基于平面度的燃料电池电化学性能模拟

 固体氧化物燃料电池的翘曲会影响电极-盖板界面的接触情况，从而影响电化学性能，对相关制造工艺提出了很大的挑战．为了分析燃料电池平面度对放电过程的影响，揭示其潜在的风险，我们建立了两个基于有限元法的仿真模型，对考虑平面度缺陷的燃料电池封装和放电进行分析．在对固体氧化物燃料电池进行平面度测量的基础上，首先建立了具有真实燃料电池翘曲特性的几何模型，分析封装过程中接触压力的分布情况．然后将接触电阻的仿真结果导入到三维多物理场耦合模型中，模拟具有平面度缺陷的燃料电池电化学性能．计算结果展示了燃料电池两侧封装过程中接触压力的分布情况．通过对比有接触电阻和无接触电阻的燃料电池电流密度，分析了电池与盖板的接触对放电过程的影响．结果表明，燃料电池的凹陷面较难达到满意的接触状态，需要比凸起面更大的封装压力．燃料电池表面接触电阻的变化将引起电流传导路径的变化，产生局部高电流或低电流．这项工作强调了在燃料电池中保持均匀分布的接触电阻的重要性，为今后的优化工作奠定了基础．     

力学研究中"大数据"的启示、应用与挑战

大数据在全世界发展迅猛, 应用成效显著.大数据独特的思维和方法, 为科学研究与探索提供了全新的范式.力学研究中,高时空分辨率、多参数同步观测与高精度、大规模模拟手段的发展,为力学大数据的发展提供了契机,大数据、机器智能方法的应用正呈现快速上升趋势.本文旨在分析大数据思维方法在力学研究中的应用, 及其启示与挑战.首先从大数据资源、大数据科学及大数据技术3个层面分析了大数据的内涵及研究态势,概括了国内外政府及组织机构的大数据发展规划.而后对比分析了力学思维方法与大数据思维方法的特点,指出两者的本质区别在于数据使用方式的不同而带来的范式差异:大数据采用数据驱动模型替代力学中的偏微分方程组以描述问题,在复杂系统的分析、预测中优势显著.回顾了大数据方法在材料性能预测、材料本构建模、湍流建模、结构健康监测及试验力学等方面的最新研究进展,以及动态数据驱动与数字孪生等大数据驱动的建模模拟新范式.总结了大数据在力学研究中应用的3种方式, 即驱动已有模型改进,挖掘复杂隐含的规律, 以及替代已有的理论方法等. 最后,建议以力学研究为主体和牵引, 大数据与力学双驱动,推动大数据与力学交叉形成理论与方法突破、及学科发展新方向.      

航空导管弯曲试验的疲劳裂纹萌生寿命

飞行器液压导管受接头和卡箍等约束，在使用的振动环境中，会因弯曲应力而导致破裂，影响到飞行安全．本文对飞行器液压系统通用的不锈钢导管的裂纹萌生寿命进行了试验研究．首先在对8 mm、12 mm 无缺陷导管和含U 型缺口8 mm 导管的疲劳试验和有限元分析的基础上，得到了导管的最大拉应变-裂纹萌生寿命数据．然后采用基于强度极限和弹性模量估算法的Manson-Coffin 公式来预测导管裂纹萌生寿命．最后引入加载类型修正系数、表面质量修正系数、试样尺寸修正系数、应力集中敏感系数和有效应力集中系数，使修正后的公式对三种类型的导管均有较好的裂纹萌生寿命预测精度．     

S掺杂的还原态TiO2-x的制备及其可见光催化性能

作为一种稳定、价廉的光催化剂,TiO2被广泛应用于各种污染物的降解;但是,较大的宽禁带(~3.2 eV)和较低的电子迁移率不仅使TiO2很难吸收可见光,而且光生电子和空穴的复合几率高,从而导致TiO2的总体光电效率不高.因此,设计能够被可见光激发、并具有快速光生电子传输的TiO2一直是研究热点.研究表明,Ti3+自掺杂的TiO2(还原态TiO2-x)不仅能够被可见光激发,而且使TiO2具有良好的电子导电性,从而有利于提高TiO2的光电转换效率.另外,非金属元素的掺杂能够减小TiO2的禁带宽度,使TiO2能够响应可见光并具有良好的可见光催化性能,其中S元素的掺杂被广泛研究.目前,S掺杂纳米TiO2的制备通常采用TiS2,单质S,硫脲、二甲亚砜等为S源,但这类原料通常价格昂贵或者具有一定的毒性,因而实际应用受到限制.而制备Ti3+自掺杂TiO2的方法大都是基于"还原法",在真空或强还原性气氛如H2,CO中加热TiO2,或采用高能粒子(电子、氩离子)轰击.在实际应用中,这些方法存在步骤多、条件苛刻、反应时间长和设备昂贵等不足.而且,还原法反应通常发生在颗粒的表面,形成的Ti3+很容易被空气和水中的溶解O2氧化,降低材料的稳定性.虽然在温和的液相中还原Ti4+可用于制备Ti3+掺杂的TiO2,但是由于反应过程中有副产物生成,需要进行后续处理才能得到纯的Ti3+自掺杂TiO2.因此,设计一种简单的制备S掺杂还原态TiO2-x光催化剂仍具有十分重要的意义.前期我们采用H2O2氧化TiH2得到不同状态的前驱体凝胶,然后进行不同方式的后处理得到Ti3+自掺杂的纳米TiO2.本文以TiH2和H2O2反应得到的黄色前驱体凝胶为Ti源,以价格低廉、无毒、稳定的二氧化硫脲为S源和还原剂,采用不同的方法制备了S掺杂的还原态TiO2-x光催化剂.本文初步研究了在凝胶中加入二氧化硫脲后进行水热处理,以及将干燥的凝胶粉末与二氧化硫脲混合热处理对所得产物的影响.并与纯的TiO2、还原态TiO2-x和S掺杂TiO2的光吸收、电化学、光催化性能进行对比研究.采用X射线衍射、透射电子显微镜、高分辨透射电子显微镜、X-射线光电子能谱、紫外-可见漫反射光谱、比表面分析和电化学工作站等技术对产物的结构、形貌和光电性能进行了表征.以罗丹明B(RhB)溶液为模拟废水,考察样品的可见光催化性能.结果表明,不同的后续处理方式不仅影响S掺杂TiO2-x的结晶性和形貌,而且影响产物的光吸收性能和电子传输性能,从而使不同条件下所得产物的可见光催化性能不同.其中,采用热处理方式得到的S掺杂TiO2-x样品在可见光下降解RhB的速率分别是纯的TiO2,TiO2-x和S掺杂TiO2的31,2.5和3.6倍,而且样品具有良好的循环稳定性.     

