，以及高效吸声降噪、强化传质传热、阻燃防爆、过滤分离等特殊性质，兼具功能和结构双重作用，是一种性能优异的多功能工程材料。超轻多孔材料和结构在高能耗装备中的广泛应用，不仅会大幅度降低对常规能源的需求，同时也可减少环境污染。超轻功能梯度多孔材料作为一种新型的多功能结构在动态冲击能量吸收方面表现出了卓越的性能，其中周期性多孔结构因其拓扑结构的特殊性，其通孔桁架结构以吸收能量来提高结构的抗冲击性能。同时，多孔结构的特殊性提供了一种实现结构多样化的捷径，可以通过在创新多孔结构内部填充某些材料进一步提高其抵抗外部冲击性能。另一方面，高孔隙率多孔结构因其通过冲压工艺制作而成，具有相对密度低，比模量、比强度优良的力学性能以及良好的阻尼性能、较好的隔音、抗化学腐蚀等物理化学性能，其压缩载荷下的应力-应变曲线有一个较长的应力平台，当受到外界冲击载荷时，在应力并不是很高的情况下通过自身的大变形消耗大量的功，将其转变为结构中多孔细胞的变形、坍塌、破裂、细胞壁摩擦等各种形式所耗散的能量，从而有效吸收外界的冲击能量。这种在较低应力水平下吸收大量冲击能量的特性使其成为能量吸收的理想材料，在抵抗低速冲击、爆炸等工程防护领域被广泛采用。应用多孔材料能提高强度和刚度等机械性能，同时将低密度，这样应用在航天、航空业就有一定的优势。据测算，如果将现在的飞机改用多孔材料，在同等性能条件下，飞机重量，减小到原来的一半。应用多孔材料另一机械性能的改变是冲击韧性的提高，应用于机械工业能有效降低交通事故对乘客的创造伤害。从力学研究的角度看，功能梯度多孔材料与结构的设计、制备与服役过程中提出了大量富有挑战性的研究课题，如静态与动态响应分析、破坏分析、材料基本力学性能测试技术、结构的细胞单元几何构形设计等。目前功能梯度多孔结构的研究仍处于起步阶段，需要创新的力学概念、理论、建模方法、计算方案、实验手段和在现实中实现的制备技术。对这些力学问题的深入研究，是进一步加深对负泊松比材料的认知和推广应用所不可缺少的。综上所述，对功能梯度多孔结构的研究将有助于加深对轻质多孔材料变形机理的认识，能够指导具有特殊属性材料与结构的设计，同时，课题对于处于本科阶段学习的学生具有较强的可操作性，因此拟选择本课题项目开展创新训练计划。国内外研究现状及科学依据 目前，国内外针对多孔结构的相关科学研究主要集中在以蜂窝夹层结构，泡沫结构和点阵结构。蜂窝夹层结构材料是一种轻质、高强、各向异性材料。蜂窝夹层结构材料具有优良的抗冲击能力、耐热防腐、导电、导热、隔热、隔音、吸能减震、电磁屏蔽等功能,广泛应用于航天航空、交通运输、电子、环保、能源、建筑等领域。 泡沫金属是一种结构内部含有大量孔隙的、功能与结构一体化的新型材料。泡沫金属材料具有重量轻、高比强、高比刚度、高强韧、高能量吸收等优良机械性能,以及减震、散热、吸声、电磁屏蔽、渗透性优等特殊性质,是一种性能优异的多功能工程材料。泡沫金属材料在高能耗装备(汽车、高速列车、航空航天器、轮船等)的广泛应用,不仅会大幅度降低对常规能源的需求,同时也可减少环境污染。目前,关于泡沫金属的研究主要集中在材料制备工艺和性能表征两方面。 点阵材料是一种模拟分子点阵构型制造出的一种有序超轻多孔材料。点阵材料是由结点和结点间连接杆件单元组成的周期结构材料。它的特点是其细观构型均为二维或三维网架体系,网架中的空隙没有用来承载的填充物。这样的设计节省了大量的质量,提高了比刚度和比强度,在同等重量下点阵材料比无序微结构金属泡沫具有更好的力学性能;网架间的空隙能够执行储油、配置电池等功能化要求:材料的多孔特点满足了进行对流换热以达到温度控制的要求;网架独特的伸展性能使得其促动、制动和阻尼振动的研究大有发展空间;同时,它也具有良好的降低噪音、屏蔽电磁辐射、抗冲击和碰撞吸能能力。本课题拟以功能梯度多孔结构为研究对象，采用理论分析和有限元软件模拟手段相结合，将材料科学与力学理论紧密地结合起来，建立宏观力学行为和细胞单元模型之间的关系，分析具有多孔结构的弹性性能和静动力学行为，为功能材料的结构设计与应用提供理论依据。参考文献1 解芳,刘佐民. 厚壁胞体多孔结构接触强度研究, 固体力学学报,2010年03期2 彭迎风,辛勇. 多孔结构材料在汽车碰撞安全中的应用研究, 中国制造业信息化, 2006年03期3 杨培中. 多孔结构的几何特性研究及应用, 东华大学学报（自然科学版）, 2007年03期4 卢天健,张钱城,金峰. 