空间薄膜结构的褶皱研究进展

大型柔性薄膜结构是目前国际上十分关注的可满足多项空间任务需要的新型空间结构. 由于薄膜材料柔性且抵抗压缩应力作用的能力十分有限, 因此这些空间结构在轨时多处于带有褶皱的工作状态. 褶皱的存在会改变结构的力学性能且会影响结构表面形状, 因此开展薄膜褶皱研究对柔性结构的设计和力学性能评价等具有重要意义. 本文综述了空间薄膜结构褶皱研究的发展和现状, 重点介绍了薄膜褶皱的理论研究概况, 并讨论了其中存在的问题.根据褶皱研究的最新进展对其未来的发展趋势进行了展望.      

空间充气薄膜结构的褶皱分析

引入一个表征褶皱在纹理方向收缩特性的参数``收缩系数'来替代泊松比参与计算褶皱形变,并联合褶皱产生时的应力条件和褶皱特性,实现了对空间充气薄膜结构的褶皱分析,得到了褶皱存在时的充气薄膜结构的应力场和变形. 分析中重点讨论了``收缩系数'与泊松比的关系,并讨论了引入``收缩系数'约束变形后的变形协调条件. 将两维的褶皱分析方法拓展应用到三维充气结构的褶皱分析中,分析了充气管的弯皱变形,得到了临界皱曲和极限弯矩随结构及力学参数的变化规律. 通过简单的褶皱试验,定性地分析了褶皱的形变特性并与分析结果进行了比较验证,结果一致.      

基于摄影测量法的薄膜褶皱实验研究

采用非接触式的测试方式摄影测量法对薄膜褶皱进行了实验研究.建立了剪切薄膜褶皱的分析模型,并基于摄影测量法对该模型的褶皱变形模式进行了实验研究.摄影测量法是通过对不同角度上相机拍摄到的同一靶点的图像信息进行处理,可以得到相应靶点的三维坐标,从而实现对微小变形的非接触式的测量.通过摄影测量法得到了剪切薄膜褶皱的变形模式.实验研究表明,在剪切距离增大的情况下薄膜褶皱的数量保持不变,但是褶皱面外变形幅度随着剪切距离的增加而增大.试验结果与数值分析结果具有相关性,摄影测量法适合于薄膜结构微小面外变形的非接触式测量.     

薄膜褶皱的非线性屈曲有限元分析

有限元模拟已经成为目前薄膜褶皱预测的重要工具。本文采用ANSYS SHELL63单元对薄膜受剪情况下的褶皱形变进行了非线性屈曲分析。通过本征屈曲分析得到的模态模拟了薄膜的初始缺陷。利用本文的非线性有限元模型分析得到了薄膜褶皱的波长和幅度,并与理论分析结果进行了比较,结果相近。     

曲面薄膜结构褶皱失稳力学

薄膜结构褶皱失稳在微观和宏观尺度会出现相似的形貌,在过去二十年里引发了学者们极大的研究兴趣.而几何曲率对薄膜结构的失稳临界、形貌选择和后屈曲演化起着至关重要的作用.本文回顾近二十年来平面和曲面薄膜结构褶皱失稳力学研究进展,聚焦曲率影响下的薄膜拉伸和膜基结构在各种激励下的稳定性问题.有限应变板壳理论模型和数值计算方法的发...     

基于张力场理论的薄膜褶皱研究评述

张力场理论是较早提出的研究薄膜褶皱的理论,该理论忽略了薄膜的弯曲刚度, 认为在褶皱区薄膜处于单轴的应力状态,褶皱的方向为大主应力方向,垂直于褶皱方向的小主应力为零.基于这种方法提出了很多褶皱的分析模型. 这些分析模型通过引入参数对薄膜的本构关系或变形梯度进行修正,然后通过数值的方法进行求解,可以得到褶皱形成以后的应力分布,及褶皱的方向. 其主要的缺点是不能得到褶皱的波长、幅度及数量等信息. 基于能量方法的褶皱分析,首先要假定褶皱的变形模式,然后通过能量关系得到褶皱幅度和波长的表达式. 本文对比分析薄膜褶皱的不同分析方法,并指出了薄膜褶皱研究的发展趋势.     

