静电纺丝装置及其力学机理研究进展

纳米纤维具有高比表面积,在能源、环境和航天等领域具有巨大应用前景。静电纺丝是生产纳米纤维最方便、最直接和最经济的方法之一,其力学机理的研究作为解决静电纺纳米纤维瓶颈问题的关键一直受到各相关领域的关注。本文详细介绍了各类静电纺丝装置及其机理研究的进展,重点介绍了纺丝过程中射流的力学机理研究及需要解决的瓶颈问题,总结了纺丝过程中射流力学模型的发展现状及其数值模拟研究,展望了数值方法在静电纺丝领域的发展前景。     

静电雾化锥射流模式下液锥形态的研究

本文分析了静电雾化锥射流模式下液锥表面静电应力、表面张力应力分布特性,基于应力平衡建立了液锥力学模型,并对流量、荷电电压及针形喷嘴的内半径等参数对液锥结构形态的影响进行了预测。首先设计了针形喷嘴静电雾化实验装置,应用高速摄影技术观测了静电雾化的典型雾化模式和液锥形态演化特性。实验结果表明:锥射流雾化模式仅在一定的荷电电压范围内才会出现;针形喷嘴的流量增加,液锥锥角减小,液锥长度增长;随着荷电电压或针形喷嘴内半径的增加,液锥锥角增大,液锥长度缩短。实验结果与液锥力学模型的预测结果一致。     

阳极氧化铝基体上非晶态碳纳米纤维阵列膜的微观组织及其摩擦性能

采用乙炔热分解法在多孔阳极氧化铝膜板上制备了定向生长的非晶态碳纳米纤维阵列膜，采用场发射扫描电子显微镜、激光Raman光谱仪和透射电子显微镜观察分析了阵列膜和非晶态碳纳米纤维的组织形态和微观结构，并采用原子力显微镜和环-块式摩擦磨损试验机考察了非晶态碳纳米纤维阵列膜的摩擦性能．结果表明：以经草酸溶液二次阳极氧化得到的有序多孔氧化铝薄膜作为模板，通过化学催化气相沉积可以获得分布均匀的非晶态碳纳米纤维阵列，这种定向非晶态碳纳米纤维阵列构成的表面膜摩擦力均匀，具有优良的自润滑作用．     

结构间隙对夹芯式复合装甲结构抗侵彻性能的影响

采用由厚度为8 mm的前置钛合金板、面密度为60 kg/m2的高强聚乙烯纤维增强复合材料层合板抗弹芯层、厚度为8 mm的后置钢板构成的夹芯式复合装甲，模拟舰船舷侧复合夹芯舱壁结构。根据面板与芯层间是否设置20 mm的间隙，将复合装甲结构定义为无间隙式、后间隙式及前后间隙式。为研究以上3种结构在55 g圆柱体弹高速冲击下的抗弹性能及破坏机理，开展了系列弹道实验，分析了钛合金板、高强聚乙烯纤维增强复合材料层合板芯层及钢质面板的破坏模式，探讨了结构间隙对复合装甲结构抗弹性能的影响。结果表明:前置钛合金板的破坏模式为剪切冲塞，靶板背弹面产生脆性断裂并伴随碎块崩落现象；聚乙烯纤维增强复合材料板的破坏模式及钢质背板的变形范围受间隙的影响较大，前置钛合金板受间隙影响较小；相同载荷侵彻下，间隙的存在有利于提高复合装甲结构的抗弹性能。     

激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的动态力学性能及其本构关系

为了开展激光选区熔化（SLM）增材制造钛合金的动态力学性能研究,分别采用热模拟材料试验机、分离式霍普金森压杆装置对激光选区熔化钛合金在不同温度下进行了准静态和动态压缩实验,并基于实验结果拟合Johnson-Cook本构模型,同时对钛合金在高温、高应变率下的力学行为进行了有限元模拟。结果表明,相对于铸造或锻造钛合金,激光选区熔化钛合金具有更细小、均匀的组织,使其屈服强度有明显的提升,且表现出明显的应变率强化效应和热软化效应。有限元模拟结果与实验有着较高的重合度,进一步验证了本构参数的有效性,为扩大激光选区熔化技术及其产品的应用提供了理论基础。     

金属电阻率模型

修正了Burgess电阻率模型中的错误公式和算法流程,获得了与文献中结果完全相同的电阻率曲 线。采用Burgess电阻率对Z装置上的磁驱动飞片实验进行数值模拟,计算的自由面速度曲线与实验结果相 差较大。由于液体到达汽化点时,是气液混合体,因此从汽化点到临界温度的Burgess电阻率公式不应采用 气体计算公式,应改为气液混合体的计算公式。采用从汽化点到临界温度阶段修改为气液混合体的电阻率公 式进行数值模拟,计算的自由面速度曲线与实验结果、文献计算结果相吻合。     

