Influence of water molecule diffusion resistance force on electro-actuating characteristics of ionic polymer-metal

基于Tadokoro理论模型,采用有限元方法对离子交换膜金属复合材料 (ionic polymer metal composite, IPMC)的电致动特性进行了数值模拟. 通过比较求解控制方程中不考虑水分子扩散阻力和考虑水分子扩散力的两种计算模型, 着重探讨和比较了水分子扩散阻力对钠离子携带周围水分子的迁移运动规律和变形过程中各 个特征物理量的影响. 结果表明,控制方程中增加水分子扩散阻力这一非线性项,对最终的 宏观挠曲位移影响并不明显;但是对于钠离子浓度、等效应变、内部平衡力分布等物理量影 响很大;这种影响还具有区域性特征,主要集中于电极板附近区域,其他区域影响较弱. 控 制方程中增加水分子扩散力可以更准确地描述钠离子在迁移过程各物理量的变化规律.     

相对湿度对材料表面粘附力影响的研究

利用自制微摩擦及粘附力测试装置考察了在微载荷条件下,相对湿度对Si(100)材料表面粘附力的影响,分析了在大气环境中水分子的毛细作用力和范德华力对粘附力的贡献,并以BET吸附模型为基础推导出考虑湿度影响的粘附力计算公式.结果表明:在微载荷条件下,相对湿度对材料表面的粘附力影响十分显著,随着相对湿度升高粘附力增加,特别是相对湿度RH在40%～80%之间时,粘附力变化最为显著;当相对湿度RH小于20%时,范德华力大于水的毛细作用力且占主导地位;当相对湿度RH大于20%后,水分子的毛细作用力不断增加,同时范德华力因水膜的存在而降低,水的毛细作用力占主导地位.     

饱和砂土中泥浆渗透的变形-渗流-扩散耦合计算模型

传统的泥浆渗透计算中没有考虑土体变形和浆液流速的影响.根据泥浆颗粒的质量守恒定律推导了耦合流速的浓度扩散方程,并通过在浓度方程中引入沉积系数进一步计算得到沉积颗粒的质量;同时,以沉积量作为耦合项对毕奥固结方程中的水量连续方程进行了修正,在此基础上建立了变形-渗流-扩散耦合的控制方程及其变分原理. 采用有限单元法求解基本方程,运用了时间增量法与直接迭代法,并利用一维试验验证计算方法的可靠性,并与赫齐格的经典模型的计算结果进行了比较,结果表明,本文建立的模型的计算结果可以较好地预测各组试验中颗粒的沉积规律,且吻合程度优于仅考虑颗粒对流和扩散的传统计算方法. 最后,将泥浆在槽壁中的渗透简化为二维问题并进行了计算,计算结果与工程认识相符合,泥浆的沉积填充效应随深度的增加而增大,施工时需要严格控制浅层作业段的机械垂直度;成槽机的下斗抓挖时机可以根据地层填充的致密程度进行计算,对现场施工具有一定的指导意义.      

饱和多孔黏弹地基热-水-力耦合动力响应分析

天然土体由于沉积条件和应力状态不同, 往往会表现出一定的流变性. 本文研究地基上表面受外载荷作用时, 渗透系数和孔隙率变化对饱和多孔黏弹性地基热-水-力耦合动力响应问题的影响. 基于Biot波动方程、达西定律和Lord-Shulman广义热弹性理论, 并引入了考虑黏弹性松弛时间因子的Kelvin-Voigt黏弹性模型研究地基上表面受热/力源作用时, 孔隙率和渗透系数变化对均质各向同性饱和多孔黏弹性地基中所考虑的各无量纲量的影响. 根据不同的边界条件采用正则模态法推导出无量纲竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度的解析表达式, 结合算例分析了不同变量对各物理量的影响. 正则模态法是一种加权残差法, 可不经正、反积分变换将方程快速解耦并消除数值反变换的局限性. 结果表明: 无论何种载荷作用时, 载荷频率变化对所有考虑的物理量均有明显的影响; 孔隙率和渗透系数均对无量纲超孔隙水压力有明显的影响, 当仅考虑热载荷作用时, 孔隙率和渗透系数变化对无量纲温度均无影响. 正则模态法可广泛应用于岩土工程领域, 尤其适用于商业建筑、高速铁路和公路能源基础的热、力学特性研究中. 该研究结果可为工程施工奠定一定的理论基础, 具有一定的指导性意义.      

具有表面效应的球形纳米电极颗粒中的反应-扩散-力学全耦合分析

表面效应在纳米电极颗粒中占有主导地位,论文首先建立了锂离子电池充放电过程中考虑表面效应的反应-扩散-力学全耦合模型;然后对比了有无表面效应对锂离子浓度、径向应力和环向应力的影响;最后探讨了反应系数和尺寸效应对浓度和扩散诱导应力的影响.数值结果表明表面效应随着充电时间的增加逐渐减小直至充电结束趋于稳定;表面压效应对本模型的浓度无影响但抑制了扩散诱导应力的增加;较慢的化学反应和较小的纳米电极颗粒尺寸可抑制电极应力的增加.     

