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简要介绍燃料电池及其研究和发展现状,着重论述质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells, PEMFC)的工作原理和结构,电池各部件中存在 的力学问题和基本的结构设计原理、 方法;基于计算流体动力学(CFD)原理的电池 仿真和优化过程及基本数学模型和软件平台.     

基于平面度的燃料电池电化学性能模拟

 固体氧化物燃料电池的翘曲会影响电极-盖板界面的接触情况，从而影响电化学性能，对相关制造工艺提出了很大的挑战．为了分析燃料电池平面度对放电过程的影响，揭示其潜在的风险，我们建立了两个基于有限元法的仿真模型，对考虑平面度缺陷的燃料电池封装和放电进行分析．在对固体氧化物燃料电池进行平面度测量的基础上，首先建立了具有真实燃料电池翘曲特性的几何模型，分析封装过程中接触压力的分布情况．然后将接触电阻的仿真结果导入到三维多物理场耦合模型中，模拟具有平面度缺陷的燃料电池电化学性能．计算结果展示了燃料电池两侧封装过程中接触压力的分布情况．通过对比有接触电阻和无接触电阻的燃料电池电流密度，分析了电池与盖板的接触对放电过程的影响．结果表明，燃料电池的凹陷面较难达到满意的接触状态，需要比凸起面更大的封装压力．燃料电池表面接触电阻的变化将引起电流传导路径的变化，产生局部高电流或低电流．这项工作强调了在燃料电池中保持均匀分布的接触电阻的重要性，为今后的优化工作奠定了基础．     

计及摩擦的球面弹塑性分形模型与应用

为了研究球面接触微凸体的弹塑性变化规律,在M-B分形模型的基础上考虑基底直径的实际变化情况,引入摩擦力修正因子,并基于修正的球面接触基底直径密度分布函数,最终建立了考虑摩擦因素的球面弹塑性分形模型;并以两球体接触为研究对象,分析了模型中的相关变量对接触强度的影响规律。仿真分析结果表明:当载荷不变时,分形维数的增加会导致真实接触面积先保持不变后增大再减小;当分形维数在1.35～1.7区间时,接触面积上升的速度最快;增大摩擦系数或降低材料特性参数,有利于提高接触承载能力;粗糙度幅值参数对真实接触面积和弹性接触面积占比的影响大略一致;当粗糙度幅值增加时,真实接触面积和弹性接触面积占比都随之降低。     

结合面静摩擦因数分形模型的建立与仿真

提出一个确定分形维数和分形粗糙度参数(G')的分形函数,并用分形函数逼近结合面的表面粗糙度.根据分形理论和改进后的尺寸分布,推导了静摩擦因数f的解析解.数字仿真结果表明,f随量纲为一的总法向载荷(P')增加而增加.当D较小或较大时,f与(P')之间存在不同的微凸和微凹弧非线性关系,D=1.2时f与(P')的关系基本上是线性的;当D较小时,f随D增加而增加;当D较大时,f随D增加而减小;f随分形粗糙度参数(G')增加而减小,随相关系数K增加而增加,随材料特性(φ)增加而增加.     

有限周期微穿孔波纹板吸声体吸声性能研究

为了推动微穿孔吸声体(MPA)在工程中的实际应用,本文采用数值仿真方法,研究了有限尺寸的微穿孔波纹板吸声体的吸声性能.首先,基于微穿孔板阻抗理论,并将平面波谱法和有限元分析方法耦合起来,构造了微穿孔波纹板吸声体(CMPA)的三维仿真模型,给出了在声波垂直入射和斜入射工况下,吸声体声学性能的计算列式;然后,应用有限元软件COMSOL,模拟了有限周期CMPA的吸声性能,分析了波纹深度和波纹间距与吸声性能之间的关系,以及声波入射方向对吸声性能的影响;最后,为改善吸声体对声波方向的敏感性,设计了双向波纹状微穿孔板吸声体.结果表明,在声波垂直入射和斜入射的工况下,相对于传统的平直微穿孔板吸声体,波纹板吸声体具有更好的吸声性能,包括更高的吸声系数和更宽的有效吸声频带;双向波纹板吸声体能显著改善单向波纹板对声波入射方向的敏感性,实现在更大声波入射角范围内的有效吸声,如当入射声波方位角任意且入射角在0°～45°范围内时,双向波纹板吸声体,在500～2500 Hz范围内的吸声系数都大于0.7,表现出了优良的吸声性能.     

