碳纳米管与石墨基底间摩擦耗散的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法研究了公度、不公度2种情况下碳纳米管在石墨基底上运动的摩擦机制与能量耗散,计算中先使碳纳米管在石墨基底上弛豫平衡,而后施加持续500 fs的固定外力,撤去外力后碳纳米管在基底上减速至相对基底静止.结果表明:在公度条件下,碳纳米管先在石墨基底上滑动,动能降低到一定值后出现翻转、滚动、滑动交替进行的现象.所受侧向力(即摩擦力)在滑动阶段呈现周期性变化,在开始滚动时摩擦力达到负向最大;在不公度条件下,碳纳米管在石墨基底上一直处于滑动状态,侧向力始终为负值;在公度情况下,侧向力对称性的破缺由碳纳米管底部原子与石墨基底原子间的法向趋近与分离引起,并由此而产生摩擦;碳纳米管与石墨基底原子间的相互作用为斥力-碰撞型,黏性摩擦造成了能量耗散.     

不同尖锐度纹理形状的摩擦触觉感知与表征研究

通过开展触觉感知不同尖锐度纹理形状的接触摩擦特性、主观认知行为和功能核磁共振试验,从皮肤的“感”、大脑的“知”和主观的“评”全面系统地对不同纹理形状的摩擦触觉感知进行了量化表征研究. 研究表明:接触摩擦力、主观评价、激活脑区面积和强度是表征摩擦触觉感知的有效参数. 触摸不同纹理表面的摩擦力中黏着摩擦力比形变摩擦力占比大,触摸平角纹理的摩擦力最大,尖角纹理的摩擦力最小. 黏着感主要受接触面积和黏着摩擦力的影响;尖锐感主要受触觉感受体所受应力和形变摩擦的影响;而舒适感受到表面摩擦机制和触觉感受体所受应力综合影响. 触觉感知纹理形状激发的大脑功能区以躯体感觉皮层为主,激活脑区主要位于中央前回和后回. 触摸过程的舒适感与激活脑区大小和强度成反比,舒适感差的纹理激发的脑区范围和强度大,且存在负激活现象.      

考虑范德华力曲率效应的双壁碳纳米管外压屈曲

针对双壁碳纳米管外压屈曲问题,研究了层间范德华力的曲率效应对临界外压的影响。应用弹性双层圆柱壳模型,考虑层间范德华力不仅与层间距有关而且与挠度曲率的变化有关,导出了外压屈曲临界压力解析公式。计算得出在不同半径、不同长细比下,外压屈曲临界压力的数值结果,并与经典壳的结果和忽略范德华力曲率效应的结果做了比较。结果显示,对于小半径的双壁碳纳米管曲率效应对外压屈曲有效明显的影响。     

基于分子动力学-格林函数法的分形粗糙表面摩擦行为研究

任何物体间的表面摩擦均可看成是粗糙面间的摩擦,且大部分粗糙表面具有分形特征.为探究分形粗糙表面的摩擦行为,利用分子动力学-格林函数法(GFMD)建立微观分形粗糙表面模型,采用位移加载控制分形粗糙表面的接触和摩擦过程,并根据广度优先搜索算法识别接触团簇分布.之后分别计算原子尺度、接触团簇尺度和界面尺度下的最大摩擦系数与摩擦力,并利用影响矩阵法研究摩擦过程中接触团簇之间的相互作用,分析接触团簇之间的距离和面积对相互作用的影响.结果表明:在摩擦过程中,摩擦系数从小尺度到大尺度逐渐减小;摩擦力随位移呈现周期性波动,接触团簇并非同时达到最大摩擦力,而是发生局部滑移,整体滑移模型预测的摩擦力是分子模拟结果的上限值;所提出的影响矩阵法可以较好地模拟接触团簇之间的相互作用,利用影响矩阵计算得到的最大摩擦力与GFMD模型结果基本一致,而不考虑局部滑移影响计算得到的最大摩擦力比GFMD模型结果大20%,并且接触团簇之间的相互作用与距离成反比,与面积成正比.结果可为粗糙表面的界面分析和优化提供理论依据.     

非公度接触石墨烯层间摩擦对压入深度的依赖性

近年来, 以石墨烯为代表的层状二维纳米材料的摩擦力学行为受到广泛关注, 许多新的纳尺度摩擦现象、规律及机理被陆续报道, 推动纳米摩擦学取得了重要进展. 然而, 由于纳米级摩擦十分复杂, 在建立摩擦力与影响因素之间的直接关联方面依然进展非常缓慢. 本文利用分子动力学模拟方法, 研究了衬底支撑石墨烯基底与石墨烯滑片之间的摩擦行为, 着力考察了非公度接触情况下的摩擦规律. 结果表明, 石墨烯滑片和基底之间的摩擦力与压入深度直接相关, 说明压入深度可作为纳尺度摩擦力的重要度量指标. 特别地, 法向载荷和衬底刚度对石墨烯摩擦的影响,都可通过压入深度归一化处理. 该结果对理解二维材料表面弹性影响的摩擦规律具有重要的理论意义.     

