Smoothed Particle Hydrodynamics Model of Non-Aqueous Phase Liquid Flow and Dissolution

A smoothed particle hydrodynamics model was developed to simulate the flow of mixtures of aqueous and non-aqueous phase liquids in porous media and the dissolution of the non-aqueous phase in the aqueous phase. The model was used to study the effects of pore-scale heterogeneity and anisotropy on the steady state dense non-aqueous phase liquid (DNAPL) saturation when gravity driven DNAPL displaces water from initially water saturated porous media. Pore-scale anisotropy was created by using co-oriented non-overlapping elliptically shaped grains to represent the porous media. After a steady state DNAPL saturation was reached, water was injected until a new steady state DNAPL saturation was reached. The amount of trapped DNAPL was found to be greater when DNAPL is displaced in the direction of the major axes of the soil grains than when it is displaced in the direction of the minor axes of the soil grains. The amount of trapped DNAPL was also found to increase with decreasing initial saturation of the continuous DNAPL phase. For the conditions used in our simulations, the saturation of the trapped DNAPL with a smaller initial DNAPL saturation was more than 3 times larger than the amount of trapped DNAPL with a larger initial saturation. These simulations were carried out assuming that the DNAPL did not dissolve in water. Simulations including the effect of dissolution of DNAPL in the aqueous phase were also performed, and effective (macroscopic) mass transfer coefficients were determined. The U.S. Government’s right to retain a non-exclusive, royalty-free license in and to any copyright is acknowledged.     

多孔介质结构对渗流惯性效应的影响规律研究

本文通过局部展开算法研究了多孔介质中排列结构对非线性渗流规律的影响．计算结果表明：规则排列结构的渗流标度律和渗流方向相关,然而非规则排列结构的渗流标度律不依赖于渗流方向而只依赖于多孔介质的几何结构．伴随着排列结构的非规则程度增强,不同方向的渗流阻力变化规律的差异性减小．当流场输运区域较为复杂且不存在较宽直通道时,渗流阻力在较宽雷诺数范围内体现出较为明显的标度律特性．周期性强非规则排列结构中不同区域大小的模型却具有相似的渗流阻力的标度律特性,同时标度律特性与孔隙度的大小相关性不大．阻力非线性标度律由多孔介质结构的不同而取值为2至3之间．     

热处理对Al-Si-Cu合金力学性能、显微组织与磨损性能的影响

研究了不同热处理条件下Al-Si-Cu合金的力学性能、显微组织及磨损性能.结果表明:与铸态合金相比,T6态合金的晶粒最为细小,Si、Al2Cu和Al Fe Mn Si第二相尺寸变小、变圆整且分布均匀,其力学性能和耐磨性能最好.当载荷小于500 N时,T6态和铸淬态合金的耐磨性能相当,二者表现为磨粒磨损;载荷为500~1 000 N时,Si相受水平方向塑性流变应力作用均匀分布在磨面表面,改善了润滑效果使摩擦系数降低,虽然开始向黏着磨损机制转变,但合金仍保持了较好的耐磨性能;载荷大于1 000 N时,Si相和Al2Cu相周围出现了微裂纹和严重的撕裂状的塑性变形,摩擦系数增大,逐步向剥层磨损转变,合金耐磨性能显著下降.     

Micromechanics Contribution to Coupled Transport and Mechanical Properties of Fractured Geomaterials

This article is devoted to the modelling of interdependent mechanical and hydraulic behaviours of geomaterials in presence of a single through-wall fracture by means of micromechanics arguments. Experimental results of fractured concrete samples show non-linear evolutions for both mechanical and hydraulic behaviours with respect to confinement intensity. These non-linear responses are interpreted by the progressive closure of crack-like pores defining the pore volume of the fracture interfacial domain. Disregarding tortuosity effects, we adopt a 2D representation for these cracks. The key role of the fracture initial porosity is also emphasized. It allows to discuss the shape of the distribution of the local apertures distribution function classically used, intercepted here in terms of the distribution of initial crack–aspect ratio within the fracture domain. Application on fractured concrete samples shows the capability of the theoretical model to accurately reproduce the experimental results.     

