一维六方准晶中纳米尺度开裂孔洞的III型断裂力学

研究了一维六方准晶中纳米尺度开裂孔洞的Ⅲ型断裂力学问题。基于复变弹性理论和表面弹性理论获得了考虑表面效应时椭圆孔边裂纹的应力场、应力强度因子和能量释放率的解析表达;讨论了缺陷尺寸、裂纹/孔洞比、耦合系数和施加载荷对应力强度因子和能量释放率的影响。研究表明：考虑表面效应且缺陷的尺寸在纳米尺度时,声子场和相位子场的无量纲应力强度因子以及无量纲能量释放率具有明显的尺寸依赖;裂纹相对尺寸较小时,表面效应对声子场和相位子场的无量纲应力强度因子影响较小;纳米尺度时无量纲能量释放率随耦合系数的增加而增大;耦合系数一定时,无量纲能量释放率受到椭圆孔尺寸影响;随着声子场载荷的增大,无量纲能量释放率先减小后增加,最后趋于稳定;无量纲能量释放率随相位子场载荷的增大单调减小,非常小和非常大的声子场载荷(或相位子场载荷)屏蔽了相位子场载荷(或声子场载荷)的影响。     

一维六方准晶中纳米尺度开裂孔洞的III型断裂力学

研究了一维六方准晶中纳米尺度开裂孔洞的Ⅲ型断裂力学问题。基于复变弹性理论和表面弹性理论获得了考虑表面效应时椭圆孔边裂纹的应力场、应力强度因子和能量释放率的解析表达;讨论了缺陷尺寸、裂纹/孔洞比、耦合系数和施加载荷对应力强度因子和能量释放率的影响。研究表明：考虑表面效应且缺陷的尺寸在纳米尺度时,声子场和相位子场的无量纲应力强度因子以及无量纲能量释放率具有明显的尺寸依赖;裂纹相对尺寸较小时,表面效应对声子场和相位子场的无量纲应力强度因子影响较小;纳米尺度时无量纲能量释放率随耦合系数的增加而增大;耦合系数一定时,无量纲能量释放率受到椭圆孔尺寸影响;随着声子场载荷的增大,无量纲能量释放率先减小后增加,最后趋于稳定;无量纲能量释放率随相位子场载荷的增大单调减小,非常小和非常大的声子场载荷(或相位子场载荷)屏蔽了相位子场载荷(或声子场载荷)的影响。     

基于表面弹性理论的开裂椭圆孔断裂力学研究

研究纳米尺度时开裂椭圆孔的III型断裂性能。基于表面弹性理论和保角映射技术,利用复势函数理论获得了缺陷(裂纹和椭圆孔)周围应力场和裂纹尖端应力强度因子的闭合解答。所得结果具有一般性,许多已有和新的解答可由本文退化的特殊情形得到。利用解析结果讨论了缺陷的绝对尺寸、椭圆孔的形状比以及裂纹的相对尺寸对应力强度因子的影响。结果表明：考虑表面效应且缺陷尺寸在纳米尺度时,应力强度因子具有显著的尺寸依赖效应;应力强度因子随椭圆孔形状比的变化规律受缺陷表面常数的影响;缺陷表面效应的影响取决于椭圆孔的形状比,非常大的形状比屏蔽了表面效应的影响;裂纹相对尺寸非常小时表面效应影响较弱,裂纹相对尺寸较大时表面效应较为明显。     

磁电弹性体中纳米孔边任意位置贯穿裂纹的解析解

本文研究了反平面机械载荷、面内电载荷和面内磁载荷作用下磁电弹材料中含有纳米尺度孔边任意位置贯穿裂纹的Ⅲ型断裂力学性能.基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论考虑纳米缺陷(孔洞和裂纹)的表面效应,利用磁电弹理论和复变弹性理论获得了纳米缺陷表面为磁电不可通条件下磁电弹场的精确解,给出了贯穿裂纹两端裂尖的磁电弹场强因子的解析表达.所得结果与已有研究比较说明了本文方法的有效性.讨论了裂纹位置、裂纹相互作用与施加多物理场载荷对无量纲磁电弹场强因子的影响.结果表明：贯穿裂纹裂尖的无量纲磁电弹场强因子尺寸效应显著;缺陷表面效应对裂纹耦合尖端场的影响受裂纹位置的制约;无量纲磁电弹场强因子受贯穿裂纹两端的裂纹长度比与施加力电磁载荷的显著影响.     

