压电曲壳结构形状控制和优化设计

板壳结构作为航空、航天工程以及控制系统中的重要工作元件，在工作状态 中，要承受机械载荷、温度载荷、冲击载荷等各种负面影响， 而航空航天部件对结构形状变化非常敏感，如飞行器机翼、信息接收天线等结构, 微小的结构变形就会引起很大的性能改变，想要在设计初始阶段充分考虑所有不 利因素的影响显然是比较困难的. 利用压电材料控制结构变形往往是现代空间结 构开关控制中一个很好的选择. 基于一般壳体有限单元法, 推导了空间任意曲壳 压电单元, 利用约束方程连接主体壳元和压电壳元, 模型中约束方程的使用大大 减少了结构自由度, 使得计算速度有了明显的提升. 在此基础上, 重点研究了压 电曲壳结构的形状控制方法, 首先利用最小二乘法优化结构的电压分布, 控制结 构形状接近最优工作状态; 其次构建了以压电壳元厚度和电压联合作为设计变量 的优化控制模型, 采用非线性优化求解方法, 取得了更好的控制效果. 数值算例 表明了该文计算模型、 优化设计和控制方法的有效性.     

电磁接触问题的变分原理与有限元求解

电磁接触耦合作用的力学分析的难点是必须考虑电磁场以及由此引起的电磁力与可移动接触边界间的耦合作用，属于强非线性问题。本文给出接触面区域电磁场分析的处理条件，并进一步建立了两类变分方程，一类是电磁分析的变分泛函，其考虑了接触区域对结构电磁场的影响；另一类是二维电磁力学接触分析的参数变分原理，可以方便地对接触问题进行求解。数值结果验证了本文的理论与算法。     

将科研成果及时转化成演示实验教学的实践

介绍了吉林大学物理学院演示实验室将科研成果及时转化成演示教学实验，并对学生开放，以科研促教学，加强创新人才培养方面的一些工作。     

超声引起的SrAl_2O_4:Eu,Dy薄膜的应力发光

为了实现超声探伤和应力发光探伤二者结合,研究了SrAl_2O_4∶Eu,Dy(SAOED)/硅橡胶在超声振动下的应力发光性质。薄膜的微观结构表明,SrAl_2O_4∶Eu,Dy应力发光颗粒被高弹性的硅胶包裹。当超声波作用到薄膜表面时,超声振动可以促使应力发光颗粒周围的硅橡胶发生各种形变,从而使被包裹的应力发光颗粒发生有效形变,产生高效的应力发光。薄膜厚度以及超声频率对SAOED发光薄膜的应力发光有明显的影响。薄膜的超声应力发光强度随着薄膜厚度的增加先增大,当薄膜的厚度为1 mm时达到最大,之后随着薄膜厚度的增加而降低。薄膜的超声应力发光强度与超声频率大小成正比,即使最低频率仅为500 Hz时仍能检测到信号,说明SrAl_2O_4∶Eu,Dy/硅橡胶发光薄膜是一种很有应用前途的无损检测传感器。     

Sm~(3+)掺杂对SrLaGa_3O_7自身长余辉发光性质的影响

采用高温固相法制备了Sr La Ga_3O_7∶x Sm~(3+)长余辉材料,通过XRD、荧光光谱、热释光谱分别对样品的结构以及发光性能进行了研究,探究了Sm~(3+)掺杂浓度对样品自身长余辉发光性能的影响。研究结果表明:样品在254 nm紫外光照射后,Sr La Ga_3O_7∶x Sm~(3+)在386 nm有明显的长余辉发光,可持续60 min,主要是由于样品中空位引起的发光。随着掺杂Sm~(3+)浓度的增加,样品的发射光谱和余辉强度先增强后减弱,并出现明显的红移现象,这与Sm~(3+)掺杂所造成的空位浓度密切相关。当Sm~(3+)的摩尔分数达到0.5%时,样品在420 nm处展现最佳的长余辉性质。热释光谱表明掺杂后的样品中存在两种不同的陷阱,分别是由氧空位和锶空位引起的,这两种陷阱不仅影响样品的发光强度,而且充当俘获中心从而影响样品的余辉性能。     