超短激光脉冲加热薄板的广义热弹扩散问题

由于超短激光脉冲具有功率密度高、持续时间短、加工精度高等优势, 近年来被广泛应用于超精细加工、光学储存和微电子器件制造等领域. 本文基于L-S型广义热弹扩散理论, 建立了考虑材料记忆依赖效应和空间非局部效应的记忆依赖型非局部广义热弹扩散耦合理论, 它能够准确预测几何尺寸与内部特征尺寸相近结构的热弹扩散瞬态响应. 推导了所建理论的控制方程, 并基于拉普拉斯积分变换获得了控制方程的解. 作为算例, 利用所建理论和求解方法研究了半无限大薄板受非高斯激光脉冲加热和化学冲击联合作用下的热弹扩散瞬态响应问题, 得到了薄板的温度、化学势、位移、应力和浓度等随非局部参数、热时间迟滞因子和扩散时间迟滞因子等参数变化的分布规律. 结果表明: 传热对传质影响显著, 传质对传热影响甚微; 非局部参数对位移、应力影响显著, 对温度、化学势和浓度几乎没有影响. 该理论及求解方法的建立, 旨在实现材料在机械、热、化学势等冲击作用下传热传质瞬态响应的准确预测.      

含界面脱粘压电复合材料层合板的非线性动力稳定性分析

基于Reddy提出的板高阶剪切变形简化理论,研究了含界面脱粘损伤压电复合材料层合板非线性动力稳定性问题.首先,建立了分层模型,推导了考虑几何非线性、阻尼效应、纵向惯性力和力-电耦合效应的Mathieu方程,并且给出了该方程解的解析表达式.其次,通过典型算例讨论了界面脱粘损伤以及反馈控制力对该层合板动力不稳定区域、纵向、横向共振频率和最大"牵引"深度的影响.由典型算例讨论可知:随着层合板界面脱粘损伤的扩大,其动力稳定性能逐渐减弱,其中在损伤较小时,反馈控制力对智能结构几乎没有影响;而在损伤比较大的情况下,反馈控制力将能有效地减少动力不稳定区域重合面积.     

荷载作用下多孔饱和地基的热-水-力耦合动力响应分析

基于广义热弹性理论,结合达西定律,对Biot波动方程进行修正,研究了一个受到荷载作用的多孔饱和地基的热-水-力多场耦合动态响应问题。建立了多孔饱和地基在荷载作用下的热-水-力耦合模型及控制方程,该模型可退化为热弹性耦合模型。采用正则模态法求解,得到了问题的解析解,讨论了热-水-力耦合模型和热弹性耦合模型的区别,分析了荷载频率变化对地基中各物理量的影响。最终给出了无量纲的竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度等物理量的分布规律。     

考虑非局部效应和记忆依赖微分的广义热弹问题

现有的广义热弹理论主要适用于求解时间尺度极短但空间尺度仍属宏观尺度的广义热弹问题的动态响应,而当所研究的弹性体的特征几何尺寸也属微尺度时,弹性体的力学响应将呈现出强烈的尺寸相关性,现有的广义热弹理论不再适用. 本文基于通过非局部效应和记记依赖微分修正的广义热弹性理论,研究了两端固定、受移动热源作用的有限长热弹杆的动态响应. 建立了问题的控制方程,给出了问题的初始条件及边界条件,运用拉普拉斯变换及其数值反变换,对方程进行了求解. 数值计算中,首先考察了时间延迟因子对模型所预测各物理量分布的影响;然后对比了模型中的时间延迟因子在两种不同类别核函数下(通过归一化条件修正和未修正形式)对各物理量分布的影响效应;最后考察了考虑新的可以描述尺寸效应的非局部因子对无量纲温度、位移及应力的影响,并用图形进行了示例. 结果表明, 时间延迟因子增大,各物理量的峰值变大,传播距离变小,且时间延迟因子在归一化条件修正过的核函数下影响更加显著;非局部参数几乎不影响无量纲温度的分布,轻微影响无量纲位移的分布,但对无量纲应力的峰值的影响显著.      

应力诱发界面扩散下夹杂演化的有限元模拟

应力作用下内连导线中的夹杂等缺陷会迁移和变形,从而影响电子器件的可靠性.论文基于应力诱发表面扩散机制下的弱解描述,推导了固-固界面在界面扩散机制下的有限单元控制方程,并数值分析了应力诱发界面扩散下金属内连导线中夹杂的形貌演化.研究结果表明:在拉压应力下,夹杂会发生分节或者圆形化;在双向等值拉应力下,夹杂存在着沿长轴生长...     

