含高温度梯度及接触热阻非线性热力耦合问题的谱元法

建立了含高温度梯度及接触热阻的非线性热力耦合问题的谱元法格式, 考虑了温度相关的热导率、弹性模量、泊松比和热膨胀系数, 以及界面应力相关的接触热阻的影响. 谱元法的插值函数基于非等距分布的Lobatto结点集或第二类Chebyshev结点集, 兼具谱方法的高精度和有限元法的灵活性. 数值算例表明, 建立的谱元法计算格式可以高效高精度地求解域内高温度梯度以及含接触热阻的非线性热力耦合问题, 不仅收敛速度快于传统有限元法, 而且用较少的自由度和较短的计算时间即可得到比传统有限元法更高精度的计算结果, 在工程实际热力耦合问题中具有广阔的应用前景.      

完全拉格朗日SPH在冲击问题中的改进和应用

光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)在模拟固体大变形、破碎和裂纹扩展等问题中有天然的优势, 但SPH固有的拉伸不稳定缺陷是SPH在计算固体力学领域进一步应用的一大障碍. 完全拉格朗日SPH (total Lagrangian-SPH, TL-SPH)方法是一种有效的改善拉伸不稳定的措施, 但其仍面临边界区域精度低、界面条件难以施加、损伤裂纹难以模拟等缺陷. 因此, 首先将可达到二阶精度的高阶SPH方法与TL-SPH耦合, 为了节省高阶方法的计算量, 进一步简化粒子选取模式, 提出TL-SFPM (TL-simplified finite particle method)方法; 其次, 将可提高界面精度的DFPM (discontinuous finite particle method)方法与TL-SPH结合, 并提出一种基于黎曼解的界面接触算法, 通过在不同材料粒子间建立黎曼模型求解不同材料间的相互作用, 分别应用于流体?固体接触和固体?固体接触中; 再者, 为了捕捉固体受外载荷后的损伤程度及破坏模式, 提出一种完全拉格朗日框架下的粒子损伤破坏模型; 最后, 通过流?固冲击的带弹性挡板溃坝算例和固?固冲击的子弹撞击靶板算例验证提出的TL-SFPM方法、界面接触算法和损伤破坏模型的合理性和精确性, 进一步扩展TL-SPH方法在计算固体冲击问题中的应用.      

颤振环境MoS2/Ag薄膜碰撞滑动接触摩擦性能研究

基于空间机构的运动特性,考虑空间颤振环境的影响,采用粗粒化分子动力学研究MoS₂/Ag薄膜的碰撞滑动接触摩擦性能,建立颤振环境碰撞滑动接触摩擦的粗粒化分子动力学模型,对比了纯Ag和MoS₂/Ag薄膜的摩擦性能,研究了初始碰撞速度、滑动速度以及空间温度对碰撞滑动接触摩擦过程的影响. 结果表明:与纯Ag相比,MoS₂/Ag薄膜表现出更优异的摩擦性能;压头碰撞速度对动能有一定的贡献,初始碰撞速度的增加会增大压头压入基体的深度,使得平均摩擦力增大;滑动速度的增加会加剧原子间的相互剪切摩擦,使平均摩擦力增加;MoS₂/Ag薄膜在100~500 K温度范围内表现出良好的摩擦性能,当空间温度为600 K时,其摩擦性能降低,并伴随着MoS₂膜的破裂.      

安装方向对角接触球轴承保持架动态特性的影响

利用二次开发后的有限元软件MSC Patran/Ls-dyna实现角接触球轴承的参数化建模与动态性能分析. 通过与试验以及文献结果进行对比,验证了建立的有限元模型的正确性及仿真结果的可靠性. 在此基础上研究了角接触球轴承不同安装方向对保持架动态特性的影响. 结果表明:由于重力作用,保持架水平安装较竖直安装时更易形成圆形的质心轨迹. 低速工况下,保持架竖直安装时最大应力发生在过梁位置,水平安装时最大应力发生在侧梁位置. 高速工况下,保持架在两种安装方向的最大应力均发生在过梁位置. 不同转速下保持架在轴承竖直安装时最大应力值均更大.      

爆炸载荷下脆性颗粒体系破碎特性的数值研究

试验发现,以球形TNT为中心爆源,球形玻璃珠构成的颗粒和球壳中发生破碎的颗粒体积分数随当量比(颗粒球壳的质量与TNT炸药的质量比)的增加呈现指数衰减规律。采用有限元与离散元耦合的连续非连续数值方法,揭示了中心炸药起爆后颗粒环壳内爆炸波的传播衰减和在环壳外界面反射后的稀疏卸载过程。由于爆炸波的短脉冲特性,颗粒内部应力场始终处于应力非均衡状态,采用应力均衡状态下颗粒破碎强度的Weibull分布会得到远高于试验测得的破碎颗粒体积分数。因此采用破坏波传播特征时间内的平均诱导应力而非瞬时诱导应力作为颗粒破碎强度的应力指标,并通过试验结果确定破坏波传播特征时间。考虑了应力传播的非均匀性对于颗粒破碎的影响,得到了平均诱导应力峰值的概率分布随比例距离的变化规律,结合修正后的颗粒破碎强度Weibull分布建立了破碎颗粒体积分数随比例距离的变化模型。     

