锌空气电池电极表面渗液现象的研究

渗液问题是锌空气电池的主要问题之一.本文通过如下实验:聚四氟乙烯膜(PTFE,poly tetra fluoro ethylene)表面特性实验、电池风冷放电、空气电极电压实验和类列斯实验,对可能影响电池渗液的因素进行了研究.这些因素包括:PTFE膜、温度、电压、电荷总量、电解质溶液.实验结果表明:PTFE膜经过KOH溶液浸泡一段时间后,其接触角会显著变小,疏水性变差;温度和电压会对渗液现象产生影响;在各类电解质溶液中,KOH溶液渗液最严重;放电过程中的电荷总量对渗液问题基本没影响.实验结果分析得出,这类电池渗液主要是由于上述因素导致电解液表面张力变化,引起气液界面移动导致的.     

基于数据驱动的大气压射频放电等离子体数值模拟研究

随着人工智能技术的进步,结合低温等离子体的物理特点,数据驱动技术由于其独特的优势在低温等离子体的研究中正逐渐兴起.本研究以深度神经网络(DNN)模型在大气压射频放电中的计算研究为例,讨论了数据驱动方法在低温等离子体模拟研究中的应用.对于低温等离子体的研究而言,数据驱动研究所需要的数据可以来自于实验诊断和数值计算,根据等离子体物理特性的不同也可以选择不同的数据驱动模型.粒子模型与流体模型是低温等离子体研究中常用的两类计算模型,基于这两者的模拟数据组成的训练集, DNN可以实现对大气压射频放电的动理学特性等各种特性的实时预测.首先通过将流体模型与粒子模型计算结果与DNN模型的预测结果相比较,验证了DNN模型在给定精度下的有效性.然后基于流体模拟数据,利用DNN探究了α和γ模式下输入电流密度和放电间隙对大气压射频放电特性的影响,最后借助于粒子模拟数据构建的训练集,讨论了大气压射频微放电的频率效应,特别是电子能量分布函数(EEDF)的演化.预测结果表明,经过大约1 h的训练后, DNN只需要耗时0.01 s左右就能以极高的计算精度(与数值模拟之间的相对误差小于0.5%)获得电子密度、电场强度和...     

金属材料层裂再压实的模拟研究

激波在自由面卸载后金属内部经常出现层裂现象。若金属内层裂区再次受到冲击加载,则处于拉伸稀疏状态下的金属会逐渐被再次压实为密实介质,直至层裂区消失、再压实过程完成。由于金属层裂区初始拉伸状态的复杂性及再压实后物质状态的不确定性,复杂加载情况下宏观模拟该问题的可靠性验证存在困难。目前,在实验诊断难以准确给出金属层裂区进入再压实过程的初始状态及再压实状态的情况下,具有层裂区内部细节描述能力的直接数值模拟成为了验证宏观模拟可靠性的一种有效手段。首先,在直接数值模拟建模中将金属层裂区初始拉伸状态建模为仅含层裂片、仅含孔洞、同时含有孔洞与层裂片3类情况。然后,通过不同孔隙度、再压实速率、层裂片数及孔洞数下的直接数值模拟,统计得到了对应工况下金属层裂区的再压实状态。最后,在保证直接模拟与宏观模拟具有良好可比性的情况下,对层裂再压实过程进行了宏观建模及模拟分析。分析认为:在宏观网格断裂后处理算法使用全应力置零和温度不变的情况下,宏观模拟能够较好地模拟稀疏区内含层裂片情况下的金属层裂再压实过程及再压实状态;若金属层裂区内部以仅含孔洞的初始状态进入再压实过程,则无论孔洞塌缩是否形成界面喷射,宏观模拟均无法较好模拟该层裂再压实过程及再压实状态。     

