Novel Voronoi Structural Design and Its Mechanical Properties

二维多孔结构具有轻质、比强度高、隔音、吸能特性优异等特性，是工程中应用最广泛的结构之一。本文根据应用环境的不同，在满足相对密度一致的前提下，提出了三种不同的优化设计方案，从理论分析和数值模拟结果出发，探究了这几种优化结构在抗拉、缓冲吸能等方面性能与传统结构的差异。主体研究内容可以分为： 单轴静态拉伸的加载条件下，首次提出了生成voronoi多边形的梯度栅格随机撒布法，实现了胞元尺寸在整个模型区域内的非均匀设计。并对生成的多孔结构施加静态单轴拉伸载荷，结果显示，在相对密度相等时，梯度多孔结构的单轴拉伸性能优于均匀结构，梯度系数增大，增强效果更明显，且上下边缘胞元尺寸小的结构抗拉能力最优，梯度结构的抗拉性能最大可比均匀结构提高70.5%。 在动态冲击的加载条件下，本文设计了胞元尺寸正负梯度分布的模型。对比吸能效率可以发现，冲击速度与吸能效率呈正相关，模型之间的吸能效率存在负梯度模型＞正梯度模型＞均匀模型的关系。同时，本文以传统的一维冲击波模型为基础，提出了适用于梯度结构的冲击波模型，并从波阵面后相对密度的差异解释了各个模型之间吸能效率差异的本质原因，并通过比较冲击端平台应力的理论解和有限元结果，验证了本文提出模型的正确性。 以纤维复合材料为背景，并引入增强体材料和基体材料，本文设计出了纤维定向排布模型，通过与增强体集中排布模式、短纤维随机均布模式的Voronoi结构做对比，从承载能力上看，长纤维定向分布模型其承载能力较增强体集中排布模型和短纤维随机均布模型分别提高了45.12%和36.9%。在3m/s的冲击载荷作用下，长纤维定向分布模型的多孔结构在能量吸收上分别比增强体集中排布模型和短纤维随机均布模型提升32.6%和29.3%。通过横向对比不同纤维长度的模型发现，模型中单根纤维长度占总长度的比例在70%-80%的区间范围，可以保证多孔结构自身的受压稳定性。</p

非均质多孔结构的冲击响应和能量吸收特征

金属多孔材料具有出色的缓冲吸能效果,为了从机理上阐述多孔材料的冲击响应特性,基于一维激波[2]传播理论的刚塑性完全锁定(RPPL)模型最先被提出。该模型可以较好预测在单轴冲击载荷作用下,密度均匀分布的多孔材料其平台应力以及塑性耗能的变化情况。然而,目前的研究很少涉及密度分布不均匀的非均质多孔材料,为了能够从理论上对这类结构的力学性能进行分析和预测,本文在RPPL模型的基础上,提出了全新的理论模型,同时通过与有限元模拟结果进行对比验证。结果表明:本文中的理论可以准确的预测非均质多孔材料其冲击端平台应力和整体塑性耗能,此外,在整体相对密度保持一致的前提下,非均质多孔材料有着比密度均匀分布结构更出色的能量吸收效率

辽中地区矿业城市生态承载力分析与预测

辽中地区矿业城市是我国重要的能源生产和重工业基地,研究其生态承载力状况并预测其发展趋势,有利于区域经济、生态协调发展。基于资源保障率、环境承载力和社会经济增长相统一的原则,运用系统动力学方法建立了辽中地区矿业城市生态承载力评价模型,评价了1997-2006年研究区生态承载力状况,预测了2006-2020年研究区生态承载力变化趋势。结果表明:1997-2006年,辽中地区矿业城市生态承载力总体处于超载状态,但发展趋势差别显著。鞍山生态承载力指数从1.686下降到1.301,年均下降2.56%,但仍处于超载状态;抚顺生态承载力指数从1.169下降到0.909,年均下降2.49%,生态承载力从超载变为盈余;本溪生态承载力指数从1.070上升到1.249,年均上升1.56%,超载程度不断加大。2006-2020年,辽中地区矿业城市生态承载力总体上处于超载程度加大的趋势,鞍山、抚顺和本溪生态承载力指数年均增长率分别达到0.89%、1.56%和1.81%。作为矿业城市,鞍山、抚顺和本溪需要优先保障水资源和能源的供需平衡,改善水环境质量,从而达到生态承载力的提高

Dynamic response of Voronoi structures with gradient perpendicular to the impact direction

Gradient porous structures are extensively studied in impact-resistant structures due to their light weight and high energy absorption. Different from existing studies, this article focuses on novel Voronoi structures with gradient perpendicular to impact direction, and compares their dynamic response with the uniform structure through numerical simulation. It shows that the novel gradient design comprehensively improves the impact resistance of Voronoi structures. Furthermore, density gradient is introduced into the one-dimensional shock model, and the theoretical solution of the plateau stresses at the impact end are compared with the simulation results, which verifies the correctness of the model in this article

Novel Gradient Design and Simulation of Voronoi Structures

The gradient design of a fine grain structure on the surface and coarse grain structure in the substrate gives nano metallic materials both high strength and plasticity. Inspired by the concept of gradient design of grain sizes in materials science, this paper shows the design of the gradient Voronoi polygonal honeycomb structure. The quasi-static uniaxial tensile deformation processes of both, gradient and uniform, Voronoi structures were studied and it was found that the gradient design of the honeycomb cell size greatly improves the tensile property and strain energy storage of the Voronoi structure.</p