基于界面端奇异性理论的单纤维拔出试验的试件设计

在单纤维拔出试验中，由于试件的界面端存在应力奇异性，这使试验所得到的界面剪切强度数据失去合理性[1]。但从文献[1]关于微珠脱粘试验研究的结论中可以发现当基体的楔形角小于某临界角度后，微珠试件界面端应力奇异性几乎消失。由此启发我们设计出一种楔形角小于该纤维／基体系统临界角的锥面的拔出试件，这样即可以防止出现传统拔出试件在界面端的强应力奇异性，又可以避免微珠脱粘试验自身的缺陷。界面端具有任意楔形角的轴对称模型被用于分析和确定纤维／基体系统的临界角，对方程进行渐近展开和分离变量处理，根据边界条件可以得到关于特征值λ的特征方程，针对确定的纤维／基体系统可以得到特征值和楔形角的关系曲线，我们把应力奇异性指数等于-0．005时所对应的楔形角定义为临界角，以及根据临界角设计锥面拔出试件的方法。     

功能梯度压电材料反平面裂纹问题

基于三维弹性理论和压电理论，导出了材料系数在横观各向同性平面内梯度分布的压电体的状态方程，进而对材料系数指数函数规律分布的半无限大压电体中的反平面裂纹问题进行了求解，利用Fourier变换给出了半无限大压电体中位移，应力，电势及电位移的解析表达式，并求得了裂纹尖端的应力强度因子和电位移强度因子，分析了不同的非均匀材料系数及几何尺寸对它们的影响。     

滑动界面的球形夹杂问题

滑动界面对多相介质力学性能的影响日益受到重视．但已有的解析结果往往假定界面是自由滑动的．即假设界面上的剪应力为零，这与大多数实际情况并不相符．本文假定界面上剪应力不为零并满足线弹簧型界面条件，在这一前提下，首次获得了球形夹杂本征应变问题的解析解．     

功能铁磁材料的变形与断裂的研究进展

综述了近几十年, 特别是近十几年来铁磁材料的力磁耦合变形与断裂行为的研究概况. 传统铁磁弹性问题的研究已经有较长时间的积累, 文献中已有大量的研究结果发表. 近些年 来, 随着智能材料及结构应用与研究的兴起, 功能铁磁材料如稀土超磁致伸缩材料、铁磁相 变材料以及铁磁复合材料等的力学行为越来越受到重视, 人们在功能铁磁材料的变形与断裂 以及铁磁复合材料的有效性质等方面开展了大量的研究工作. 本文在简单介绍了经典铁磁弹 性和传统铁磁结构的力磁性能的研究背景基础上, 结合作者近年来在铁磁材料变形与断裂方 面所开展的工作, 着重评述了功能软铁磁材料在变形与断裂的实验研究,如实验设备和技术, 以及铁磁复合材料细观力学、软铁磁材料、铁磁功能材料的变形与断裂理论等方面的研究进 展, 并指出了需要进一步研究的方向.     

弱界面异质球形夹杂本征应变问题的解析解

本文研究了具有线弹簧弱界面的异质球形夹杂的本征应变问题，所采用的线弹簧界面模型既能界面的切线方向滑动，又能考虑界面的法线方向张开，根据叠加原理、原问题的弹性场可分成三部分；二部分由真实均匀本征应变所引起，另一部分由等效的非均匀本征应变所引起，后一部分则由虚拟的Ｓｏｍｉｇｌｉａｎａ位错场所产生。本文求得了等效非均匀本征应变和虚拟位错场的Ｂｕｒｇｅｒ矢量的解析表达式，进而确定的问题的弹性场。     

基于径向基函数配点法的梁板弯曲问题分析

采用径向基函数配点法分析考虑剪切效应的梁板弯曲问题，该方法利用径向基函数作为近似函数，基于配点法离散方程，通过最小二乘法求解。径向基函数配点法在离散和计算过程中不需要任何形式的网格划分，是一种真正的无网格法；径向基函数可以用一元函数来描述多元函数，存在明显的储存和运算简单的特点；而基于配点法求解不需要积分，提高了计算效率。分析考虑剪切效应的薄梁板问题时，传统的有限元法或无网格法求解均会存在剪切锁闭问题，而径向基函数在全域内存在无限连续性，能够准确地满足Kirchhoff约束条件，因此径向基函数配点法能够消除剪切锁闭现象，而且不会出现应力波动。该方法的优势在于，其不仅易于离散、精度高，而且具有指数收敛率，计算效率高。数值算例验证了上述结论和该方法的稳定性。