沥青路面弹塑性动力响应分析

采用弹塑性理论,建立了沥青路面弹塑性动力响应分析的三维有限元模型,利用有限元法分析了沥青路面的弹性和弹塑性动力响应、以及弹塑性状态下层间接触对沥青路面力学性能的影响．结果表明：在相同条件下,沥青路面为弹塑性状态时得到的弯沉和最大主应变均比弹性状态时大;卸载后,弹塑性状态时存在残余变形,说明沥青路面的弹塑性动力学响应分析得到的结果和路面实际情况较符合;沥青路面在弹塑性状态下,层间完全光滑时其弯沉是完全连续时的6 倍,上面层最大竖向应变是层间连续时的3.7 倍,下面层处最大竖向应变是层间连续时的2.3 倍;卸载后,层间完全光滑时,面层A 点与B 点均存在残余应变;随着层间摩擦系数的增大,路面弯沉值减少,说明在弹塑性状态下,层间接触状态对沥青路面的动力响应有较大影响．     

帘线角对子午线轮胎力学性能的影响——基于含复杂花纹的轮胎有限元静力分析研究

使用组合模型技术构建了计及复杂胎面花纹且具有不同带束层帘线角的一系列轮胎有限元模型,所有模型沿轮胎周向的网格均是非均匀划分的,在接地区划分得较精细以得到更精确的分析结果;使用多种试验结果与计算结果对比的方法对模型和算法进行了较充分的考评;在此基础上研究了带束层帘线角对静负荷状态下轮胎结构力学性能的影响.研究结果表明,轮胎径向刚度随帘线角的增加而减小,并在帘线角超过25.4°后急剧减小;胎肩部橡胶危险区域的应力应变水平随帘线角的增加先增加后减小,并均在19.4°附近达到最大值.此外,带束层帘线沿横向变角度铺设的轮胎具有较好的力学性能,在保证较高径向刚度的同时,改善了带束层帘线和胎肩部橡胶的受力状况.     

循环冲击层理煤岩动力学行为及破坏规律研究

为研究复杂地况下含特征层理煤岩的动态力学行为,采用■50 mm分离式霍普金森压杆实验系统,对含层理(0°、30°、45°、60°、90°)煤岩进行动态三轴循环冲击实验研究,并结合3D轮廓扫描仪量化其断裂界面,分析层理效应和围压效应对煤岩动态力学特性及其损伤破坏规律的影响。研究表明：围压的施加使煤岩应力-应变曲线出现弹性后效现象;较无围压状态,抗压强度提高3.9～4.2倍,失效应变增大2.59～3.05倍。随着层理角度的增大,煤岩的动态抗压强度、弹性模量和能量透射率均呈现先降低后升高的U形分布,在层理角为45°时均达到最小值;能量吸收率和断面粗糙度呈现先增大后减小的∩形分布,损伤变量呈现N形分布,在层理角为45°时达到最大值。煤岩的损伤破坏特征随层理角度的变化可概括为张拉破坏（0°）-剪切破坏（30°、45°和60°）-劈裂破坏（90°）的演变过程,所得特征规律可为实际复杂环境下煤层气资源安全高效开采提供理论支持。     

THEORETICAL NONLINEAR ANALYSIS OF A BIOMIMETIC TUNABLE LENS DRIVEN BY DIELECTRIC ELASTOMER 1)

介电弹性体 (dielectric elastomer) 是电活性聚合物智能材料的一种,在外加电场作用下,可产生多种形式的响应.在驱动柔性透镜的变焦方面,相对于传统的机械操控变焦方法 显示出独特的优势.针对一款在电压激励下可高效调节焦距的介电弹性体仿人眼变焦透镜,该透镜由上下两层介电弹性薄膜和固定框架构成,并在封闭腔内充入盐水,上层薄膜涂覆环形柔性电极.在电压激励下,上层膜发生变形,由于盐水的体积保持恒定,引 起下层膜随之变形,使得透镜的焦距发生改变.采用 neo-Hookean 模型,利用变分原理导出了该透镜的控制方程、边界条件和连 续条件.利用打靶法求解了该非线性问题并高效地处理了非线性问题的界面连续条件. 理论分析结果与实验结果相吻合. 利用此模型开展了广泛的参数分析,研究表明,透镜的几何形状、初始焦距、介电弹性体薄膜的预拉伸率、涂覆的电极面积、材料的剪切模量等对透镜焦距的调节性能都有重要的影响.所建立的理论分析模型可为柔性仿生透镜的设计和参数优化提供有效的分析方法.     

