安德烈·关纳

安德烈·关纳林天健（珠江水利委员会勘测设计研究院，广州５１０６１１）１９５９年１２月２日，当时世界上最薄的拱坝（坝高６６．５ｍ）马尔帕塞双曲拱坝溃决，全世界为之震惊．尽管失事后法国农业部曾两次组织专门委员会进行调查并提出报告，认为该坝的设计是正确的，...     

微纳成型力学

利用材料的塑性变形能力制造各种零部件被广泛应用于汽车、航空航天、消费电子和医疗设备等领域. 随着器件小型化的发展趋势, 开发新的微纳成型 (或微纳尺度塑性变形) 工艺成为制造业发展的核心问题之一. 近年来, 产业界和学术界对微纳成型技术进行了广泛的研究, 在开发微纳成型工艺、深入理解尺寸效应和变形行为等方面都取得了显著进展. 本文将聚焦不同材料体系如聚合物、非晶合金与晶体金属在微纳成型过程中的变形机理及其尺寸效应, 综述微纳成型技术的最新研究进展. 最后, 对金属微纳成型面临的技术挑战及其关键力学问题进行展望.      

纳料金属的力学性能

综述了纳米金属力学性能的研究进展,包括弹性模量、硬度与Hall-Petch关系、拉伸与压缩形变、蠕变与疲劳等力学性能的研究进展。      

通过毛细流动制备微纳粒子

回顾了若干能够将流体交界面拉伸至微米及更小尺度的毛细流动. 这些流动类型已经成为制备单分散性微-纳粒子技术的基础. 这些技术正引起人们的关注, 它们既能制造简单结构的粒子, 也能制造核-壳结构的粒子(微纳胶囊、同轴纳米纤维以及中空纳米纤维), 而且能够精确地控制粒子的平均尺寸. 本文还评述了流动的基本物理以及控制这些毛细流动的无量纲参数. 此外, 文中还给出一些实例, 介绍利用几种装置制备的不同类型粒子.     

三曝光三相关PIV技术研究

对不等间隔三次曝光单幅记录的PIV粒子图像,本文提出一和中三相关位移诊断方法,三相关函数有两个次大峰,且不对称地人布在最大峰两侧,本方法可同时获得位移值及判别位移方向,可有效解决位移方向二义性问题,对线性涡流模拟粒子图像,应用本方法进行粒子位移诊断,结果证实了本方法对含涡复杂流动速度方向判别的有效性。     

典型纳尺度结构的热振动

热振动是一定温度下纳尺度结构的固有运动,对其动力学行为有着重要的影响. 当空间进入纳米尺度,结构呈现离散性,量子效应、边界效应、范德华力等变得不可忽略,纳尺度结构在热噪声随机激励下的动力学行为表现出众多异乎寻常的特性. 以碳纳米管和石墨烯为代表的纳尺度碳材料具有优良的力学、电学和化学性质. 在此介绍多种针对纳尺度结构热振动问题的研究方法、及碳纳米管和石墨烯的低温热振动、碳纳米管的非线性热振动研究进展.     

能量法分析纳晶材料裂纹的萌生

利用能量守恒定律分析了纳晶材料裂纹在三晶交处的萌生,分别推导了纳晶材料中的特定旋转变形能、晶界滑移能、晶界扩散能,并运用最大等效裂纹能量释放率准则来判断纳晶材料裂纹萌生。结果表明：特定旋转变形、晶界扩散均能松弛裂纹尖端的应力,阻碍裂纹的生长;而晶界滑移使得晶界位错在三晶交处堆积,造成三晶交处的应力集中,促使裂纹的生长;稳定状态下,外力做的功等于由特定旋转变形、晶界滑移、晶界扩散造成的能量耗散。     

生物与仿生材料表面微纳力学行为

评述了国内外在生物材料表面微纳力学行为研究方面的若干分支,包括:生物材料的疏水特性、水面昆虫的浮水力学、生物材料表面的减阴特性、生物材料吸附与脱附微纳力学行为、以及表面疏水和吸附仿生材料的制备与应用,并注重分析了在微纳尺度上生物结构、生物材料、生物生存技能与生存需求等方面的多功能自然协同进化和优化.     

微纳尺度流动与界面流动专题序

<正>微纳尺度流动与界面流动是流体力学的重要分支学科^[1],其中微纳尺度流动关注微米、亚微米乃至纳米尺度下流体运动及物质输运规律,界面流动关注不同流体或流固界面之间的相互作用及流动规律.随着微流控芯片和微纳机电系统的发展,微纳尺度流动与界面流动已成为流体力学学科的重要前沿领域,并且涉及了流体力学与生命科学、材料科学、医疗健康、能源环境、先进制造等多学科领域的交叉融合.     

