凝聚态化学研究中的动力学振动光谱理论与技术

化学变化的本质是化学键的形成与断裂。凝聚态化学的主要特征是分子内的物理与化学过程与周围环境之间的动态相互作用和动力学耦合,不仅会影响化学键形成与断裂的化学反应平衡与反应速率,还会改变化学反应的走向。动力学振动光谱技术是探测凝聚态体相中与表面上各种微观分子细节最为有力的当代谱学表征技术之一。与脉冲核磁技术类似,科学家们使用一组精心设计的激光脉冲在凝聚态体系中激发复杂的光学响应,所产生的信号中包含了比传统吸收光谱丰富得多的反应机理、分子与溶液结构、分子运动、电荷与能量传递等微观信息。近年来,各种动力学振动光谱被运用于凝聚态化学的各个领域,尤其是在溶液态和表界面态领域,获得了一系列突破性进展,并且处于不断发展的过程之中。在本文中,我们将回顾及展望动力学振动光谱技术的基本概念、实验方法和理论框架,以及它们在凝聚态及表面态化学中的重要应用。     

不同生物质热解特性及气体产物释放规律研究

研究了竹屑、棉籽壳和棉秆三种生物质的热解特性及差异。采用热重质谱联用技术,对比并分析了三种生物质原料在热裂解中气体产物(CO、H_2、CH_4、CO)随温度变化的释放规律。结果表明:相比于棉籽壳和竹屑,棉秆的失重率最大约为84%。其次,由热解阶段的产物可知,虽然棉秆在热解时的气体离子流(CH_4和CO_2)释放强度高于棉秆和棉籽壳,但是对于生物质混合气体(H_2和CO)的离子流强度,竹屑的离子流强度高于棉秆和棉籽壳。最后,在热解性能方面,挥发分初始析出的温度和热解特性指数的大小排列结果一致,均为竹屑棉籽壳棉秆,其表观活化能分别48、52和66 kJ/mol,这与热重实验结果一致,在相同条件下竹屑的热解性能最好。     

碳纤维复合材料冲击模型率相关修正方法与试验研究

目前先进航空发动机的风扇叶片均采用复合材料结构,为了研究其在工作过程中可能受到的冲击损伤,即碳纤维增强树脂基复合材料受到高速冲击后的损伤与破坏过程,对其准静态下的正交各向异性本构模型和失效准则进行修正,建立了应变率相关的三维动态本构及损伤模型．该模型考虑了材料模量、强度和断裂韧性与应变率的相关性,并采用基于断裂韧性的渐进损伤模式对刚度进行折减来控制破坏过程．开展了不同应变率下的动态试验,得到基体方向拉伸与剪切的动态响应数据,拟合得到相应的动态修正因子．将该模型结合修正因子植入数值软件进行仿真计算,分析结果表明,所建立的率相关本构及损伤模型能够更准确地模拟层合板受冲击过程的损伤和破坏,与试验吻合较好．     

基于SHAP-RF框架的越野车辆路面识别算法研究

根据越野车辆在不同路面上行驶时的动力学响应特征, 可以实现路面类型的在线识别, 为面向路面特征调整底盘控制子系统参数从而获取更好的行驶性能奠定基础. 但越野环境地面特征复杂, 车辆响应机理分析困难, 给基于车辆动力学响应进行路面准确识别带来挑战. 提出了一种SHAP-RF路面识别算法设计框架, 通过SHAP (Shapley additive explanations)模型解释方法实现高维随机森林(random forest, RF)路面识别模型的降维化: 首先采集了试验车在压实土路、沙地、良好沥青路与冰雪路4种路面上的行驶数据并计算了3个次级行驶特征; 进一步计算了行驶数据的共计105个时域特征和频域特征, 并以此为输入特征建立了高维随机森林路面识别模型; 利用SHAP解释法分析高维模型输入特征对识别结果的影响从而提炼出各个特征与路面类型的关联性, 完成特征筛选; 最后, 利用筛选后的特征设计降维随机森林路面分类器. 基于实车数据的算法验证试验表明, 设计的降维路面识别模型对4种路面的识别精确率在94%以上, 召回率在93%以上, 相比高维的随机森林路面识别模型, 各种路面上的精确率和召回率最大降幅不超过3.2%, 证明本文提出的SHAP-RF路面识别算法设计框架能够在选用较少特征的情况下依然保证车辆行驶路面类别的准确识别.      