非公度接触石墨烯层间摩擦对压入深度的依赖性

近年来, 以石墨烯为代表的层状二维纳米材料的摩擦力学行为受到广泛关注, 许多新的纳尺度摩擦现象、规律及机理被陆续报道, 推动纳米摩擦学取得了重要进展. 然而, 由于纳米级摩擦十分复杂, 在建立摩擦力与影响因素之间的直接关联方面依然进展非常缓慢. 本文利用分子动力学模拟方法, 研究了衬底支撑石墨烯基底与石墨烯滑片之间的摩擦行为, 着力考察了非公度接触情况下的摩擦规律. 结果表明, 石墨烯滑片和基底之间的摩擦力与压入深度直接相关, 说明压入深度可作为纳尺度摩擦力的重要度量指标. 特别地, 法向载荷和衬底刚度对石墨烯摩擦的影响,都可通过压入深度归一化处理. 该结果对理解二维材料表面弹性影响的摩擦规律具有重要的理论意义.     

不同法向力和纹理间距下的手指皮肤感知能力研究

手指与物体表面接触摩擦过程中会产生压缩、拉伸等机械变形,这一过程中包含丰富的触觉信息,对人体感知外界环境具有重要意义.针对当前研究中难以将摩擦信号与人体主观感受相结合的问题,采用UMT-II多功能摩擦磨损试验机对受试者食指部位施加不同的恒定法向载荷来模拟触摸力,通过改变触摸样品的纹理间距、接触介质及直径,对木棒数目做出判断.结果表明:指尖滑过试验样品时所受周期性压力变化曲线可以反映受试者的摩擦感知状况;随着法向力及样品纹理间距的增大,受试者判断的准确性逐步提高,摩擦感知能力增强;指尖与样品之间的润滑介质减小了手指皮肤与样品间的摩擦力,从而降低了受试者感知判断的准确性;直径较大的一组样品引起指尖皮肤的变形较大,受试者摩擦感知灵敏性增强.     

影响分子沉积膜纳米摩擦特性的几个因素

利用原子力显微镜探讨了表面电荷及分子端基对分子沉积膜纳米摩擦特性的影响，并考察了表面形貌在不同扫描方向和法向高度上对摩擦力的影响．结果表明：对Si3N4针尖而言，表面净电荷对摩擦特性有一定的影响，不同类型的表面电荷对摩擦力和摩擦系数的影响不同，正电荷影响相对较大；在较小载荷和粘附力的条件下，针尖在表面上滑动时所受的摩擦作用同分子端基有关；单层CuTsPc分子沉积膜表面形貌的取向对摩擦力影响不大，分子沉积膜的表面高度同摩擦力，即时测量值并不存在对应关系，摩擦力受表面形貌的影响较小．     

基于分子动力学方法的多层石墨烯超滑失效机理分析

本文作者采用混合势函数(Lennard-Jones势和REBO势),基于Verlet算法动态模拟了金刚石探针(100)与多层石墨烯间的压入和滑动摩擦过程,分析了不同压深下多层石墨烯的摩擦力及平均摩擦系数变化的特点,统计了不同压深下的层间键合作用、层内断键数量以及实际原子接触面积,阐述了多层石墨烯超滑失效的机理.结果表明:压深对多层石墨烯间的超滑失效有着重要影响,探针压深增加导致的摩擦力振幅上升与悬空石墨烯压缩应变增加产生的影响非常相似;6.1(A)是石墨烯超滑失效的临界压入深度值,压深小于6.1(A)时,石墨烯有着明显的超滑特性,且摩擦力变化周期不受压深的影响,并等于石墨烯晶格常数;压深大于6.1(A)后,摩擦力变化完全失去周期性,探针在滑动中需要克服的势垒急剧上升,摩擦力显著增大,超滑明显失效.当压深为6.1(A)时,石墨烯层间开始出现键合作用,层内也出现断键现象,且随压深的增加越加剧烈,层内的断键和层间键的形成是引起石墨烯超滑失效和摩擦力突变的主要原因,而实际原子接触面积与此突变的相关性很小.     

柔性转子弹性对行波旋转超声电机接触特性的影响

转/定子间动态接触过程决定行波旋转超声电机(TRUM)的输出性能,但是柔性转子弹性在以往界面接触特性研究中常被忽略.本文中基于建立的考虑柔性转子和摩擦层三维弹性的转-定子动力学耦合模型,从接触界面的接触状态、速度、接触应力、摩擦应力驱动和阻碍子区等空间分布角度,研究了柔性转子弹性对TRUM摩擦界面的动态接触行为和摩擦损耗的影响.结果表明：柔性转子在轴向、径向和切向均呈现出一定的振动速度,且在接触界面沿圆周方向与定子各向速度形成一定的相位关系,显著影响界面动态接触特性、摩擦特性和摩擦损耗;柔性转子与定子轴向位移分布的相位一致性表明,定子与摩擦层的接触界面具有类齿轮啮合机制;与以往中间驱动两端阻碍的分布结果不同,考虑转/定子动力学耦合的接触区摩擦应力分布为一端驱动和一端阻碍的新机制.计算结果表明在建模过程中忽略柔性转子弹性得到的界面摩擦损耗要比考虑柔性转子弹性获得的摩擦损耗大得多,主要原因：(1)柔性转子径向刚度小,摩擦力作用下接触区的运动方向与定子相同,从而减小了径向速度差和径向摩擦损耗;(2)柔性转子界面的切向振动特性,改变了接触界面黏-滑子区分布,使得行波远离端的摩擦应力阻碍子区消失...     

