基于耦合声场建模的膨胀腔消声器声学性能分析及试验

针对圆柱形膨胀腔消声器三维建模及声学性能分析问题, 提出一种基于切比雪夫变分原理的耦合声场建模方法, 建立三维圆柱形膨胀腔消声器理论模型并搭建试验台架, 传递损失试验结果验证了理论模型的准确性. 将膨胀腔消声器内部声场分解为多个子声场, 基于子声场间压力与质点振速连续性条件, 推导声场耦合变分公式, 构建子声场拉格朗日泛函. 将子声场声压函数展开为切比雪夫-傅里叶级数形式, 通过瑞利-里兹法求解膨胀腔消声器频率、声压响应及传递损失. 计算并对比分析扩张比、扩张腔长度、进出口管偏置对膨胀腔消声器消声性能的影响. 结果表明: 扩张比增大会有效提高消声器在低频段的消声性能, 进出口管的偏置对消声器消声性能影响很小.     

坚硬顶板爆破切顶在沿空留巷中的应用研究

当煤层上方为坚硬顶板时,在工作面回采期间容易出现大面积悬顶,导致巷旁充填体出现大变形破坏,极大威胁采煤安全.为解决这一问题,以某矿1205工作面沿空留巷为工程背景,分析了爆炸围岩裂隙范围和坚硬顶板破断特征,建立了切顶卸压围岩结构力学模型,研究表明,相邻炮孔爆炸后,炮孔间裂隙互相贯穿,降低了顶板强度,同时当切顶角为15°时,巷道稳定性较好.工程实践结果表明:采用爆破切顶技术后,顶板下沉量减小了62.3%,较好地保证了围岩稳定性.     

热力耦合作用下碳质千枚岩强度演化规律分析

温度场与应力场是影响碳质千枚岩地层引水隧洞围岩强度的重要因素。设定2因素4水平16组试验，依据单轴与三轴试验结果，探讨热力耦合作用下碳质千枚岩应力-应变曲线性态与破坏模式，得到了峰值强度变化规律；基于Mohr–Coulomb强度准则(M–C)与Heok–Brown强度准则(H–B)，分别建立了热力耦合作用下Mohr–Coulomb–Thermal法(M–C–T)和Heok–Brown–Thermal法(H–B–T)两种破坏强度计算方法。试验结果与理论分析表明，随围压增大与温度升高，碳质千枚岩从脆性破坏逐渐转为延性破坏，黏聚力、单轴抗压强度和参数n随温度升高呈线性增大，内摩擦角受温度影响不显著。通过试验值与计算对比分析，M–C–T法和H–B–T法均能较好地量化热力耦合作用下碳质千枚岩强度演化规律；误差分析表明，前者计算误差为-28.5%～7.7%，后者为-8.9%～5.6%,H–B–T法计算结果离散程度较小，稳定性更高，且更偏向于安全。     

气体摩尔热容的拓展性教学

物质的摩尔热容是热量传递、熵增、焓变等计算中的重要参数之一。为让学生全面掌握摩尔热容的概念及其计算方法，以气体为例，基于文献调研，对理想气体、范德瓦尔斯气体、昂尼斯气体、雷德利克-邝气体的摩尔热容进行了系统化地归纳分析。利用热力学第一定律及热力学相关公式导出了改进型雷德利克-邝气体的摩尔热容。并对气体摩尔热容与物态方程的内在联系、摩尔定压热容与摩尔定体热容的差别进行了讨论与分析。这些研究结果对气体摩尔热容的拓展性教学及学生的创新性自学具有较好的参考价值。     

HgCdTe薄膜的输运特性及其应力调控

窄禁带直接带隙半导体材料碲镉汞(Hg1–xCdxTe)是一种在红外探测与自旋轨道耦合效应基础研究方面都具有重要应用意义的材料.本文对单晶生长的体材料Hg0.851Cd0.149Te进行阳极氧化以形成表面反型层,将样品粘贴在压电陶瓷上减薄后进行磁输运测试,在压电陶瓷未加电压时观察到了明显的SdH振荡效应.对填充因子与磁场倒数进行线性拟合,获得样品反型层二维电子气的载流子浓度为ns=1.25×10^16m^-2.在不同磁场下,利用压电陶瓷对样品进行应力调控,观测到具有不同特征的现象,分析应是样品中存在二维电子气与体材料两个导电通道.零磁场下体材料主导的电阻的变化应来源于应力导致的带隙的改变;而高场下产生类振荡现象的原因应为应力导致的二维电子气能级的分裂.     