大直径SHTB实验装置数值模拟及混凝土细观骨料模型动态直拉研究

对混凝土材料在高应变率下的动态拉伸实验多以劈裂和层裂的形式进行，然而它们作为间接研究混凝土动态拉伸性能的实验技术具有一定的局限性，亟需使用大直径分离式Hopkinson拉杆（split Hopkinson tensile bar，SHTB）设备对混凝土进行动态直拉实验。因此，运用数值模拟方法对一种新型的霍普金森拉杆的入射波进行了研究，并对设备的局部构件进行改进，使其不仅具有对混凝土试件的胶粘连接方式，也可通过螺纹连接配套夹具以同时兼顾挂接等其他连接方式。针对改进后的SHTB装置，建立了圆环状三维混凝土细观骨料模型。通过数值模拟与实验结果的对比，验证了采用空心圆管式SHTB装置的有效性，并为混凝土细观骨料模型的动态拉伸模拟提供了思路。     

冲击载荷下柔性储液罐动态响应数值模拟及规律分析

针对柔性材料大变形、非线性等特点,对柔性储液罐的冲击响应规律进行研究,依据实验结果,采用ALE有限元方法对冲击情况下柔性罐状储液容器及其中流体的动态响应进行了数值模拟.所得结果与实验结果具有较好的一致性.在此基础上,深入分析了空投高度、装水量等对柔性储液罐动态响应的影响规律.重点关注了表面一些关键部位的变形和应力变化情...     

套管式Hopkinson冲击拉伸实验相关问题的探讨

基于套管式Hopkinson冲击拉伸实验装置,对板状、棒状材料的冲击拉伸试验进行了简要介绍,重点讨论和解决材料冲击拉伸试验过程中出现的一些问题。通过提出的一种辅助式螺母连接方法,改进了棒状材料试件连接装置,解决了棒状试件试验过程中因连接拧紧度对实验结果的影响;通过建立其有限元模型,运用ABAQUS软件数值模拟分析入射杆端部拉伸螺母厚度对入射波形的影响,给出合理选择拉伸螺母的依据。     

面向对象的土石坝参数随机反演程序设计

将储液容器流固耦合系统中的液体和容器分别视为理想可压缩流体和线弹 性固体，采用流体压力单元和固体壳单元对流固耦合系统进行有限元离散，得到一个非对称 的大型流固耦合有限元方程. 采用Arnoldi方法求解上面这个大型有限元方程的非对称特征 值问题，以得到储液容器的动力特性. 通过移频技术避免了处理零频问题，并构造了迭代格 式计算Arnoldi向量. 数值算例表明所用解法对于流固耦合系统都是非常有效的.     

二氧化硅纳米颗粒对碳纤维与环氧树脂基体粘合强度的增强

纤维与基体的粘合强度是决定纤维增强高分子复合材料性能的关键因素。本文采用横向纤维柬拉伸实验的方法研究了碳纤维与经过纳米颗粒改性的环氧树脂基体间的粘合强度。平均直径为25纳米的二氧化硅纳米颗粒用特殊的溶胶-凝胶法引入环氧基体（由 Hanse ChemieAG提供），可以达到很高的含量，同时保持较为理想的分散状态。实验结果表明，二氧化硅纳米颗粒对于碳纤维与改性环氧基体的粘合强度有显著的增强效应。当纳米颗粒含量为14v01．％时，横向纤维柬拉伸的断裂强度相比纯环氧基体提高了104％。通过对横向纤维柬拉伸样品断裂面的扫描电镜观察，以及二氧化硅纳米颗粒改性环氧树脂基体材料的力学性质的测量，可以发现横向纤维柬拉伸的断裂强度与改性环氧基体本身的断裂韧性之间存在良好的相关性。由此可推测纳米颗粒对环氧树脂基体材料的增韧是碳纤维与基体间界面增强的一个重要原因。     

纤维悬浮液搅拌流动的数值模拟

由于缺乏适当的本构方程，对纤维悬浮液流动的研究一直局限于纤维的牛顿流体悬浮液。本文采用ＭＵＣＭ模型对作者最近提出的纤维Ｏｌｄｒｏｙｄ－Ｂ流体悬浮液的本构方程作了改进，并对锚式桨搅拌槽的二维Ｏｌｄｒｏｙｄ－Ｂ流体和牛顿流体纤维悬浮液搅拌流动作了数值模拟。模拟的结果表明，本文所用的模型和方法能有效地抑制过大局部应力的影响并合理地处理流体的记忆效应。     

孔隙深度对多孔储液介质摩擦学性能的影响研究

多孔储液介质凭借其独特的孔隙结构可以储存并释放润滑介质,具备良好的自润滑性能. 利用计算流体力学(CFD)方法研究了孔隙深度对多孔储液介质摩擦界面流体压力分布的影响;考虑气-液界面的弯月面力作用,研究了不同孔隙深度的多孔储液介质气-液承载模型以及气-液二相的最小压差分布规律. 基于模拟计算结果,采用3D打印技术制备了不同孔隙深度的多孔储液介质,进一步考察了孔隙深度对其摩擦学性能的影响. CFD模拟结果表明合理设计孔隙深度能够增强多孔储液介质的流体动压润滑效应,孔隙深度较低会使得润滑升力不足,孔隙深度过高又会使得孔隙中流体产生回流循环,削弱楔形效应. 气体进入多孔储液介质摩擦副表面后,在孔隙中形成气-液二相受压承载,其最大承载力随着孔隙深度的增加先升高后趋于平稳,但孔隙深度越小,对润滑作用的积极效果越显著. 摩擦试验表明多孔储液介质的摩擦系数随着孔隙深度的增加呈先降低后增加的趋势,与模拟计算结果一致. 因此合理设计多孔储液介质的孔隙深度,能优化多孔储液介质的润滑性能.      