梯度型非局部高阶梁理论与非局部弯曲新解法

针对文献中关于纳米结构刚度受非局部效应影响趋势的不一致预测,基于梯度型的非局部微分本构模型,利用迭代法及泰勒展开法求得了非局部高阶应力的无穷级数表达,非局部应力相当于经典弯曲应力与非局部挠度的逐阶梯度之和. 然后推导了梯度型非局部高阶梁弯曲的挠曲轴微分方程,并结合正则摄动思想,求解了非局部挠度的表达式. 最后给出数值算例,具体量化挠度受非局部尺度因子的影响大小. 研究表明:相比于其经典值,纳米结构的非局部弯曲挠度可呈现出或增大或减小或不变的趋势,考虑梯度型非局部高阶应力降低或提高或不影响纳米结构的刚度,具体结果依赖于外载和边界约束的类型. 算例显示外载形式和边界约束条件均各自独立地影响着纳米结构的非局部弯曲挠度,同时首次观察到非局部最大弯曲挠度的位置可能受非局部尺度因子的影响. 研究结论解决了非局部弹性力学应用于纳米结构的若干疑点,并为理论的发展和优化提供支持.      

金属基纳米复合材料等效弹性模量的均匀化方法数值模拟

均匀化理论利用位移场双尺度渐近展开建立有限元列式，本文将其与有限元通用程序相结合，应用于金属基复合材料的弹性本构数值模拟。通过对不同尺度增强相金属基复合材料等效模量的数值模拟，考察了均匀化方法的适用情况。数值计算结果表明，对常规尺度增强相金属基复合材料，均匀化方法可以较准确地预测其等效弹性模量；对纳米增强相金属基复合材料，该方法仍可给出较好的预测，但存在某种程度的系统偏差。通过对纳米尺度增强机理的分析讨论，认为纳米增强相与基体材料问的界面效应可能有别于连续介质假设，指出可以考虑采用离散原子-连续介质耦合模型改进数值模拟结果。     

原子尺度断裂模拟进展

材料/结构的断裂是一个多尺度过程,绝大多数断裂过程都涉及到原子键的断裂,因此原子尺度的演化对材料的宏观断裂行为有重要影响.随着实验技术的飞速进步,高清电子显微镜已经可以观察到原子尺度的裂纹,而计算能力的日渐强大使得原子尺度模拟成为揭示实验现象背后的断裂机制、研究众多典型纳米结构材料断裂行为的有力工具.在本综述文章中,首先介绍了原子尺度断裂模拟的加载方法,包括均匀加载、速度梯度加载、K场加载和静水应力加载,并综合对比了上述加载方法的适用范围,然后给出了基于原子尺度信息定量计算断裂韧性的方法,包括能量释放率法、线下面积积分法、临界应力强度因子法、原子尺度内聚力模型法和原子尺度J积分法.随后介绍了近年来有代表性的不同类型的纳米结构材料(包括单晶、多晶、孪晶等晶体结构,非晶结构,异质界面结构)断裂行为模拟研究,例如钝化处理的单晶硅太阳能电池裂纹抗力大大增加、锂离子电池中锂化浓度控制的硅电极韧脆转变、错配应力驱动界面自发分层一步制备大尺度纳米硅片.这些研究结果揭示了实验现象背后的机理,同时和实验结果的一致性也印证了原子尺度模拟的可靠性与准确性.最后强调了原子尺度模拟面临的一些问题和挑战,并对将来...     