一种水下爆炸冲击波压力调控方法

起爆位置和装药形状对水下爆炸冲击波压力有较为显著的影响,这使得利用小当量装药在局部方向形成与大当量装药一定程度等效的冲击波成为可能。为了能够在小当量装药条件下开展舰船结构及设备抗水下爆炸冲击实验,基于细长装药结构和参数优化设计,设计了一种冲击波压力幅值和持续时间可调的装药方法。首先,基于简单波理论给出了水下爆炸冲击波压力调控的原理,以及装药参数优化设计的目标函数和约束条件;然后,采用自主数值模拟软件研究了细长装药的水下爆炸能量输出规律,通过实验验证了数值模拟的置信度,研究发现起爆位置和装药形状对水下爆炸冲击波压力峰值和持续时间的影响是显著的,在炸药爆速一定的情况下,长药柱水下爆炸冲击波压力的持续时间可通过几何近似确定;最后,为了进一步考察该方法的有效性,以1000 kg TNT和100 m爆距的水下爆炸冲击波压力-时间曲线作为原型,设计了2种与该原型冲击波压力等效的装药方案,并通过数值模拟进行了验证。研究结果表明:设计的装药能够在预定的持续时间内,在装药起爆端一侧形成与原型等效的冲击波压力-时间曲线。由于没有考虑对气泡载荷的等效,因此该调控方法仅适用于中远场爆炸冲击问题。     

正畸弓丝与托槽间摩擦力建模及试验研究

正畸矫治过程中,正畸弓丝与托槽间的相对滑动趋势将产生摩擦力,进而降低有效矫治力,影响矫治的性能和效率. 针对目前正畸摩擦力预测方法量化预测精度低的问题,依据正畸弓丝与托槽间的几何关系、力学关系及物理参数,提出一种基于分力叠加原理的计及接触角度的正畸摩擦力预测模型建立方法. 探究影响正畸摩擦力的主要因素以及变化规律,提出采用有限滑动法测量正畸摩擦力,搭建了基于六维力传感器的正畸摩擦力测量系统,进行了不同弓丝-托槽组合和不同接触角度的摩擦力测量,试验数据与预测模型的理论数据间误差率处于0.55%~9.65%之间,证明该预测模型可为医师明确正畸矫治器参数-摩擦力-矫治力的关系提供理论依据,为实现数字化正畸提供理论支撑,保证个性化正畸方案的高效、高可靠性和高舒适度,最终达到轻力矫治的效果.      

基于离散元的杆件断裂全过程数值模拟

杆件的断裂会涉及到大变形、非线性以及不连续等问题,通常的数值计算方法模拟这种复杂力学行为具有局限性。本文基于颗粒离散元法DEM,将接触粘结处的分布式弹簧用梁纤维进行等效,提出了一种适于结构弹塑性分析的DEM纤维梁模型,然后在此基础上构建了构件断裂模拟算法以及纤维破环准则。将该模型应用于悬臂梁结构,模拟了悬臂梁从弹性到弹塑性阶段,再到断裂破坏的全过程,数值模拟得到的结构响应和截面开裂破坏形态均较合理。最后将该方法应用于单层网壳倒塌破坏模拟,并与网壳振动台倒塌试验进行对比,结果表明,数值模拟得到的杆件断裂过程及结构倒塌模式与试验现象一致,验证了该模型的正确性和适用性。     

基于氯化铯背接触处理优化硒化锑薄膜太阳电池性能

本文使用气相输运沉积的方式制备了硒化锑(Sb₂Se₃)薄膜太阳电池，并采用氯化铯(CsCl₂)溶液对器件上界面进行处理，同时对薄膜和器件进行了一系列表征。研究发现，CsCl₂溶液的背接触处理不仅可以提高器件的载流子收集以及降低上界面复合，还可以优化薄膜的结晶性、表面粗糙度和光电性能。基于FTO/CdS/Sb₂Se₃/CsCl₂/Au的器件结构，得到了转换效率为6.32%的高效Sb₂Se₃薄膜太阳电池，比基础器件效率提升了12%。本文的工作对Sb₂Se₃薄膜太阳电池未来的研究有一定的指导作用，其他同类型半导体光伏器件也可借鉴。     

矩形毛细微槽中三角形区域接触线特性的研究

利用CCD和宽视场体视显微镜相结合的技术,拍摄了矩形毛细微槽内液体工质在三角形区域的润湿图像,并进行了图像处理,研究结果表明:随着热流密度的增加,三角形区域内的三相接触线向微槽底角收缩,导致三相接触线的长度减小,液膜厚度减小;随着微槽深度的增加,三角形区域的接触线长度减小;随着微槽宽度和倾斜角度的增加,三角形区域内的接触线长度增加,液膜厚度增加.