表面微织构对球盘点接触润滑摩擦性能的影响

基于统一Reynolds方程系统模型开展了富油点接触工况下微织构表面润滑摩擦性能的数值模拟研究.在通过实验标定数值模拟中润滑剂流变参数的基础上,系统分析了微织构表面摩擦系数周期变化的全过程,初步揭示了微织构的减摩机理.结果表明：数值模拟结果与实验结果有较好的吻合;瞬时摩擦系数达到最小值时,微坑单元一般处于名义Hertz接触区域的前边界;当微坑运动到Hertz接触区域内时,微坑前沿局部膜厚减小,而微坑后边沿膜厚局部增大,形成局部膜厚增大区;局部膜厚增大区的大小对微织构的润滑摩擦性能有较大影响,其面积越大,减摩效果越好.     

工艺过程对固体氧化物燃料电池材料力学性能的影响

固体氧化物燃料电池在生产过程中采用不同的加工手段,加工过程会产生一定的损伤,同时材料烧结过程产生比较大的残余应力,这些因素都会影响电池的使用寿命和完整性.本文通过实验测试,研究了不同加工过程对材料性能的影响,其中包括直接冲剪,激光切割以及切割后研磨等方法,并测试了这些加工手段对应的试件的强度.结果显示,直接冲剪法造成性能的分散性比较大,激光切割的性能较好,而研磨加工法对材料的性能影响最小;受残余应力或各层有效应力的作用,单层阳极材料的强度要高于双层电池结构材料的强度;利用弯曲法测试了半电池结构中的残余应力和不同薄膜对应的厚度残余应力,测试的结果和热弹性力学计算结果进行了对比.由于在高温时阳极材料有应力松弛现象,计算得出的残余应力高于实验测试结果.     

内锥流量计流出系数预测方法研究

采用标准k-ε模型、RNG(Renormalization Group)k-ε模型、Realizable k-ε模型和Reynolds应力方程模型 RSM(Reynolds Stress Model) 对100 mm口径6种结构的内锥流量计内流场进行了数值模拟.在等效直径比β值为0.65的三种结构内锥流量计流出系数的仿真计算中,四种湍流模型计算结果与物理实验结果误差的平均值分别为4.19%,2.84%,2.88%和-0.822%;对β值为0.85的情况,各模型计算误差的平均值分别为11.8%,9.62%,9.30%和4.76%.研究结果表明,RSM模型在6种结构内锥流量计流出系数的预测中,计算精度较高,表现出了较好的性能,优于三种k-ε涡粘模型,更适于内锥流量计流场数值模拟与流出系数的预测.     

近壁声空泡溃灭微射流冲击流固耦合模型及蚀坑反演分析

超声场下液体环境中近壁空泡溃灭会产生强烈的微射流，为探究微射流冲击壁面流固耦合效应，利用流体力学及冲击动力学，考虑了率相关的J-C材料本构模型，建立并分析了微射流冲击壁面流固耦合三维模型，并通过超声空化试验和基于球形压痕试验理论的反演分析进行了验证。结果表明:微射流冲击下材料表面出现微型凹坑，凹坑深度由微射流速度和微射流直径共同决定且随其增大而增大，凹坑直径主要与微射流直径正相关，而凹坑径深比则主要与微射流速度负相关；壁面压强基本呈对称分布且最大压强出现在微射流冲击边缘；超声空化试验验证了微射流冲击下材料表面出现的微型凹坑，反演分析方法表明，在16～18的径深比下，微射流冲击强度为420～500 MPa，对应的微射流速度为310～370 m/s。试验及反演分析结果与理论分析结果相符，验证了流固耦合模型及反演分析方法的合理性及准确性，为后续工程应用中空化强度、微射流速度等的控制提供了理论参考。     

脉冲型介电电泳颗粒特异性分离的数值仿真研究

通过数值仿真研究了直径分别为3μm、5μm、10μm的聚苯乙烯微球在脉冲型介电电泳作用下的动态分离过程,结果表明:通过合理地调整流速、脉冲周期、电压幅值可以实现对颗粒混合物的特异性分离;在背景流速为30μm/s 时,得到了在单步内提取中等粒径(直径5μm)颗粒的参数区间(电势6~7.5V,脉冲周期1.5~2.6s).同时,进一步研究了其它条件不变时,占空比和电极非对称率对提取中等粒径颗粒的影响,结果表明:随着周期的增加,提取颗粒所需的占空比相应地增加;而随着电极非对称率的增加,DEP力的强度逐渐增加,提取颗粒所需的周期也相应增加.仿真结果与实验及已有分析解符合较好,为器件的系统设计和优化器件提供了依据.     