表面修饰PbS纳微粒的合成及其抗磨性

合成了二烷基二硫代磷酸修饰的ＰｂＳ纳米微粒，用透射电子显微镜和电子衍射对其形貌和晶体结构作了观察分析，通过四球试验考察了它有润滑油中的摩擦学行为。结果表明，这种微粒的粒径大都在３－５ｎｍ之间，具有方铅矿的晶体结构，其在液体石蜡中的抗磨性良好。     

纳/微米弹流油膜厚度测量系统

介绍了1种基于多光束干涉强度的弹流油膜厚度测量系统,包括其测量原理和测量系统的设计与组成.针对光弹流接触副,给出了简单易行的干涉级次判定方法.结果表明,该测量系统具有纳米量级的分辨率,可实现由纳米膜厚到微米膜厚的连续测量,适用于超薄弹流油膜厚度和微米级弹流油膜局部微小变化的研究.测量结果与已有的理论和研究结果吻合,证明了测量系统的可靠性.     

致密砂岩气藏纳微观结构及渗流特征

随着常规油气资源的减少,致密砂岩气藏逐渐成为勘探开发的热点.然而致密砂岩气高效产出机理研究还相对滞后,已经成为目前制约致密砂岩气大规模经济有效开发的瓶颈.致密砂岩由于其特殊的地质特征, 基质微观结构复杂,天然裂缝一定程度发育, 投产一般需要水力压裂等增产措施,气体在其中渗流存在跨尺度效应.研究揭示出致密砂岩气在多孔介质中的流动分为解吸、扩散、渗流等几个方式,包括浓度场下的扩散、压力场中的渗流等.综述了致密砂岩存在的非常规地质特征及其研究描述方法,并依据克努森数大小, 对致密砂岩气的渗流状态进行流态区域划分,为更好的理解和模拟致密砂岩气的流动状态提供了理论依据,并指出建立一种高效、简洁的微观结构精细描述方法,以及解决致密砂岩气在多尺度条件下的传质优化等是今后研究的重点方向.      

低轨纳卫星质量矩姿态控制技术研究

针对气动力矩严重影响低轨纳卫星姿态控制效果的问题,创新性地提出了利用质量矩技术将气动干扰转化为控制力矩的解决方法.由于气动力矩矢量垂直于大气来流速度方向,因而采用质量矩与磁力矩相结合的方式三轴全驱动控制卫星姿态,从而避免系统欠驱动. 建立双执行机构控制方式的姿态动力学模型,并根据各干扰项的影响简化了控制方程.针对气动力不确定、星体参数误差、未知环境影响等复杂干扰,设计了针对理想控制力矩基于干扰观测器的滑模控制器. 为减小滑块附加干扰力矩,研究了理想控制力矩的最优分配策略. 最后, 为双执行机构搭建了半物理仿真平台,结果表明: 姿态机动过程中, 与滑块加速度相关的附加惯性力矩远大于其他干扰项,最优力矩分配策略能够大幅减小快时变的附加干扰, 优化效果明显; 姿态保持过程中,干扰观测器能有效观测系统慢时变干扰, 提高滑模控制律的姿态控制精度,姿态角收敛误差小于$\pm $0.1$^\circ$.最终验证了在低轨纳卫星上利用质量矩技术控制姿态的可行性.      

微/纳尺度接触问题计算方法研究进展

接触问题广泛存在于现实生活的众多领域,近来随着微/纳米技术的不断发展,接触力学在基础理论和研究方法上面临许多新的挑战.本文在摩擦学的范畴内,对近年发展的若干求解微/纳尺度接触问题的计算方法及理论进行了综述.按发展先后及所解决问题的尺度范围划分,主要有3类评估微/纳尺度接触性能的计算方法:(1)连续介质力学方法;(2)分子动力学模拟; (3)多尺度方法.介绍了这3类计算方法的典型理论和主要数学描述,给出了这些方法对解决若干微/纳观接触问题如黏着效应、粗糙表面描述、表面摩擦及润滑、表面热效应、生物接触等的主要应用.最后, 探讨了微/纳尺度接触问题计算方法可能的发展方向及应用领域.      

微纳通道谐振器检测与表征中的动力学问题

微纳通道机械谐振器在液体环境中具有超高的谐振频率、品质因子和灵敏度,常用于液体环境中的高精度检测与表征,在生物、医药、化工等领域有着广阔的应用前景.微纳通道机械谐振器的检测与表征功能高度依赖其动力学特性,而此类器件是由谐振结构、内部流体、被检测物和外部激励等多因素组成的耦合系统,涉及的动力学问题较为复杂,已成为谐振器件研究中的前沿热点和瓶颈问题.本文综述了微纳通道机械谐振器的研究进展,总结了谐振器件实现高精度检测与表征功能时的动力学设计原理,详细讨论了谐振器件的稳定性、频响特性、能量耗散、频率波动等动态特性,阐明了不同动力学问题的物理机制及其对谐振器性能的影响规律,可为深入厘清微纳通道机械谐振器的动力学设计问题,提高器件动态性能提供理论参考和技术支撑,对超高频、超高灵敏度谐振器的设计、制造及应用发展具有重要意义.     