应力发光材料Sr2SiO4∶Eu,Dy的光谱性质研究

采用高温固相法制备一系列Sr₂SiO₄∶Eu_0.01, Dy_x(x=0.000 1, 0.002 5, 0.005, 0.01)应力发光材料,研究了不同掺杂浓度下,Sr₂SiO₄∶Eu, Dy的光致发光和应力发光性质。研究结果表明在掺杂Dy3+浓度较低时,样品同时存在α和β两种相,当掺杂Dy3+浓度增加时,则出现β到α的相转变。由于Eu2+占据Sr2+格位的不同,样品在蓝光区486 nm(Sr1)和绿光区530 nm(Sr2)有两个峰存在。而应力发光光谱与余辉光谱类似,均只呈现出530 nm的发光,这说明二者的发光来源于占据Sr2格位的Eu2+,都是通过改变陷阱的浓度实现发光性能的变化,但Sr₂SiO₄∶Eu, Dy的应力发光强度的变化还与其结构改变有关。同时,Sr₂SiO₄∶Eu, Dy应力发光强度与所施加的力之间呈良好的线性关系,并且可用眼睛观察到明显的黄色应力发光,这为应力发光传感器准确检测物体所受应力提供依据。结合余辉、热释以及应力发光性质,推测Sr₂SiO₄∶Eu, Dy的应力发光机制应是压电产生的电致发光。     

基于扩展多尺度有限元法的含液闭孔材料拓扑优化

基于扩展多尺度有限元方法,提出了含液闭孔结构多尺度拓扑优化方法。该多尺度优化方法旨在研究含液闭孔胞元布局对整体含液闭孔结构力学性能的影响。首先针对含液闭孔结构的整体结构柔顺性问题,采用类似SIMP模型对结构的宏观粗网格等效刚度阵进行插值,建立含液闭孔结构柔顺性的拓扑优化列式;其次,针对含液闭孔材料能够利用胞体内部液体腔体积增量产生变形的特性,提出含液闭孔材料柔性机构的概念,并以结构指定位置方向输出位移为目标,建立液体体积膨胀作用下的含液闭孔柔性机构多尺度拓扑优化数学模型。本文基于自主软件平台SiPESC完成了程序研发,并通过数值算例验证了所提出的拓扑优化方法的有效性。     

饱和多孔介质动力学大变形分析耦合对流粒子域插值方法

提出了饱和多孔介质大变形动力学响应分析的耦合对流粒子域插值方法(Coupling convectedparticle domain interpolation method,CCPDI)。采用u-p形式的控制方程和超弹性材料本构关系对具有饱和多孔特性的介质进行了大变形动力学模拟,建立了耦合对流粒子域插值方法的弱形式离散求解方程并给出了该方法的计算流程。通过数值算例,验证了所提出的耦合对流粒子域插值方法的正确性。本文工作为生物软组织、肌肉、骨骼和其它一些具有饱和多孔特性的软物质的几何非线性动力学行为分析奠定了基础。     

基于多重多级子结构声子能带与传输特性分析

基于多重多级子结构方法提出一种快速的声子晶体能带与传输特性的计算策略. 主要思想是将声子晶体划分成多层级子结构有限元模型,在能带计算中采用静凝聚和子结构周游树技术将子结构的内部刚度阵凝聚到Bloch 边界上. 由于内部刚度阵并不随着简约波矢变化,所以这种计算策略可以大大降低求解规模并提高计算效率,并不对整体有限元模型引入近似. 在传输特性计算中同样采用该策略,由于声子晶体单胞具有周期性,所以各个单胞的系数矩阵是相同的,从而减少计算量,并且可以灵活地选择是否回代求解单胞内部自由度. 数值算例以三维局域共振型声子晶体和二维Bragg 散射型声子晶体为例,计算结果验证了这种求解策略的正确性和高效性,并适用于复杂声子晶体分析.      

搅拌摩擦焊接数值模拟的网格敏感性分析

利用完全热力耦合模型,通过对具有不同网格尺寸的焊接构件有限元模型的计算,分析了网格敏感性对模拟结果的影响,同时简要分析了焊接过程中温度分布和残余应力大小及分布形式。数值结果表明,网格密度影响计算误差,同时决定着计算效率和计算成本。随着网格密度的增加,计算结果的精度得到提高,当网格加密到一定程度,计算结果的精度并没有随着网格密度的增加成比例的增加。焊接过程中温度近似呈稳态分布,焊接构件的纵向残余应力分布呈现典型双峰特征,这些现象都与已有试验所得结论吻合。