微型惯性测量组合

本文论述了惯性测量器件和组合的发展简史、机遇，选择微型惯性测量组合牵引我国微米／纳米技术发展的依据，以及采纳的技术路线。     

微惯性仪表技术的研究与发展

论述了当前国内外微惯性仪表设计和制造技术的研究与发展，强调了对相关基础理论研究的重要性，提出了计算机集成微制造单元的概念。     

微柔顺装置及其力学分析

根据微装配及柔性铰链的特点，提出了微柔顺装置(MRCC，Micro Remote Center Compliance)并对其进行了力学分析。由平衡方程和几何相容条件推导出了三个重要的设计参数——位移刚度Kx、角位移刚度KФ和中心距L的表达式。讨论并示例了柔性铰链的刚度系数、结构参数、位置参数对Kx、KФ和L的影响，分析结果表明，位置参数中的转角θ对Kx、KФ和L影响最大，而且要同时获得Kx、KФ和L的最佳值是不可能的，只能在设计微RCC时综合考虑，选择合适的θ值。     

显微干涉网格法测量曲面物体表面应变

提出采用显微干涉光路,使被测曲面上光栅的±１ 级衍射光相互干涉,用显微ＣＣＤ图象采集系统采集干涉后形成的倍增光栅,利用微网格法原理和信息转换技术提取每一幅图的几何特征,确定被测物体表面的应变． 并利用这种方法确定了记忆合金管接头表面的应变     

Micro Fork Hinge for MEMS Devices

0Introduction Hingesareafundamentalelementforbuildingmechanicaldevices,appearingwheneverarotation aroundapointisneeded.Differentkindsofhingescanworkwellformillionsofcyclesinthemacro world.Howeverinthemicro world,smallsizedrealhingesorbearingsdonotlastlong…     

微构件材料力学性能测试方法

随着MEMS的商业化进程,微构件材料力学性能的研究成为越来越重要的一个课题。微小试件的制备、安装、夹持、微驱动、高分辨率的载荷和位移测量等技术问题都是对微构件材料力学性能测试的很大挑战,很多传统的测试方法和装置已经不再适用了。近十几年,国内外学者发展了一些微构件材料力学性能的研究方法,来测量微构件的弹性模量、屈服强度、断裂强度、残余应力和疲劳强度等。本文从实验系统的集成度出发,将这些测试方法大致分为片外测试和片上测试两类。本文对单轴拉伸法、纳米压痕法、鼓膜法、微梁弯曲法和衬底曲率法等典型的片外测试方法和一些典型的片上测试方法进行了介绍,并比较了各自的优缺点。     

激光陀螺抖动偏频解调与微小角速度检测

—本文讨论了激光陀螺抖动偏频解调与微小角速度检测的主要技术难点。针对难点，在整周期采样解调基础上提出了脉冲边沿触发鉴相解调方案，同时对该方案的合理性进行了详细分析和理论证明。文章最后指出，该方案对大角速度的高精度检测同样适用。     

静电力平衡式微型硅加速度计方案分析

静电力平衡式微型硅加速度计是一种新型加速度计。本文对这种加速度计的３种典型方案进行了分析，导出静电力（力矩）、静电力平衡回路刚度（角刚度）及加速度测量范围的表达式。有关结果可为这种加速度计参数设计提供理论依据。     

微油滴供油条件下弹流润滑行为的数值分析

油气润滑条件下润滑油以微油滴形式供给摩擦副,基于此建立了简化的单个微油滴供油弹流润滑模型,模拟了微油滴通过弹流接触区的全过程.结果表明:卷吸速度和润滑油黏度会影响微油滴的扩展距离,进而使接触区油膜的形成产生差异.卷吸速度越高,或润滑油黏度越大,微油滴的扩展距离就会越小,油膜仅在接触区中部区域产生,微油滴类似硬质颗粒般在接触表面挤压出凹坑穿过接触区.理论结果和实验结果对比,具有良好的一致性.     

微梁与基底间的毛细粘附作用

在表面微型机械结构的制造过程中,强的毛细相互作用常常使得组成这些结构的微桥、微梁与基底粘附而导致失效。而在微尺度实验中,微桥与微梁又是微尺度材料常数和性能检测的常用的试件样式,如果实验中加载端与被检测的微尺度试件发生毛细粘附,将直接影响检测数据的准确性。本文应用微悬臂梁试件,讨论微梁与基底间的毛细粘附作用,并通过能量原理计算其粘附力的大小和试件几何尺寸、粘附面距离、粘附液体特性之间的关系。最后应用微散斑干涉,检测粘附平衡态时微桥和微梁的粘附力以及由毛细粘附所导致的弯曲变形,并与理论计算结果进行比较。