基于热固耦合问题的多尺度拓扑优化设计

基于均质材料的拓扑优化逐渐难以适应现代化生产对工业产品高品质、轻量化的需求,同时很多工业设备经常面临着高温和高负载的工作环境.为了提高结构在温度载荷和机械载荷共同作用下的力学性能,本文提出了一种在稳态热源作用下的热固耦合连续体结构并行化拓扑优化方法.以结构刚度作为目标函数,材料的体分比为约束,利用能量均匀化方法预测微结构的等效属性,建立热固耦合结构并行化拓扑优化数学模型.为便于数值计算,利用直接法进行灵敏度分析,同时采用Heaviside非线性密度过滤技术抑制数值不稳定性,将OC准则算法用于求解优化问题.数值算例表明,本文方法能够有效地进行优化设计且能显著地提高结构的刚度性能和散热性能.     

风机叶片覆冰机理与预测分析

高原和寒冷地区风能资源十分丰富,风机在此地区运行时叶片表面极易出现覆冰现象.针对寒区风机叶 片覆冰问题,本文首先明确覆冰机理以及主要的影响参数;基于数值模拟分析在冻雨条件下,环境因素和叶片几何参数对叶片覆冰的影响.结果表明,当温度不变,风速从2 m/s增加到4 m/s时,叶片表面的最大覆冰厚度增幅高达117％;当风速从4 m/s到10 m/s时,最大冰厚增幅逐渐减小到0.9％,覆冰质量随着风速的增加呈线性增长.当风速不变,温度从-1℃降到-2℃时,叶片表面的覆冰质量和最大冰厚分别增加71％和24％;当温度从-2℃到-5℃时,覆冰质量和最大冰厚增幅减小到1.7％和0.9％.当温度和风速在某一固定值时,覆冰质量和最大厚度随着叶片相对厚度和攻角的增加而增大.     

考虑控制延时影响的相邻建筑结构的离散变结构振动控制方法

研究了基于离散变结构控制算法的考虑控制延时影响的相邻建筑结构体系地震反应半主动控制的基本设计和计算方法。首先，建立了相邻结构体系的力学模型及连续运动状态方程，并将其离散化成标准离散状态方程形式。其次，简要地讨论了离散变结构控制器的设计方法，包括切换平面的选择及离散趋近率的构成．最后，应用本文方法对主楼12层，裙房5层的实例结构进行了数值仿真分析，结果表明，该控制方法不仅能有效抑制相邻结构地震反应的鞭梢效应，而且在控制延时存在的情况下，仍能保证系统的减震性能和稳定性。     

基于虚拟激励法的大跨度桥梁非平稳随机振动分析闭合解

针对大跨度结构考虑地面空间运动的非一致地震响应分析问题,结合虚拟激励法,应用傅里叶分析建立了结构非平稳随机振动响应演变功率谱分析的频域方法。建立的方法完全基于频域执行,给出了响应演变功率谱的闭合解表达式。由于实现了确定性调制过程与随机过程的有效分离,应用离散傅里叶变换进行计算不需要较高的采样分析频率就可以获得较好精度的数值结果。数值算例研究了某斜拉桥的考虑地面运动空间效应非平稳随机地震响应,与通常时频分析方法进行对比,验证了本文频域方法的正确性和有效性。     

Progress in Molecular Dynamics and Hansen Solubility Parameters of Low Molecular Weight Gels北大核心CSCD

Recently,the use of computational methods such as Molecular Dynamics（MD）simulations and Hansen Solubility Parameters （HSPs）to study the behavior of small molecule gelators has attracted much attention. MD simulation is a computational method based on classical mechanics and is one of the preferred techniques for understanding the process of small molecule gelators. The MD simulation can more accurately analyze the gelation trend or assembly behavior of small molecule gelators,dynamically and graphically display the self-assembly process,effectively reveal the relationship between the structure of small molecule gelators and related gelation behavior,and quantitatively analyze non-covalent bond interactions such as hydrogen bonds,π-π stacking,van der Waals interactions,ionic bonding and solvophobic interactions. By performing molecular dynamics simulations on known gelators/non-gelators,parameters related to gelation behavior in the simulated data are extracted,and the linear correlation is measured by fitting the Pearson correlation coefficient to finally predict the gelation behavior of a certain class of small molecules. On the other hand,the empirical model developed according to the HSPs is the most representative,which consists of the energy of dispersion interaction（δd）,the energy of polar interaction（δp）and H-bonding energy（δh ）between molecules. These three parts determine the coordinate point of the three-dimensional space（Hansen space）. According to the range of the point,it can be determined whether the organic small molecule can form a gel in a specific solvent. In this paper,representative works published recently in the field of organic small molecule gels by using MD simulations and empirical models are reviewed. Some comments on the assembly behavior of gelators,the regulation and prediction of non-covalent bond interactions on gelation ability are made. © 2022, Science Press (China). All rights reserved.     