脉冲放电止裂后裂尖处纳米尺度下的力学性能测试

应用扫描探针显微镜SPM(scanning Probe Microscopy)，对经过脉冲放电止裂后的40Cr模具钢裂尖处的组织进行了纳米尺度下的力学性能测试。测试结果表明：脉冲放电不仅使裂纹尖端钝化，同时使围绕裂尖处组织的细观硬度和细观杨氏弹性模量得到了提高，与宏观观测和分析规律相符，纳米尺度下微观力学性能测试结果为脉冲放电裂纹止裂技术的工程应用提供了微观尺度下的证据。     

气体动理学格式与多尺度流动模拟

介绍了气体动理学格式(GKS)的基本构造原理及其在两种典型多尺度流动模拟中的应用。GKS利用介观BGK方程的跨尺度演化解来构造网格界面上的数值通量,从而发展出能随计算网格尺度变化自动切换物理模型的多尺度方法。对湍流这种宏观多尺度流动,发展了高精度GKS方法并成功用于低雷诺数湍流的直接数值模拟;为实现对高雷诺数湍流的高效精细模拟,基于拓展BGK方程和已有的RANS,LES模型建立了新型多尺度模拟框架。对跨流域稀薄流动,发展了适合大规模并行的三维统一气体动理学格式(UGKS),并建立了适合轴对称稀薄流动的UGKS。研究表明,GKS在多尺度流动高效模拟中的优异性能,具有很好的发展前景。     

考虑稠密气体效应的微尺度气体轴承模拟

当气体流动区的局部压力升高到一定程度时,气体稠密效应对其输运特性的影响不可忽略,其影响可以用Enskog理论来描述。利用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法以及考虑气体分子稠密效应的衍生方法对气体粘度随特征尺度的变化规律和气体粘度随密度变化的规律进行了计算分析,在此基础上研究了考虑稠密效应的微尺度气体轴承的承载能力。计算结果表明,稠密效应在抵消掉气体稀薄效应的同时还改变了输运系数和气体薄膜的润滑特性,提高了气体轴承的承载能力。     

STABILITY OF ULTRATHIN LIQUID FILM EVOLUTION WITH SURFACTANT

针对固体基底上厚度小于100 nm的含活性剂超薄液膜演化过程, 基于润滑理论推导出包含分离压影响的液膜厚度和活性剂浓度的演化方程, 采用正则模态法导出了描述液膜线性稳定性的特征方程, 分析了多个特征参数对线性稳定性的影响, 数值模拟了液膜厚度和活性剂浓度演化历程, 对比了模拟所得非线性结果与线性分析预测结果的一致性.结果表明:范德华力具有促进扰动增长的作用, 较强的玻恩斥力促使扰动衰减, 使液膜趋于稳定;较小的毛细力数易使液膜凹陷处发生二次失稳, 并最终导致去润湿现象发生;液膜厚度和溶于液膜内部的活性剂浓度初值越大, 液膜稳定性越强, 液膜表面活性剂浓度影响则相反;增大吸附系数不利于液膜稳定性.     

Database for flows of binary gas mixtures through a plane microchannel

A binary mixture of rarefied gases between two parallel plates is considered. The Poiseuille flow, thermal transpiration (flow caused by a temperature gradient of the plates) and concentration-driven flow (flow caused by a gradient of concentration of the component species) are analyzed on the basis of the linearized model Boltzmann equation with the diffuse reflection boundary condition. The analyses are first performed for mixtures of virtual gases composed of the hard-sphere or Maxwell molecules and the results are compared with those of the original Boltzmann equation. Then, the analyses for noble gases (He–Ne, He–Ar and Ne–Ar) are performed assuming more realistic molecular models (the inverse power-law potential and Lennard-Jones 12,6 models). By use of the results, flux databases covering the entire ranges of the Knudsen number and of the concentration and a wide range of the temperature are constructed. The databases are prepared for the use in the fluid-dynamic model for mixtures in a stationary nonisothermal microchannel derived in [S. Takata, H. Sugimoto, S. Kosuge, Eur. J. Mech. B/Fluids 26 (2007) 155], but can also be incorporated in the generalized Reynolds equation [S. Fukui, R. Kaneko, J. Tribol. 110 (1988) 253] in the gas film lubrication theory. The databases constructed can be downloaded freely from Electronic Annex 2 in the online version of this article.     