基底上薄膜结构的非线性屈曲力学进展

基底上薄膜结构中的过大残余压应力常常通过屈曲不稳定性诱发薄膜结构和功能的失效.屈曲不稳定性、演化与斑图形成是近年来非线性力学研究的热点.此类屈曲不稳定性受薄膜基底的力学性质以及界面相互作用影响,进而呈现出复杂的屈曲模式如褶皱、翘曲和折痕等.论文简要综述褶皱、翘曲和折痕等屈曲模式的形成机制、影响因素和后屈曲形貌相关方面的进展.褶皱部分,重点介绍了褶皱的形成、多级褶皱结构、局域化的褶皱、各向异性褶皱和曲面上的褶皱.翘曲部分,介绍了翘曲结构包括一维翘曲结构、“电话线”屈曲泡、网络状屈曲泡等的形成与生长过程,并讨论了曲面几何、界面滑移、开裂等因素的影响.折痕及其它复杂屈曲模式部分,介绍了折痕、叠痕及隆起失稳的形成机制与临界条件.     

基于辛Runge-Kutta方法的棋盘形褶皱二维薄膜-基底结构动力学特性研究

基于力学屈曲原理的褶皱薄膜-基底结构已成功应用于制备可延展无机电子器件。然而,该类电子器件在应用时需要服役于复杂动态环境中,针对棋盘形褶皱薄膜结构的动力学问题鲜有研究,此问题又是该类电子器件走向实际应用需要解决的关键问题之一。本文首先采用能量方法,分别计算了二维薄膜的弯曲能、膜弹性能和柔性基底中的弹性能以及薄膜动能;然后采用拉格朗日方程,推导出了该结构的振动控制方程;而该方程为非线性动力学方程,无法给出其解析解;因此,本文采用辛Runge-Kutta方法对其进行数值求解;数值结果表明,辛数值方法具有长期稳定的特性和系统结构特性,为高精度的可延展电子器件的动力学问题研究提供了优异的数值方法。     

空泡流粘性效应研究

我们用激光多普勒技术(LDV)对钝头圆柱体、带小槽1.5度卵形头回转体、带背阶半球头回转体的绕流进行了测量。试验在600×600mm~2水洞中进行,雷诺数从0.75×10~5到6×10~5。给出了平均速度和脉动速度均方根值的分布并做了脉动速度的功率谱。得出了与过去热线流速计测量结果略有不同的结论。并且通过小槽内流动的测量对空泡的产生进行了分析。此外,本文提出一种捡测流动转捩现象的方法,用此法的实验结果与前人一致。     

空间薄膜结构的褶皱形变预测

空间充气结构技术是一项全新的空间结构构建技术,基于该技术的空间充气结构是未来空间任务的主要需求对象．该结构主要由薄膜构成,因此结构形面精度的保持是关键问题．褶皱是薄膜特有的现象,它的存在会严重影响结构形面精度,因此进行褶皱研究很有必要．根据屈曲理论联合薄膜褶皱的实际构型建立了薄膜结构褶皱的预测模型,分析了矩形平面薄膜受面内水平剪切情况下的褶皱,得到了褶皱幅度和褶皱波长以及薄膜结构产生褶皱时的临界压缩应力,通过与已有文献结果及本文实验结果的比较验证了该分析方法的有效性和结果的正确性．     

渗氮活塞环表面磁控溅射MoN涂层的摩擦学性能

利用磁控溅射方法在渗氮活塞环基体上沉积了厚约4btm的MoN涂层；以GF-3等级的全配方发动机油作为润滑剂，采用SRV型高温摩擦磨损试验机对比考察了沉积MoN涂层前后渗氮活塞环的摩擦学性能．结果表明，沉积MoN涂层后摩擦系数较低且较快达到稳定状态；与此同时，活塞环和缸套磨损大幅减小．其原因在于硬度很高的MoN涂层不易产生磨粒，且同缸套试样具有良好的匹配性能．     

Asymptotic Analysis of Viscous Fluctuations in Turbulent Boundary Layers

A two-dimensional boundary layer of an incompressible viscous fluid is investigated in the presence of velocity and pressure fluctuations. The characteristic Reynolds number is high and, as a consequence, the unsteady (turbulent) boundary layer is thin. An asymptotic approach is used to analyze the complete unsteady Navier–Stokes equations, which makes it possible to separate out the characteristic viscous and inviscid flow zones in the boundary layer and to solve the corresponding problems. The analytical expressions for the viscous fluctuations governed by the Hamel equation with a large value of the parameter are derived.     