超声速流动中非线性EASM湍流模式应用研究

针对超声速复杂流动区域精确模拟的需要，发展了基于k-ω可压缩修正形式的非线性显式代数雷诺应力模式（EASM），提高了该模式对超声速复杂流动的数值模拟精度。通过对二维超声速凹槽和三维双椭球的数值计算表明，与SA和SST常规线性涡黏性湍流模式比较，非线性的EASM模式对大分离以及剪切层流动结构的刻画能力更精细，对剪切层再附区的压力及摩擦系数分布模拟更加精确；EASM模式能够准确地模拟二次激波引起的压强和热流分布情况。     

超导离子源铌三锡六极线圈镜像磁场约束结构的优化设计

中国科学院近代物理研究所正在进行国际首台45 GHz全铌三锡超导离子源FECR(Fourth Electron Cyclotron Resonance)磁体的研制，该离子源磁体线圈由六个铌三锡超导六极线圈和四个铌三锡超导螺线管线圈组成。由于单根超导线绕制异形六极线圈(非标准鞍型)技术难度大，且铌三锡超导性能对应力敏感，为了测试单个铌三锡六极线圈性能能否达到设计指标，基于铝合金壳层结构和Bladder-Key精确预紧技术，设计了镜像磁场约束结构。本工作主要阐述了运用ANSYS参数化设计编程对镜像磁场结构进行优化设计的过程和优化后的镜像磁场结构，确定了室温预应力大小，并给出了线圈经过室温预紧、冷却降温和加电励磁后的最大等效应力。进一步结合实际六极线圈制作公差(±0.1 mm)，分析和评估了公差对镜像磁场结构中六极线圈预应力施加的影响。     

Ⅰ型裂纹中低速冲击荷载下起裂韧度测试新方法

为了探寻更加合理的构型试件来研究纯Ⅰ型裂纹在冲击荷载下的起裂及扩展行为, 提出一种新构型试件, 即双倾斜底边中心裂纹试件(double inclined bottom central cracked, DIBCC)。借助于中低速落锤式冲击实验装置进行冲击实验, 通过应力波来使试件内预制裂纹起裂并扩展, 同时利用应变片测试系统监测裂纹起裂时刻, 并采用AUTODYN有限差分软件对实验过程进行数值模拟, 最后计算裂纹的动态应力强度因子, 利用实验测得的起裂时刻, 确定试件的起裂韧度。结果表明:(1)在反射拉伸波作用下, 预制裂纹两侧会产生垂直于裂纹面向外的位移, 使预制裂纹扩张, 从而使裂纹起裂。(2)数值模拟结果与实验结果在裂纹扩展路径上具有一致性, 说明本文中提出的DIBCC构型试件有效, 可以用来测试裂纹在冲击载荷下的断裂韧度。     

热对流作用下筒壁涂层的边裂行为

边裂(边缘开裂)是涂层热致损伤的主要模式之一. 边缘裂纹穿透涂层后,常导致界面脱粘从而驱使涂层与基体剥离,最终丧失对基体的保护作用. 本文以热应力强度因子表征边缘裂纹的扩展驱动力,研究筒壁涂层在热对流作用下的边裂行为. 首先,利用拉普拉斯变换法,得到了瞬态温度场及热应力场的封闭解. 其次,运用Fett等的三参数法确定了筒壁涂层边缘裂纹的权函数. 最后,基于叠加原理和权函数方法计算了边缘裂纹的热应力强度因子. 探讨了无量纲时间、边缘裂纹深度、基体/涂层厚度比、热对流强度等参数对热应力强度因子的影响规律. 结果表明:热应力强度因子的峰值既非发生在热载荷初始时刻,也非发生在热稳态时刻,而出现在时间历程的中间时刻;增大热对流强度不仅可提高热应力强度因子的峰值,而且使峰值提前出现;其他条件相同时,热应力强度因子随着边缘裂纹长度的增大而降低;增大涂层厚度或减小基体厚度可增强涂层抵抗瞬态热载荷的能力.      

基于相场描述的拉压不对称强度结构拓扑优化

运用了基于相场描述的拓扑优化方法，来寻找在拉伸和压缩中表现出不对称强度行为的连续体结构的最优布局。依据Drucker-Prager屈服准则和幂率插值方案，优化问题可以描述为在局部应力约束下的最小化结构的体积。用qp放松法来解决应力约束的奇异性，并采用基于P-norm函数的聚合方法对应力约束进行凝聚，该方法实现了约束个数的降低，同时引入了稳定转化法来处理大量的局部应力约束和高度非线性的应力行为，以修正应力，提高优化收敛的稳定性。在优化问题求解时，使用拉格朗日乘子法对目标函数和应力约束进行处理。利用伴随变量法进行灵敏度分析，并通过求解Allen-Cahn方程更新相场函数设计变量。数值算例证明了该优化模型和相应数值技术的有效性，相关算例还揭示了考虑拉压不同强度和考虑同拉压强度约束时得到的结构优化拓扑构型具有显著的差异。