聚合物刷水润滑条件下水膜厚度和摩擦学行为的相关性研究

利用表面引发原子转移自由基聚合技术(SI-ARTP)在钢球和玻璃盘摩擦副表面分别接枝亲水性聚合物刷-聚甲基丙烯酸-3-磺酸丙酯钾盐(PSPMA),去离子水作为润滑剂,在球-盘式摩擦试验机和纳米级薄膜厚度测量装置上开展了其宏观摩擦学性能研究,探讨了流体动压效应介入下的聚合物刷水润滑机理. 利用光干涉技术观察了低卷吸速度下(4 mm/s)接触区域水膜分布情况,发现滚道两侧水膜的形状由初始状态的圆形随着时间逐渐沿着卷吸方向分布,证实了聚合物刷通过不断捕获周围的水分子形成了1层稳定的水膜;通过控制卷吸速度从1 mm/s连续增加512 mm/s实现了润滑状态的转变,低卷吸速度时处于薄膜润滑状态,膜厚不依赖于速度且稳定在35 nm左右,接触区内有效水膜的建立归功于聚合物刷的水合效应;当速度大于32 mm/s时处于弹流润滑状态,膜厚的测量值高于等黏弹膜厚公式的预测值(2~12 nm)和水合效应促成的膜厚值(约35 nm)之和,这意味着在流体动压润滑作用下聚合物刷表现出了优异的润滑增强作用, 是水合效应和流体动压效应协同作用的结果.      

进口润滑条件对活塞环-缸套摩擦副润滑性能的影响

目前内燃机活塞环-缸套摩擦副润滑分析中,活塞环与缸套之间的润滑状态一般假设为充分润滑或固定状况的贫油润滑,不是通过对实际润滑油膜形成情况的分析确定.本文中以一多缸四行程内燃机为研究对象,基于润滑油流量以及控制体体积变化方程,建立活塞环-缸套间润滑油的流动模型,进行了不同进口处润滑油膜供给量对活塞环-缸套摩擦副润滑特性的影响分析.结果表明:活塞环进口处的润滑条件对活塞环-缸套摩擦副的润滑性能有显著影响;进口处润滑油供给量增加,活塞环-缸套摩擦副的最小油膜厚度增加,最大油膜压力、微凸体作用力、摩擦力和功耗均相应减小;进口处供给油膜厚度较小的情况下,增加油膜供给厚度可以明显改善活塞环-缸套摩擦副的润滑性能.     

螺旋槽端面微间隙高速气流润滑密封特性

考虑入口气流压力损失和出口阻塞效应,建立了微间隙端面高速气体润滑密封分析数学模型,对螺旋槽端面微间隙高速气流润滑密封特性进行研究.重点分析了不同密封间隙、密封压力和转速等工况条件下,入口压力损失和出口阻塞效应对开启力、泄漏率及气膜刚度等密封特性参数的影响规律.结果表明:高速气体阻塞效应使出口压力高于环境压力,压力损失使入口气膜压力下降,导致泄漏率和气膜刚度明显下降,并使开启力增加.随着密封压力和密封间隙的增加,阻塞效应增强,导致泄漏率和气膜刚度显著降低.密封压力10 MPa时,泄漏率降低可达20%,气膜刚度的下降可达30%以上.     