含氮类金刚石薄膜的力学和摩擦学性能的研究

利用脉冲等离子体增强化学气相沉积系统沉积了含氮类金刚石碳薄膜.利用X射线光电子能谱和红外光谱分析了薄膜的化学键状态,在UMT摩擦磨损试验机上考察了薄膜的摩擦学性能,利用扫描电子显微镜分析了摩擦对偶球表面的转移膜形貌.结果表明:随着薄膜中氮含量的增加,薄膜中的sp2C含量增加,硬度有所降低,薄膜的平均摩擦系数先减小后增加.     

Coupling Effect of State-of-Health and State-of-Charge on the Mechanical Integrity of Lithium-Ion Batteries

Two governing factors that influence the electrochemical behaviors of lithium-ion batteries (LIBs), namely, state of charge (SOC) and state of health (SOH), are constantly interchanged, thus hindering the understanding of the mechanical integrity of LIBs. This study investigates the electrochemical failure of LIBs with various SOHs and SOCs subjected to abusive mechanical loading. Comprehensive experiments on LiNi_0.8CoO₁₅Al_0.05O₂ (NCA) LIB show that SOH reduction leads to structural stiffness and that the change trend varies with SOC value. Low SOH, however, may mitigate this phenomenon. Electrochemical failure strain at short circuit has no relationship with SOC or SOH, whereas failure stress increases with the increase of SOC value. Experiments on three types of batteries, namely, NCA, LiCoO₂ (LCO), and LiFePO₄ (LFP) batteries, indicate that their mechanical behaviors share similar SOH-dependency properties. SOH also significantly influences failure stress, temperature increase, and stiffness, whereas its effect on failure strain is minimal. Results may provide valuable insights for the fundamental understanding of the electrochemically and mechanically coupled integrity of LIBs and establish a solid foundation for LIB crash-safety design in electric vehicles.     

家兔颈总动脉血管低温力学性能的实验研究

实验研究了家兔颈总动脉血管低温下的轴向和周向的力学性能．这些力学性能包括应力应变曲线和断裂强度，它们将有助于血管低温保存过程的热应力分析．结果表明，血管在低温下的力学性能与室温情况非常不同，冷冻血管的弹性模量要比未冷冻的高很多．当温度接近液氮温度时，甚至可能高几千倍．低温下，血管的轴向模量要高于周向的，但他们的断裂强度相差不大．最后，从血管组分的力学性能考虑，讨论了血管整体力学性能的变化规律．     

橡胶沥青应力吸收层力学与疲劳性能研究

防治反射裂缝是半刚性基层沥青路面新建或改建工程中的难题之一.橡胶沥青应力吸收层是一种较好的反射裂缝防治结构.本文设计了包含应力吸收层复合试件的剪切与疲劳试验,通过室内和现场取芯试件,研究了橡胶沥青应力吸收层及其他封层的力学和疲劳性能.聚酯玻纤布应力吸收层疲劳性能最好,但在较高橡胶沥青洒布量下,橡胶沥青与聚酯玻纤布应力吸收层疲劳性能接近;橡胶沥青应力吸收层的抗剪切变形能力最大,且其抗剪强度也比较高;橡胶沥青洒布量对橡胶沥青应力吸收层的抗剪强度、疲劳能力影响较大.当橡胶沥青洒布量在1.8～3.0kg/m2间增加时,橡胶沥青应力吸收层的抗剪强度、疲劳能力均增加,但不是线性关系增加.     

干涉应变计法在焊缝材料力学性能测试中的应用

在焊接结构中,焊缝的不同区域(如热影响区和熔合区)的材料力学性能对整个结构的安全性、可靠性起着至关重要的影响。本文介绍了用于高精度应变测量的干涉应变计法(ISDG),并利用自行研制的微小试样拉伸试验机,对20Cr合金钢压力容器中部分焊缝材料,分热影响区和熔合区对其材料力学性能进行测试,在国内首次获得了焊缝不同区域的全历程应力-应变曲线,对热影响区材料的软化现象进行了定量的描述。     

