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热膨胀系数可设计的点阵结构研究取得新进展

  方岱宁院士课题组近期在点阵结构的热膨胀性能设计方面取得突破,相关结果20161月发表在固体力学顶级期刊JMPS(86卷,173-191)

  对于在温度急剧变化环境中工作的大型结构,例如对地观测卫星的支架平台等,材料热胀冷缩可能导致结构的过大变形,从而影响平台功能的稳定性。由于材料热膨胀系数可调节范围有限,因此单纯的材料设计对控制温度变形的作用很有限。本研究的结果显示在结构设计时采用热膨胀系数不同的若干种材料进行组合,可以做到热膨胀系数的跨量级调节,实现结构温度变形的可控设计。

1 热膨胀系数接近于零的点阵结构

本研究基于三角形基本结构,设计了由铝合金与不锈钢两种热膨胀系数不同的常用工程材料组成的二维点阵结构。通过几何尺寸和角度设计,可以实现热膨胀系数从正到负的调节,甚至可以设计制造出热膨胀系数接近于零的所谓零膨胀结构。在此基础上,提出了一种广义不动点方法,可以针对大型结构进行热膨胀系数设计,得到所需的不动点、线或面,为实际工程结构的零膨胀设计提供了指导。