Progress in improving thermodynamics and kinetics of new hydrogen storage materials

Hydrogen storage material has been much developed recently because of its potential for proton exchange membrane (PEM) fuel cell applications. A successful solid-state reversible storage material should meet the requirements of high storage capacity, suitable thermodynamic properties, and fast adsorption and desorption kinetics. Complex hydrides, including boron hydride and alanate, ammonia borane, metal organic frameworks (MOFs), covalent organic frameworks (COFs) and zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs), are remarkable hydrogen storage materials because of their advantages of high energy density and safety. This feature article focuses mainly on the thermodynamics and kinetics of these hydrogen storage materials in the past few years.     

NORMAL EXPANSION THEORY FOR PENETRATION OF PROJECTILE AGAINST CONCRETE TARGET

Based on the equations which describe the dynamic behavior of material under high-velocity and high-pressure shock, corresponding equations at shock front whose surface is general space curve surface were established. For concrete material, a normal expansion theory was proposed by which some deceleration about time history of the projectile can be analytically given. This normal expansion theory is not only suitable for spherical and cylindrical-nose projectile, but also suitable for other general nose projectile, for example conical nose or ogive-nose. And it is not only suitable for perpendicular shock but also for oblique shock.     

混合物冲击压缩后平衡态的研究

将混合物组元颗粒在三维网格内按组元比例随机分布,采用热动力学有限元数值方法,对其冲击压缩过程进行数值模拟。研究了混合物在冲击压缩下趋于热动力平衡过程、热平衡特征时间、压力平衡特征时间和平衡后的热力学状态,得出热平衡特征时间与颗粒度的平方近似成正比,而力平衡特征时间与颗粒度近似成正比。数值模拟了多种合金的冲击压缩特性,其结果与混合物物态方程的体积相加模型、一次冲击绝热线的叠加原理和实验等不同方法获得的结果作了比较,除冲击温度外,各方法得到的结果一致;体积相加模型和叠加原理不能给出合理的混合物冲击温度,但数值模拟能给出合理的混合物冲击温度。     

热动力学问题的数值计算

对含热传导的流体动力学方程组,用有限元方法进行数值求解。采用傅里叶热传导计算热流、用热流连续条件计算单元间接触面的温度、用三角形传热法计算体单元表面的热流,考虑各向同性弹塑性流体材料模型、三项式物态方程和导热系数与状态的相关性,给出了傅里叶热传导、接触传热、热应力应变效应、以及混合物冲击压缩特性等算例。对混合物冲击温度的数值模拟表明,小颗粒混合物在冲击压缩过程中,颗粒间的温度有差别、稍有波动,并随时间趋向于一致,以至热平衡。     

大长细比弹体斜侵彻混凝土靶的动力学响应

基于刚塑性自由梁在横向冲击载荷下的动力学响应研究方法,结合空腔膨胀理论给出的弹体载荷分析,给出了弹体作为自由梁在塑性铰出现之前的响应行为,得到了梁内任一截面在横向载荷下剪力和弯矩分布规律以及轴向载荷下的轴力分布规律。计算结果表明,大长细比结构弹体的危险截面在承受较大轴向惯性压力载荷后,对由非正侵彻导致的横向载荷极为敏感。最后基于压弯联合作用载荷分析,给出了动能弹设计的抗弯极限壁厚要求。     

陶瓷材料在压剪联合冲击加载下动态响应的实验研究

应用57 mm压剪炮和双磁场IMPS粒子测试系统对95%的Al2O3陶瓷材料在压剪联合加载条件下的力学行为进行了实验研究,测量得到了材料内部压缩波（P波）、剪切波（S波）的加载、卸载和传播规律。对剪切波的衰减随载荷的变化进行了研究,初步得到95% Al2O3陶瓷材料在压剪联合载荷冲击下发生损伤的纵向应力阀值是4.86 GPa。     

弹体攻角侵彻混凝土数值模拟

利用LS-DYNA程序的用户自定义模型功能,在LS-DYNA程序中嵌入了用于描述混凝土及钢筋混凝土侵彻贯穿的动态损伤模型。模型拉伸部分用Taylor-Chen-Kuszmaul(TCK)模型描述,体现了应变率对拉伸作用的敏感性;压缩部分则采用Holmquist-Johnson-Cook(HJC) 强度模型。模型中考虑了拉伸损伤、压缩损伤、应变软化、静水压力效应以及应变率效应。利用该方法对弹体攻角非正侵彻混凝土靶过程中的弹体变形、混凝土靶的损伤破坏、弹体的速度变化规律及弹体的变形进行了计算,并将计算结果与实验结果进行了比较,结果表明,采用该模型可以较好地模拟弹体非正侵彻混凝土过程。     

高加载率条件下LY12铝合金损伤断裂现象的研究

 本文以球形实体中含有一球形空穴为基本单元,通过分析单元的受力状态,推导出了一个韧性介质空穴增长模型。模型中考虑了介质的硬化,应变率效应,同时还考虑了惯性效应。在考虑空穴成核效应时,采用了热激活成核机制。对LY12铝合金进行了二维层裂实验,采用本文提出的动态损伤模型,借助于二维Lagrange弹塑性流动有限差分程序对二维层裂实验进行了数值模拟,计算结果与实验吻合较好。     

破片撞击装药点火实验和数值模拟

实验中采用升 降法得到了破片撞击装药点火的临界速度范围,数值模拟中采用节点约束 分离方法、热弹塑性材料本构方程和化学动力学方程描述了炸药的破坏行为和点火反应。实验结果与数值模拟结果吻合较好。研究结果表明,采用节点约束 分离方法、热弹塑性材料本构方程和化学动力学方程可以有效地描述装药在破片撞击作用下的破坏行为和点火反应。     

EFP模拟弹丸侵彻陶瓷复合靶的数值模拟研究

运用LS_DYNA程序中描述陶瓷本构关系的JHC模型和二维轴对称拉格朗日算法,对EFP模拟弹丸侵彻不同厚度99氧化铝陶瓷块/金属复合靶试验进行了数值模拟,获得了侵彻过程中陶瓷的损伤演化和分布以及在A3钢背板中的侵彻深度,与实验结果进行了比对,总的侵彻深度基本相符。数值模拟和试验所得残余侵彻深度与陶瓷厚度之间基本上都呈一种良好的线性关系,因此所得质量防护系数和差分防护系数都随着陶瓷厚度的增加而增加。通过分析侵彻过程中的陶瓷损伤与演化发现:陶瓷块尺寸过小时会由于稀疏波作用使陶瓷抗弹性能下降。