蛇纹石润滑油添加剂摩擦反应膜的力学特征与摩擦学性能

文中考察了变载、变速条件下表面修饰蛇纹石超细粉体作为矿物基础油添加剂的摩擦学性能,利用扫描电镜、能谱仪、纳米压痕仪等对比分析了蛇纹石添加剂形成的摩擦反应膜和基础油润滑下的磨损表面微观形貌、元素分布及微观力学性能.在此基础上,通过改变旋转滑动试验过程中的载荷/速度比,建立了基础油/摩擦反应膜和基础油/普通磨损表面润滑体系的Stribeck曲线.结果表明:蛇纹石超细粉体作为润滑油添加剂形成的摩擦反应膜具有较高的硬度和近似于金属材料的弹性模量,氧化物颗粒的嵌入进一步改善了摩擦反应膜的微区纳米力学性能,同时膜层的多孔结构可起到储油和捕获磨粒的双重作用,从而使摩擦反应膜在边界和混合润滑状态下表现出优异的摩擦学性能.     

高分子材料湿度含量对其力学性能的影响的实验研究

本文从实验的角度对湿度因素影响下的高分子聚合物材料的力学性能进行了研究。选用了尼龙6材料进行了一系列的有关湿度实验，通过不同含湿率下与时间相关的材料性能实验首次从实验上证明高分子聚合物材料存在湿度-时间等效性。即对材料力学性能而言延长作用时间与增加材料含湿率与等效的，并且具体给出了尼龙6材料的湿度-时间等效关系。如该材料在不同含湿率下的广义曲线，本文工作为进一步研究湿度因素影响下的材料性能提供了实验依据。     

喷水冷却对聚丙烯纤维混凝土高温后力学性能的影响

通过进行高温后不同冷却条件下（自然冷却和喷水冷却）聚丙烯纤维混凝土与普通混凝土的力学试验,分析了温度和冷却方式对聚丙烯纤维混凝土的质量损失、单轴抗压强度、峰值应变、杨氏模量和显微结构等性能的影响．试验结果表明,随着温度的升高,混凝土的弹性模量与抗压强度都呈下降趋势．聚丙烯纤维混凝土在经历高温后内部纤维熔化,留下大量空隙,使得混凝土高温后的力学性能进一步恶化．通过显微镜观察到,喷水冷却下的混凝土试件中产生大量的裂缝,内部结构更加疏松．此外,通过对试验数据的统计分析,建立了在不同冷却条件下,聚丙烯纤维混凝土的相对抗压强度和杨氏模量随温度变化的关系式．     

在氢环境中钢的应变速率效应

从静态、准静态直到冲击的应变速率范围内(.ε=10-7~103sec-1),研究了在氢环境中应变速率对10钢力学性能的影响。结果表明:对于10钢,应变速率在3.33×10-3~3.33×10-6sec-1范围,氢的影响最明显,随着应变速率的提高或降低,氢的影响逐渐减弱;对于渗氢和未渗氢试样,应变速率在10-4~103sec-1范围内,屈服应力都随着应变速率的增加而增加,在.ε<6.0×102sec-1区域Ⅰ内流动应力与应变速率呈线性关系,在.ε>6.0×102sec-1区域Ⅱ内流动应力对应变速率十分敏感。与准静态时相比较,高应变速率下未渗氢试样的流动应力增加了1.1倍,而渗氢试样则增加了1.5倍。文中给出了可以精确描述10钢在高应变速率下渗氢与未渗氢试样的应力应变关系表达式。     

结晶特性与制造工艺对炸药件力学性能的影响

通过对塑料粘结炸药(PBX)在压制、热老化及贮存中炸药HMX、TATB和粘结剂F的性能变化规律的研究,揭示了加工和贮存条件对炸药件的力学性能的影响。得出如下结论:1)随着老化温度的提高,粘结剂F结晶度增加。TATB基PBX炸药经老化后力学性能没有明显变化,说明粘结剂结晶度和炸药颗粒度的变化对炸药总体性能影响不大。2)钢模压制的TATB基PBX药柱在经历多次温度循环后,TATB与粘结剂F界面的作用有所减弱,药柱内部产生由脱粘引起的缺陷,其力学强度下降。TATB基PBX药柱的力学强度与模量均随着环境温度的升高而呈下降趋势,而等静压成型能明显改善TATB基PBX的力学性能。     