谐波齿轮系统的快慢振荡机制研究

谐波齿轮减速器是一种新型的传动装置, 因其具有诸多的优点, 因而得到了广泛应用. 谐波齿轮减速器涉及不同振荡尺度之间的耦合作用, 这通常会诱发复杂的快慢振荡, 严重影响了谐波齿轮系统的正常工作. 本文考虑涉及扭转刚度非线性因素的谐波齿轮系统, 旨在研究系统的快慢动力学, 揭示新型的快慢振荡机制. 首先, 构建了非线性扭转刚度下的谐波齿轮系统的快慢动力学模型. 然后, 通过改变扭转刚度系数, 得到了系统从常规振荡向快慢振荡的转迁过程. 接着, 简要地论述了有关快慢系统的基础理论. 在此基础上, 采用快慢分析法研究了快子系统的动力学特性, 揭示了快慢振荡的产生机制. 研究表明, 当系统参数改变时, 快子系统的平衡点曲线并未发生失稳或分岔; 然而, 在某一点附近, 平衡点曲线能够产生急剧量变, 其特征是平衡点在局部小范围内可以在正坐标值与负坐标值之间快速转迁. 在此基础上, 揭示了一种诱发快慢振荡的新型动力学机制, 比较了这种诱发机制与其他相关机制之间的区别. 本文丰富了系统通向快慢振荡的路径, 为实际谐波齿轮传动系统中的快慢振荡机理与控制研究提供参考.      

基于车桥耦合理论的梁式桥阻尼比识别研究

提出一种基于车桥耦合动力学理论的梁式桥阻尼比识别方法. 首先按照动力学理论将测试车设计为单自由度体系, 然后利用安装在测试车上的传感器采集信号, 从测试车与桥梁接触点响应信号中得到梁式桥响应的信号, 基于车桥耦合动力学原理滤波处理得到包含梁式桥第一阶频率的信号, 最后假定梁式桥阻尼比值, 通过假定的梁式桥阻尼比值获取假定的梁式桥第一阶振型, 不断循环直至假定的阻尼比值下计算的第一阶振型最大值点居中, 即为识别的梁式桥真实阻尼比. 本文首先从车桥耦合动力学理论推导上说明了该方法的可行性, 然后考虑在不同车速与非恒定车速、路面粗糙度、环境噪音等影响因素下进行车桥耦合动力学模型分析, 最后通过实桥试验进行了初步验证. 研究结果表明: 该方法能一定程度上克服外界不利因素的影响, 达到识别梁式桥阻尼比的目的, 为识别梁式桥阻尼比提供一种更优方法, 其具有参数设置较少、操作简单方便以及更高测试精度等优点, 同时有助于推动基于车桥耦合的车桥耦合动力学理论技术在梁式桥模态参数识别工作中的实际工程应用.      

UKF-PID模式下动力定位海洋平台-立管系统的动力学分析

在强外界载荷下,在海洋平台-立管多体系统中的海洋平台和立管间的相互耦合作用会加强。从而导致整个系统的非线性增强。考虑到动力定位海洋平台-立管多体系统的强非线性,结合真实的海上施工工程背景和凝集质量法,基于Python镶嵌编程和OrcaFlexAPI模块的组成以及运用规则,对OrcaFlex进行了局部的二次开发,建立了一种基于无迹卡尔曼滤波的UKF-PID控制的动力定位平台-立管多体耦合系统。最终建立了无迹卡尔曼滤波模式下PID控制的动力定位海洋平台-立管刚柔多体模型,并对该模型在特定海洋环境下进行了动态仿真。计算结果对于具体工程实践有着一定的指导意义。     

固液界面的力?电?化学耦合及在电催化体系中的应用

目前许多新型高效金属催化剂在设计制备中都考虑到表面力学因素, 例如层状结构、核壳结构等, 其表面高活性原子受到不同程度的应变作用. 应变可直接改变金属的能带带隙, 对催化剂表面的电化学反应产生显著影响, 是一种有效提升材料催化活性的新思路和制备高性能催化剂的新途径, 因此受到了科研工作者的广泛关注. 传统的材料应变工程手段存在着活性物质层的应变值难以精确定量, 并缺少实时调控以及制备工艺繁琐等难题, 导致应变与电催化活性相关性规律识别方面的理论和实验研究进展缓慢. 相比于传统的材料手段, 交变载荷产生的应变具有幅值和频率的可变性以及连续的调控性, 在实验中可以完全排除噪声、缺陷、空位、基底效应等其他外部或材料本征的影响因素. 该综述从经典固液界面热力学表述出发, 简要介绍了电催化体系中的力?电?化学耦合效应, 归纳总结目前电催化体系中应变施加的实验手段和分析方法, 并基于目前相关研究着重讨论在交变载荷作用下应变对金属表面电催化反应的作用机理, 最后从力学角度展望了表面力学在电催化体系中的研究重点及发展趋势.      

电磁内爆模拟技术实验研究进展

开展了中俄Z—pinch联合实验和强光一号实验，重点对双层丝阵内爆动力学模式、单层丝阵填充泡沫构建动力学黑腔及能谱相对强度的测量等进行了研究，取得了一批重要的物理研究成果。实现了双层丝阵内外层等离子体的同时内爆聚心，产生5．6TW的峰值辐射功率，