关于椭圆接触弹流润滑Hamrock-Dowson膜厚公式的再思考

使用常用的Hamrock-Dowson公式计算椭圆点接触中心油膜厚度时发现:当维持接触区中心赫兹压力为常数,增加椭圆比k_e超过一定值时,得到的中心膜厚不升反降,这与其物理本质相悖. 应用有限单元法重新对等温椭圆接触弹流润滑问题进行了数值计算,提出新的表征椭圆接触的综合几何参数. 在较大的速度和载荷范围内下,依据数值计算结果,拟合出修正端泄因子和修正中心膜厚公式. 修正公式与数值计算结果相吻合,且正确地表达了膜厚与椭圆比的关系.      

纳米薄膜润滑物理—数学模型及数值分析

基于润滑剂分子通常具有链状结构的事实，在分析润滑剂分子链长同膜厚关系的基础上，建立了纳米薄膜润滑物理模型，并利用含旋转量的流体力学运动方程得到了相应的Reynolds方程，同时对薄膜润滑Reynolds方程进行了数值计算，以考察特征长度对薄膜润滑状态参数的影响。结果表明，同相应的厚膜解相比，薄膜模型中润滑剂的粘度及承载能力均明显提高，且其提高幅度随着特征长度的增大而增大。根据润滑剂分子链长度确定的薄膜润滑区间以及膜厚－速度关系数值解同相应的试验结果一致。     

考虑滚道表面油层分布的滚动轴承润滑分析

研究表明供油量对弹流润滑性能产生显著影响.滚动轴承中由于离心力和滚动体的反复滚压,滚道表面上的润滑剂呈现出非均匀分布的特点.大多数润滑剂被推挤到滚道的两侧,致使接触区的入口间隙不能被完全充满,导致乏油润滑,滚动体与滚道间接触压力接近于赫兹压力分布,膜厚较全膜润滑有明显的减小.本文基于润滑剂的流量连续建立滚道表面油层厚度分布模型,考虑润滑接触压力的影响,计算滚道上的侧流量以预测轴承滚道上补给油层厚度及形状随时间的变化规律;进而以此作为滚动体和滚道接触区的入口油层厚度,采用统一Reynolds方程法数值模拟计算每个时刻轴承滚道与滚动体之间的润滑油膜厚度,压力分布等参数,分析轴承在点接触乏油条件下运行的润滑性能.     

微纳米结构壁面对流场及动压润滑的影响研究

固体边界具有的微纳米结构将影响流体在近壁面处的流动行为,进而由于尺度效应改变流体在整个微间隙的流动或润滑规律.将壁面可渗透微纳米结构等效为多孔介质薄膜,采用Brinkman方程来描述流体在近壁面边界渗透层内的流动,并将其与自由流动区域的不可压缩流体Navier-Stokes控制方程耦合,在界面处的连续边界条件下求解和分析了速度分布规律和压力变化规律.针对恒定法向承载力的油膜润滑条件,进一步讨论了静止表面或运动表面的微纳米结构对近壁面流动行为的影响;并揭示了考虑壁面微纳米结构的流体动压润滑的油膜厚度和摩擦系数的变化规律.论文结果为具有可渗透微结构表面的微间隙流动与润滑提供了理论参考.     

粗糙表面滑动轴承非牛顿介质润滑的计算

分析了轴承润滑中非牛顿介质的流变特性以及轴承表面形貌对润滑效果的影响,推导出了修正的雷诺方程,在方程中用差分粘度和第一正应力差函数表征非牛顿介质的流变特性,采用流量因子表征表面形貌的作用.结果表明:差分粘度的变化是影响润滑结果的主要因素,它取决于不同介质的动态参数和剪切频率范围,非牛顿介质润滑的承载力并非总高于或低于牛顿介质;在动载荷条件下,第一正应力差效应使油膜压力明显增大;影响流量因子的2个因素为表面形貌的粗糙度和纹理,但其作用远小于非牛顿介质流变特性的影响.