微纳通道谐振器检测与表征中的动力学问题

微纳通道机械谐振器在液体环境中具有超高的谐振频率、品质因子和灵敏度,常用于液体环境中的高精度检测与表征,在生物、医药、化工等领域有着广阔的应用前景.微纳通道机械谐振器的检测与表征功能高度依赖其动力学特性,而此类器件是由谐振结构、内部流体、被检测物和外部激励等多因素组成的耦合系统,涉及的动力学问题较为复杂,已成为谐振器件研究中的前沿热点和瓶颈问题.本文综述了微纳通道机械谐振器的研究进展,总结了谐振器件实现高精度检测与表征功能时的动力学设计原理,详细讨论了谐振器件的稳定性、频响特性、能量耗散、频率波动等动态特性,阐明了不同动力学问题的物理机制及其对谐振器性能的影响规律,可为深入厘清微纳通道机械谐振器的动力学设计问题,提高器件动态性能提供理论参考和技术支撑,对超高频、超高灵敏度谐振器的设计、制造及应用发展具有重要意义.      

氮化铬薄膜的径向纳动损伤机制研究

采用纳米压痕仪和曲率半径为20μm的金刚石球形压头研究了40Cr基体和CrNx薄膜的径向纳动行为,并探讨其损伤机制.结果表明：CrNx薄膜能够提高40Cr基体的抗压性能,提高其接触刚度,降低残余压痕深度,减少在纳动循环过程中的能量耗散;增大载荷或增加循环次数均可加剧材料的纳动损伤;40Cr基体的纳动损伤表现为压痕边缘的塑性堆积;而CrNx薄膜的纳动损伤由表面的径向和环向拉应力所引起,表现为环向裂纹和径向裂纹的萌生与扩展.     

微纳通道中牛顿及非牛顿流体流动分析

基于润滑近似理论,建立了毛细管力作用下牛顿及非牛顿流体在微纳米通道中的流动控制方程,其时间依赖性的接触角由实验数据拟合,弯月面曲率的变化规律可由其末点与初点曲率比值控制;并利用圆弧分割近似的方法得到不同时刻液体弯月面的动态变化,将该算法应用于求解牛顿流体酒精毛细作用下的液柱高度,结果与Hamraoui的实验吻合很好。该算法进一步扩展到求解非晶材料PC(聚碳酸酯)热压印过程中在微纳通道中的流动高度。通过模拟分析得知:当非牛顿指数n为0.715时,材料易流动且柱体高度上升快;Bond数为0.1时,毛细力对柱体弯月面的作用效果更强,弯月面高度值更大。     

含中心裂纹梯度纳晶金属的数值模拟

梯度纳晶金属由于其微观组织的梯度分布,力学属性也呈现梯度变化,这使得其表现出不同于传统均匀材料的断裂行为．利用材料力学参数的梯度分布来表征梯度纳晶金属中晶粒尺寸的梯度变化,并编写ABAQUS和MATLAB脚本程序建立分层有限元模型．通过数值模拟计算了含有初始中心裂纹的梯度纳晶金属在受远端均匀拉应力作用下的裂尖J积分,分别研究了屈服应力梯度、裂纹角度和裂纹长度对金属材料断裂韧性的影响,并与传统粗晶进行了对比．结果表明梯度纳米结构的存在导致梯度纳晶金属内部的中心裂纹两端表现出不同的断裂韧性,小晶粒一侧裂尖的抗裂韧性优于大晶粒一侧裂尖,且屈服应力梯度绝对值越大,两者差距越大．梯度纳晶金属的断裂韧性受中心裂纹角度和长度变化的影响与传统粗晶金属基本一致,同时在晶粒尺寸梯度的作用下梯度纳晶的裂尖J积分略低于粗晶,即整体上拥有更好的抗裂韧性．     

微/纳尺度粘着滑动接触的多尺度分析

采用分子动力学与有限元耦合的多尺度方法,求解二维刚性圆柱表面压头与弹性平面的微/纳尺度粘着滑动接触问题,通过与全分子动力学模拟结果的比较验证了多尺度方法的有效性。对压头半径、滑动速度、下压深度以及是否考虑粘着效应等对滑动接触性能的影响进行了全面研究,通过不同条件下摩擦力及接触力分布的比较,揭示了上述各参数对粘着滑动接触...