基于高精度模态综合法的螺栓连接组合结构不确定模型更新

由于螺栓结构中存在复杂的微观特征,数值模型中无法避免的会引入不确定性。针对螺栓设计中参数不确定性量化问题,一种基于高精度模态综合法的螺栓连接组合结构随机模型更新方法被提出。首先考虑高阶剩余模态的影响,推导了适用于螺栓组合结构弹性交界面的高精度模态综合法;之后,在贝叶斯推理框架下,通过组合结构的自振频率和振型的概率分布,建立螺栓连接参数的后验概率密度函数,并借助DRAM(delayed rejection adaptive metropolis)抽样方法量化参数的不确定性。数值算例表明,针对各子结构之间自振频率差别较大的结构,与模态综合法相比,本研究方法在较少子结构模态参与的情形下,也可以保证良好的模型更新结果。     

基于结构可置信性鲁棒优化算法的离散优化问题研究

传统优化设计认为问题的参数(如材料属性和外加载荷等)是确定的,并且设计变量通常是连续的.而在实际应用中产品制造和测量等存在不可避免的误差,并且工程需要的设计结果(如钢筋截面尺寸等)往往是离散的.即使对于考虑了不确定性参数影响的连续最优解,经过圆整处理后也很可能产生较大偏差甚至变得不可行.针对该难点,本文结合非概率不确定性鲁棒优化算法,建立与离散的基于圆整策略的优化算法列式等价的鲁棒优化列式及用于解决离散优化问题的可置信性鲁棒优化方法.并进一步研究了离散变量不确定性优化问题的可置信性鲁棒优化求解方法,利用非线性半定规划进行高效求解,可严格保证所得结果的可行性.本文揭示了传统离散优化思想和不确定性优化思想的内在联系,完善了优化设计理论体系,为后续相关研究提供了全新思路和示范.     

FeV(O)(TAML)高价铁-氧反应中间体活化C-H键的机理转变的理论研究

本文运用密度泛函理论对Gupta实验中脂肪族与芳香族底物C-H键氧化反应中所表现出的动力学差异进行深入的机理研究. 计算表明,这种差异是由于两种底物(脂肪族的环己烷、2,3-二甲基丁烷两种底物以及芳香族的甲苯、乙苯和异丙苯三种底物)C-H键活化反应机理的不同所造成. 对于脂肪族底物,活性反应中间体Fe^V(O)(TAML)进行C-H氧化是一种氢原子转移过程;而对于芳香族底物,C-H键活化则是一个质子耦合的电子转移过程,并且在过渡态具有质子转移特性,即质子耦合的电子转移过程. 这种差异是由四氨基的TAML环和芳香底物的苯环之间存在的π-π相互作用产生的,具有“拉电子”效应,从而使得电子从芳香化底物转移到Fe^V(O)(TAML)氧化物的效率降低.     

功能化金纳米材料在肿瘤诊疗中的研究与应用

作为一种重要的贵金属, 金具有表面等离子共振的光学特性, 在材料、 催化和医学诊疗等领域有着广泛且重要的应用. 本文综合评述了表面功能化的金纳米材料在肿瘤诊断及治疗领域的相关研究, 并对金纳米材料在肿瘤诊疗领域的未来发展进行了展望.     

基于拓扑优化的新型蜂窝结构设计

可变体飞行器若要实现机翼后掠角、面积和前后缘弯度等参数的大幅度变化,机翼蒙皮需要具有光滑的气动外形、大变形、高承载以及驱动力小的特点。针对柔性蒙皮的需求,本文利用拓扑优化方法设计了一种新型零泊松比蜂窝结构,通过有限元仿真与U形蜂窝结构和余弦形蜂窝结构进行对比,验证其变形和承载等性能。以最大应变2%为基准,比较了三种蜂窝结构的变形能力。结果表明,新型蜂窝结构的拉伸变形量高达75%,分别是U形蜂窝结构和余弦形蜂窝结构的1.7倍和2.1倍。在最大位移量相同时,所需驱动力分别是U形蜂窝结构和余弦形蜂窝结构的0.51倍和0.28倍,表明新型蜂窝结构具有很大的易变形能力。当蜂窝结构的橡胶蒙皮受到相同压强载荷且处于初始未拉伸状态/拉伸状态时,新型蜂窝结构橡胶蒙皮的最大法向位移量分别是U形蜂窝橡胶蒙皮和余弦形蜂窝橡胶蒙皮的0.4倍/0.56倍和0.29倍/0.42倍,表明新型蜂窝结构具有良好的面外承载能力。另外,通过适当增加壁厚,可以提高新型蜂窝结构本身的抗弯曲能力。分析结果表明,本文设计的新型蜂窝结构具备大变形、高承载以及驱动力小的优点。