铜和石墨对铁基含油自润滑复合材料机械及摩擦学性能的影响

采用粉末冶金工艺制备了铁基含油自润滑复合材料,考察了Cu与石墨的含量对铁基含油自润滑复合材料的机模样性能、摩擦学性能及组织结构的影响,并利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜及光学显微镜等对材料的组分、显微组织形态和结构以及磨损表面形貌等进行了系统的观察和分析,结果表明：添加适量Cu的Fe-Cu二元系材料的机械性能和摩擦学性能明显优于Fe系材料,这主要是因为Cu的加入改变了材料的微观结构。添加适量石墨的Fe-Cu-石墨三元系材料比Fe-Cu二元系材料具有更优异的摩擦学性能,但机械性能有所下降,这主要是由于石墨与油的协同润滑效应和石墨的加入改变了材料的微观结构所致。     

鲫鱼皮肤和肌肉的力学性能研究

鱼在水中游动时,参与鱼体弯曲变形的组织和器官与水媒介相互作用,形成了不同的游动模式和变形方式。为了更好地理解鱼体变形机制并为今后的流固耦合计算提供基础实验数据,本文采用万能试验机进行单轴拉伸试验,对鲫鱼皮肤和肌肉等生物材料的力学性能进行研究。通过破坏实验的方式确定其杨氏模量,通过松弛实验的方式确定其归一化松弛函数。针对皮肤和肌肉的生物材料粘弹性性质,给出本构方程。通过简化为标准线性固体模型进行讨论,得到的结论是:鲫鱼游动过程中以很小的能量损耗为代价,增加了其有效刚度。     

温度对炭黑填充橡胶复合材料力学性能影响的实验研究

采用岛津万能试验机对天然与丁苯共混橡胶(NSBR)试件进行不同温度下多步松弛循环加卸载实验和单向拉伸加卸载循环实验，对比两者的宏观力学响应，并研究温度对炭黑填充复合材料力学性能的影响．结果表明：(1)随着温度的升高，未填充橡胶逐渐变“硬”，而炭黑填充橡胶是“先变软后变硬”．(2)随着温度的升高，橡胶的迟滞损耗呈线性减小．(3)比较单向拉伸和应力松弛平衡点的应力应变曲线，填充橡胶“先变软后变硬”的温度转折点不同，这是由于应力松弛过程基本消除了粘弹性效应．     

水分及冻融循环对红砂岩物理力学特性的影响

将干燥红砂岩进行饱水及开放系统下的冻融循环实验,并对干燥、饱水及经历一定冻融次数后的试样进行单轴压缩实验,系统地研究了红砂岩的遇水软化性及冻融损伤劣化特性,分析了岩石的弹性模量、强度、应力-应变关系的变化规律。结果表明：在水分的作用下,红砂岩的弹性模量及强度显著降低,且强度受水分影响引起的损伤较弹性模量大;水分及软弱结构面的存在促进了岩石的冻融损伤劣化,并伴随着岩石延脆性性质的改变,最终在冻融循环的作用下完全崩解;在寒区岩体工程设计和施工过程中,必须考虑水分和温度对工程稳定性的影响,采取加强防排水及隔热保温技术等综合防治措施减少冻融灾害。     

特种泡沫塑料的动态力学性能研究

通过大尺寸分离式Hopkinson压杆对特种泡沫塑料进行了高应变率冲击实验，完整地给出了该材料在高应变率下的动态应力应变曲线，并将结果和理论上的Eyring模型进行了比较，指出了这种材料在一定的应变率范围内，具有明显的应变率效应，同时从应力应变曲线的特点来看，这种材料又有良好的吸能特性，最后通过对实验数据的拟合，提出了便于工程应用的动态本构方程。     

一种新的振动叠加气动耦合加载技术

飞机机动飞行时,机体结构受到随机振动叠加气动的耦合载荷作用,有可能迅速产生破坏。为了考核在这种振动环境下飞机的结构强度及使用寿命能否达到设计要求,需要提供有效的地面试验验证手段和可靠的试验数据。本文研究了一种振动叠加气动的耦合载荷加载技术,通过液压球头传递振动载荷,同时通过气囊施加气动载荷,并设计进行了原理性验证试验。试验结果表明,这种耦合载荷加载技术可以避免过多改变试件自身的振动特性,同时可精确实现振动叠加气动的耦合载荷加载,真实模拟试验件的振动工作环境。此项技术可应用于现代战机的地面结构强度研究。