一种新型介电弹性体仿生可调焦透镜的变焦分析

介电弹性体 (dielectric elastomer) 是电活性聚合物智能材料的一种,在外加电场作用下,可产生多种形式的响应.在驱动柔性透镜的变焦方面,相对于传统的机械操控变焦方法 显示出独特的优势.针对一款在电压激励下可高效调节焦距的介电弹性体仿人眼变焦透镜,该透镜由上下两层介电弹性薄膜和固定框架构成,并在封闭腔内充入盐水,上层薄膜涂覆环形柔性电极.在电压激励下,上层膜发生变形,由于盐水的体积保持恒定,引 起下层膜随之变形,使得透镜的焦距发生改变.采用 neo-Hookean 模型,利用变分原理导出了该透镜的控制方程、边界条件和连 续条件.利用打靶法求解了该非线性问题并高效地处理了非线性问题的界面连续条件. 理论分析结果与实验结果相吻合. 利用此模型开展了广泛的参数分析,研究表明,透镜的几何形状、初始焦距、介电弹性体薄膜的预拉伸率、涂覆的电极面积、材料的剪切模量等对透镜焦距的调节性能都有重要的影响.所建立的理论分析模型可为柔性仿生透镜的设计和参数优化提供有效的分析方法.      

基于可逆畴变的压电圆环多层致动器应变响应研究

压电致动器在现代工业中发挥着非常重要的作用。然而，目前应用的压电致动器均是基于线性压电效应，最大应变一般只有0.1-0.15%，实现大的致动应变一直是该领域学者追求的目标。本文中，我们提出了两种经过特殊设计的基于可逆非180°电畴翻转的PZT圆环多层致动器，一种是径向极化、部分电极（RPPE）的4层圆环，另一种是周期性正交极化（POP）的4层圆环，以期能够实现大的致动应变，而且圆环构型层数增加时也不容易发生失稳等问题。实验结果表明，在相同的驱动电场（2kV/mm，0.1Hz）下，4层RPPE最大致动应变为0.27%，约为普通PZT圆环的2倍，但表面变形很不均匀。相比之下，4层的POP圆环致动器的最大输出应变为0.36%，是普通PZT圆环的2.7倍。这两种致动器的致动应变都是随着频率的增加而减小， RPPE致动器在超过1Hz后稳定在0.19%， POP致动器在超过5Hz后稳定在0.2%。而且， POP圆环致动器重复性能很好，经过2万次致动循环后致动应变几乎不变。这种POP PZT多层圆环致动器具有结构稳定、输出应变大等优点，在致动领域具有很好的应用前景。     

片状颗粒间液桥力变化规律的计算研究

研究颗粒间液桥力有助于揭示非饱和土持水特性的内在机理. 为探究片状颗粒间液桥力演化规律, 从细观尺度研究非饱和土的水力特性机理, 使用Surface Evolver软件在两平行的片状颗粒间构建出三维液桥模型, 分析了液桥拉伸过程中接触角、液桥体积、分离距离以及固液接触线钉扎效应等对液桥力变化规律的影响. 基于圆弧假定, 计算相应条件下液桥力以及接触半径的大小, 并与上述模拟结果进行对比分析. 结果表明: 片状颗粒间液桥力随液桥体积增大而递增, 随分离距离的增大而递减, 随固液接触角的增大先增后减或一直递减; 液桥体积一定时, 在钉扎状态下, 其液桥力随着分离距离的增大迅速递增达到峰值, 而后逐渐降低; Surface Evolver模拟与液桥界面环形近似的计算结果相对比, 当固液接触角较大时(θ = 60°和θ = 80°), 二者相对误差在6%以内, 而当固液接触角减小到30°及以下时, 相对误差随之增大, 且颗粒间分离距离越大, 相对误差越大.