复合材料模量估算的力学模型

在计算复合材料的模量时，被广泛应用的力学模型是等应力和等应变假设．本文改进了这些力学模型，推导出层合复合材料、单向纤维增强复合材料和颗粒增强复合材料模量的计算式．引入一个反映受力方向与复合材料组元连续性等的调节参量，可将其归纳成一个普遍式．     

TC4钛合金在模拟海水中腐蚀?磨损交互行为研究

采用自制摩擦腐蚀装置研究了TC4钛合金在模拟海水中电化学腐蚀与机械磨损间的交互作用，探究了不同电化学状态对TC4钛合金腐蚀磨损行为的影响. 在摩擦腐蚀过程中，TC4钛合金的腐蚀电位发生负偏移，腐蚀电流随着外加电位升高而增大，在零电流电势(OCP)附近TC4钛合金获得最低摩擦系数. TC4钛合金总体积损失随着外加电位的增加而增大，证实了腐蚀磨损交的交互作用随着外加电位的增加而增强；当电位从–0.5 V增大至0.8 V时，腐蚀磨损交互作用导致的材料损失占总材料损失的比例由12%增加至66%，其中腐蚀诱导磨损导致的损失量占比由7%增加至44%. OCP及其以下外加电位条件下，TC4钛合金的磨损机制为磨粒磨损；0 V电位下TC4钛合金磨损机制为磨粒磨损和疲劳磨损；0.8 V电位下TC4钛合金的磨损机制为磨粒磨损和摩擦诱导的腐蚀磨损.      

静电伺服微加速度计的量程设计

详细推导了静电伺服加速度计在定极板上施加直流偏压、交流驱动电压，动极板上有反馈直流电压和交流检测电压的情况下，检测质量(动极板)受到的静电力。通过对静电力的分析，得出静电伺服彻。速度计的量程除了受系统能提供的最大静电力限制外，还需满足电刚度小于与机械刚度的条件，该电刚度是极板上所有的直流电压、交流电压产生的电刚度之和。离心实验证明，利用该原则设计的“叉指”结构静电伺服微加速度计的量程达到了设计值。该设计原则可以为此类加速度计的设计提供参考。     

超高速发射实验及其数值分析

采用多介质流体高精度欧拉并行计算程序HVL-MFPPM,对Sandia实验室和中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室进行的两个超高速发射实验装置进行数值模拟,前者给出的二级飞片前界面速度历史与VISAR实验测试和HVL-CTH程序计算结果一致,后者给出二级飞片稳定时的速度和飞行姿态与实验测试结果吻合,同时还给出了128个和216个CPU计算的界面形状.为进一步获得更高二级飞片速度的实验装置设计提供了理论和数值分析基础.     

小型高压引爆装置冲击电流简易测量方法

依据脉冲放电电路的等效电路及其微分方程,采用Levenberg-Marquarat算法对主电容放电电压测试波形数据进行衰减系数识别,从而获得模拟电流波形。该方法克服了分流器法和Rogowski线圈法等直接测量小型高压引爆装置冲击电流时,因附加电路引起的电流波形失真。MATLAB模拟结果表明,该方法得到的电流模拟波形与真实电流波形拟合精度高,可用于直列式引信电子安全与解除保险装置和低能冲击片雷管的优化匹配设计。     

微幅振荡流体表面波图谱显示方法

本文介绍一种能够清晰显示微幅高频振荡的流体表面波图谱结构的方法和产生高达１００Ｈｚ频率、波幅为毫米以下的流体表面波的实验装置，即改进了ＦＡＲＡ－ＤＡＹ实验装置。用本实验装置和显示方法获得了精美的波幅图，并就几种波图作了简要说明。     

温度影响下基于应力波的钛合金试件疲劳裂纹监测实验研究

本文对温度影响下应用应力波监测钛合金CT试件中的疲劳裂纹进行了研究。建立了由MTS材料试验机和温控箱组成的实验装置,模拟温度变化对应力波在钛合金试件中传播的影响。采用PZT压电元件分别在试件中激励和接收应力波信号。通过连续小波分析,提取应力波信号的多种特征用于表征疲劳裂纹的发生与发展,并对信号特征进行了统计分析。为在温度变化下监测钛合金试件中的疲劳裂纹,对信号特征进行多元偏值分析,采用马氏平方距离融合多个信号特征,在概率统计意义下确定钛合金试件中是否存在疲劳裂纹。实验结果表明了所提出方法的可行性和有效性。