ON THE FORCE DECOMPOSITIONS OF LIGHTHILL AND MORISON

Lighthill's assertion that the viscous drag force and the inviscid inertia force acting on a bluff body immersed in a time-dependent flow operate independently is not in conformity with the existing exact solutions and experimental facts. The two force components are interdependent as well as dependent on the parameters characterizing the phenomenon: the rate of diffusion of vorticity, relative amplitude of the oscillation, and the surface roughness.     

Effects of turbulent coherent structure on plume diffusion in atmosphere boundary layer

The simulation tests of plume diffusion have been carried out in an open water channel, in which a Laser Doppler Velocitymeter, optical concentration measurement and flow visualization technology have been used. Through experiments and theoretical analyses, the effects of environmental wind field, surface roughness and discharge condition of elevated source on plume diffusion have been investigated. The plume diffusion mechanism has been elucidated reasonably, based on the turbulent coherent structure theory.     

Unsteady mixed convection over two-dimensional and axisymmetric bodies

The unsteady laminar incompressible mixed convection flow over a two-dimensional body (cylinder) and an axisymmetric body (sphere) has been studied when the buboyancy forces arise from both thermal and mass diffusion and the unsteadiness in the flow field is introduced by the time dependent free stream velocity. The nonlinear partial differential equations with three independent variables governing the flow have been solved numerically using an implicit finite-difference scheme in combination with the quasilinearization technique. The results indicate that for the thermally assisting flow the local skin friction, heat transfer and mass diffusion are enhanced when the buoyancy force from mass diffusion assists the thermal buoyancy force. But this trend is opposite for the thermally opposing flow. The point of zero skin friction moves upstream due to unsteadiness. No singularity is observed at the point of zero skin friction for unsteady flow unlike steady flow. The flow reversal is observed after a certain instant of time. The velocity overshoot occurs for assisting flows.     

基于FPK方程的减摆器的非线性阻尼测试方法

受高斯白噪声外激的一阶非线性动力学方程能通过求解对应的FPK方程得到精确稳态解．本文基于这一结果导出减摆器非线性阻尼力与系统速度输出的概率结构的关系,将动力学系统中非线性阻尼力参数的测试问题转化测量系统的概率结构,并通过仿真进行了验证．     

Diffusion of magnetic nanoparticles in a multi-site injection process within a biological tissue during magnetic fluid hyperthermia using lattice Boltzmann method

In this study the lattice Boltzmann model (LBM) has been used to simulate diffusion of magnetic nanoparticles (MNPs) injected at multiple sites inside a biological tissue during magnetic fluid hyperthermia (MFH). To validate the numerical results, diffusion in infinite one and two dimensional domains have been compared with the analytical solutions. Agreement were excellent. Also diffusion of a water based nanofluid containing magnetite MNPs (ferrofluid) for mono and multi-site injection in the tissue has been studied. Moreover, the effects of ferrofluid injection volume as well as infusion flow rate of ferrofluid on the distribution of MNPs have been investigated.     

The effect of water diffusion on the adhesion of organosilicate glass film stacks

Organosilicate glass (OSG) is a material that is used as a dielectric in advanced integrated circuits. It has a network structure similar to that of amorphous silica where a fraction of the Si-O bonds have been replaced by organic groups. It is well known from prior work that OSG is sensitive to subcritical crack growth as water molecules in the environment are transported to the crack tip and assist in rupturing Si-O bonds at the crack tip. In this study, we demonstrate that exposure of an OSG containing film stack to water prior to fracture results in degradation of the adhesion of the film stack. This degradation is the result of the diffusion of water into the film stack. We propose a quantitative model to predict adhesion degradation as a function of exposure time by coupling the results of independent subcritical crack growth measurements with diffusion concentration profiles. The model agrees well with experimental data and provides a novel method for measuring the water diffusion coefficient in film stacks that contain OSG. This study has important implications for the reliability of advanced integrated circuits.     

具有基础隔振器结构在风载激励下的振动响应分析

具有分段线性特征的随机振动系统能借助于马尔柯夫扩散过程理论精确积分，并由此产生多维分布密度及统计量，本文应用这种协方差分析法确定具有基础隔振器的高层建筑在脉动风和平均风共同作用下结构响应统计量和多维分布密度。     

翼型绕流的电磁力控制

将表面包覆电磁激活板的翼型,按一定的攻角,置于流动的弱电介质溶液中,电磁激活板可产生作用于流体的切向电磁力(Lorentz力),从而改变流体边界层的结构. 在转动水槽中,对翼型绕流及电磁力控制下的绕流形态进行了实验研究. 结果表明,未加电磁力时,前缘涡的脱落点是不确定的,与流场具体条件有关,而后缘涡仅在尖角处脱落. 前缘涡与后缘涡相互影响,并周期性的脱体,在尾部形成涡街. 施加电磁力后,当力的方向与流动方向相同时,可以在一定程度上抑制分离,消除涡街,其效果与减小攻角类似. 加反向电磁力时,则相当于加大攻角,在翼型体的背风面形成涡街.