铸铁滑动摩擦副边界润滑表面膜的考察

在铸铁材料油润滑与线接触滑动磨损机制基础上，对这种材料在边界润滑状态下表面膜的形成、识别、结构组成和导致膜破裂脱落的因素作了试验研究与考察，摩擦磨损过程中，摩擦表面在摩擦热的作用下，缺陷增多，塑性变形加剧，润滑油和空气中的氧通过扩散流动进入变形层，从而形成较厚的扩散反应膜，其主要成分是Ｆｅ３Ｏ４氧化膜。     

磁控溅射Ag膜磨斑微结构与耐磨机理研究

在铜基底上制备了磁控溅射银膜,采用激光共聚焦显微镜(LSCM)、透射电镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)及电子背散射衍射(EBSD)等分析技术对载流摩擦试验后的磨斑微结构进行了分析. 结果表明:磨斑表面较平滑,可见犁沟、微坑及塑性流动等形貌,磨斑边缘存在堆积和剥落. 磨斑表面颗粒形态为短棒状和球状,颗粒尺寸为20~150 nm. 磨斑微结构中存在(012)和有利的(111)择优取向,晶粒平均粒度为582 nm,多数晶粒极细小,起到细晶强化作用. 在磨斑微结构中发现大量孪晶,(111)取向孪晶占比达到93.5%,这种高密度孪晶夹杂非孪晶的微结构,有利于材料内部的滑移和提高耐磨性. 在孪晶界发现存在大量{111}晶面族层错结构,有利于材料晶粒间滑移并提升宏观摩擦性能.      

Wave Regimes of Viscous Film Flow down a Vertical Cylinder

The flow of a viscous liquid film down a vertical cylinder in the gravity field is considered. In the case of small Reynolds numbers for long-wave perturbations on a cylinder of radius much greater than the film thickness, the problem can be reduced to a single nonlinear equation for the evolution of the film thickness perturbation. For axially symmetric solutions, this equation coincides with the well-known Sivashinsky-Kuramoto equation. The results of a numerical analysis of this equation for three-dimensional stationary traveling solutions of the problem are reported. The effect of the problem parameters on the solution behavior is demonstrated. Soliton type solutions are presented.     

镁合金表面磁控溅射CNx/SiC/Ti多层膜的摩擦磨损性能

采用室温磁控溅射技术在镁合金(AZ91D)表面制备了CNx/SiC/Ti(氮化碳/碳化硅/钛)多层膜(SiC、Ti为中间层),研究了CNx薄膜的纳米压痕行为和摩擦磨损性能.结果表明:CNx薄膜具有低的纳米硬度(6.67GPa)、低的弹性模量(54.68GPa)和高的硬度与弹性模量比值(0.122);在以氮化硅球为对摩副的室温干摩擦条件下摩擦系数约为0.162,磨损率在10-6mm3/(m.N)级,薄膜经长时间(3.5h)磨损后未出现裂纹和剥落.分析表明,摩擦化学和硬度与弹性模量比值对摩擦系数和磨损率有重要影响.     

The L1-Stability of Boundary Layers for Scalar Viscous Conservation Laws

Let v=v(x) be a non-trivial bounded steady solution of a viscous scalar conservation law u _t+f(u) _x =u _xx on a half-line R⁺, with a Dirichlet boundary condition. The semi-group of this IBVP is known to be contractive for the distance d(u, u)u–u₁ induced by L ¹(R⁺). We prove here that v is asymptotically stable with respect to d: if u ₀–vL ¹, then u(t)–v₁0 as t+. When v is a constant, we show that this property holds if and only if f(v)0. These results complement our study of the Cauchy problem [2].     

Steady Film Flow of a Highly Viscous Heavy Fluid with Mass Supply

Asymptotic models of a thin layer of highly viscous heavy incompressible Newtonian fluid are constructed for steady axisymmetric (plane) flow on a curved rigid surface with distributed or point mass supply on a surface section near the axis (plane) of symmetry. Examples of analytical and numerical investigations of the free-surface shape and hydrodynamic-parameter fields are given. The models constructed are generalized for the case of a viscoplastic fluid and solutions which can be used for describing extrusive volcanic eruptions are obtained.     

Mixed Boundary Value Problems for Stationary Magnetohydrodynamic Equations of a Viscous Heat-Conducting Fluid

We consider the boundary value problem for stationary magnetohydrodynamic equations of electrically and heat conducting fluid under inhomogeneous mixed boundary conditions for electromagnetic field and temperature and Dirichlet condition for the velocity. The problem describes the thermoelectromagnetic flow of a viscous fluid in 3D bounded domain with the boundary consisting of several parts with different thermo- and electrophysical properties. The global solvability of the boundary value problem is proved and the apriori estimates of the solution are derived. The sufficient conditions on the data are established which provide a local uniqueness of the solution.