轻质多孔材料与结构研究的最新进展, 中国材料进展, 2012年01期研究方案 1、研究目标，研究内容，拟解决的问题研究目标本项目拟通过建立多种新型功能梯度多孔结构理论模型，结合有限元模拟和实验室测试对结构在静载和冲击荷载作用下的力学性能进行研究，研究结果为新型防护结构的设计和结构优化提供参考。研究内容和拟解决的问题（1） 提出二到三种合理的新型多孔结构分析理论分析模型并进行结构优化（2） 对提出的功能梯度多孔结构分析模型进行有限元软件模拟，初步得到其对静态、动态荷载的响应结果，并进一步完善结构模型（3） 在理论分析和有限元仿真结果的基础上制备试实体模型并在实验室完成初步试验测试 2、拟采取的技术路线本项目拟采取“理论分析+有限元数值模拟+实验室测试”的研究路线，获得功能梯度多孔结构更优异的力学性能。具体方案为：查找相关文献找出问题存在的方向讨论解决问题的方案初步建立新的模型 第一步优化处理软件分析处理分析中暴露出的问题软件分析检测解决情况加工实体构件实验室中进行试验解决暴露出的问题与不足再次检验成功完成项目研究3、可行性分析材料、力学等学科针对多孔结构的相关问题已经进行了大量的科学研究，出现了许多具有指导意义的研究成果，在数学建模、数值模拟以及试验研究等方面积累了丰富的经验。在理论建模方面，采用均一化理论和单元胞计算模型；在数值模拟方面，以通用有限元程序和仿真软件作为基本工具；在实验室测试方面，通过冲压方式制备简易测试模型并在力学实验室完成冲击试验测试。本项目的特色与/或创新之处1. 更加节能环保本项目其轻量化的特性可以降低对材料的浪费。同时在装备它的产品上可以减轻自身重量，降低对燃料的需求，缓解目前的能源危机。2. 同时满足了多个领域的需求目前安全性是每一个产品或领域的重要参考依据，而这种防护设计并不局限于某一种产品或领域。它在经过针对改良之后可以用于汽车，桥梁建筑，航空航天，装甲等多个领域。3. 性能多样性可根据不同需求和性能要求，选择不同的材料进行制备。年度研究计划及预期成果（以三个月为单位；预期成果包括各阶段的研究成果；项目最终成果的形式为实物、软件、报告、论文等）1. 年度研究计划2013.04-2013.07：查阅国内外相关文献资料，与指导老师就课题进行深入探讨设计研究方案并撰写开题报告。2013.07-2013.10: 项目组各成员尝试建立理论分析模型。 2013.10-2014.01：编写计算程序，对模型进行数值模拟计算。2014.01-2014.04：分析计算结果，综合考虑多种模型的优缺点，对模型进行进一步优化。2014.04-2014.07：学习软件(ANSYS),尝试建立有限元分析模型2014.07-2014.10：对模型在静载、冲击荷载下的响应进行有限元仿真模拟，进一步优化模型，提高结构吸能效果。2014.10-2015.01：加工实体模型并进行实验室测试并撰写试验报告。2015.01-2015.04：对模型数值计算、有限元仿真以及试验测试结果进行理论系统的架构。2015.04-2015.07：写结题报告，完成撰写论文，参与结题答辩。2. 预期研究成果通过本项目较为系统的研究，以高效能量吸收、高效减振降噪为目标，研究建立多种新型结构化超轻多孔结构的理论模型，以及功能梯度多孔结构创新构型设计的初步实现技术、试验测试方法，为新型超轻多孔材料的设计提供新的思路和实现途径。拟获得的具体研究成果包括：（1）多种新型功能梯度多孔结构模型；（2）实现功能梯度多孔结构的试验模型制备；（3）完成对新型多孔防护结构静、动力学响应分析；（4）提交经优化设计的功能梯度多孔结构的实体模型。各成员承担的研究任务分解1. 晏 东：组织各项研究，联系指导老师，写出项目研究报告2. 陈 湉：理论建模负责人3. 王 瑾：有限元软件模拟负责人4. 叶礼平：实体化及试验负责人三、经费及审批经费预算（调研、资料、耗材、元器件、实验及论文版面等）1. 资料复印等费用：500元2. 相关书籍的费用：1000元3. 模型加工费用：4000元4. 论文版面费：2500元5. 调研费：10006. 其他相关实验费：1000元总和：10000元 学校批准经费：指导教师意见：本项目拟以研究热点多孔结构为背景，开展理论计算相关新型功能梯度多孔结构的静动力学的探索性研究，是目前该领域研究的重点，具有很好的