Nonlocal shell model for elastic wave propagation in single- and double-walled carbon nanotubes

This paper investigates the transverse and torsional wave in single- and double-walled carbon nanotubes (SWCNTs and DWCNTs), focusing on the effect of carbon nanotube microstructure on wave dispersion. The SWCNTs and DWCNTs are modeled as nonlocal single and double elastic cylindrical shells. Molecular dynamics (MD) simulations indicate that the wave dispersion predicted by the nonlocal elastic cylindrical shell theory shows good agreement with that of the MD simulations in a wide frequency range up to the terahertz region. The nonlocal elastic shell theory provides a better prediction of the dispersion relationships than the classical shell theory when the wavenumber is large enough for the carbon nanotube microstructure to have a significant influence on the wave dispersion. The nonlocal shell models are required when the wavelengths are approximately less than 2.36×10⁻⁹ and 0.95×10⁻⁹ m for transverse wave in armchair (15,15) SWCNT and torsional wave in armchair (10,10) SWCNT, respectively. Moreover, an MD-based estimation of the scale coefficient e₀ for the nonlocal elastic cylindrical shell model is suggested. Due to the small-scale effects of SWCNTs and the interlayer van der Waals interaction of DWCNTs, the phase difference of the transverse wave in the inner and outer tube can be observed in MD simulations in wave propagation at high frequency. However, the van der Waals interaction has little effect on the phase difference of transverse wave.     

非断裂式膨胀管分离装置设计与分析

对一种新型非断裂式膨胀管分离装置进行了静力承载及分离冲击动响应分析。根据静力承载分析，获得了其啮合齿倾角与承压能力间的关系，结果显示，当接触面摩擦因数恒定时，非断裂式膨胀管分离装置的承压能力与啮合齿倾角大小呈反比，且可靠承压的临界啮合角为啮合齿自锁角。同时，根据动力响应分析，获得了非断裂式膨胀管分离装置在不同啮合齿倾角情况下的分离冲击响应，并与常规膨胀管分离装置的分离冲击响应进行了对比，结果显示，所分析的两种具有不同啮合齿倾角的非断裂式膨胀管分离装置具有比常规膨胀管分离装置更小的可靠分离内压，并且5.7°啮合齿倾角构型在相同测点处的三向加速度时程曲线峰值均低于常规膨胀管分离装置。     

垂向双蝠鲼变攻角滑翔水动力性能研究

为了探究垂向间距和攻角对双蝠鲼在沿垂向分布集群滑翔时的水动力性能影响,根据蝠鲼的实际外形建立了蝠鲼计算模型,设置了4种间距排布即0.25, 0.5, 0.75, 1倍体厚排布以及9种攻角状态即-8°～8°,随后借助Fluent软件进行了双蝠鲼变攻角、变垂向间距的集群滑翔数值模拟,结合流场压力云图以及速度云图对集群系统平均升/阻力以及集群中各单体的升/阻力进行了分析.数值计算结果表明:双蝠鲼沿垂向分布在攻角范围为-8°～8°进行集群滑翔时系统平均阻力均高于单体滑翔时所受阻力.单体在集群滑翔过程中获得减阻收益,当双蝠鲼以负攻角集群滑翔时,下方蝠鲼阻力减小,且垂向间距越小,减阻效果越明显;当以正攻角集群滑翔时,上方蝠鲼获得减阻收益.当双蝠鲼以负攻角滑翔时,系统平均升力大于单体滑翔时所受升力;当双蝠鲼以负攻角滑翔时,系统平均升力小于单体滑翔时所受升力,系统平均升力几乎不受垂向间距影响.下方蝠鲼升力始终大于上方蝠鲼升力,但随着垂向间距的增大,升力差距逐渐减小.     

Experimental study of the airside performance of tube row spacing in finned tube heat exchangers

Almost all of the studies in dehumidifying coils are experimental studies. In this study, effect of tube regulation space on heat and mass transfer and friction factor for heat exchangers made from aluminum fins and cooper tubes are identified experimentally. External surface heat transfer coefficient, Colburn factor and friction factor was calculated by the help of the computer program by using experimental values done. After the diagrams investigated, with the decreasing of tube row spacing the external surface heat transfer in the dry surface and friction factor increased. If wet and dry surfaces are compared, Colburn and friction factor in wet surfaces is larger than Colburn and friction factor in dry surfaces.     

层状岩体力学特性模拟实验研究

对层状岩体变形特性和强度特性的正确认识,合理选取其变形和强度参数,是水电站等大型岩体工程论证与设计需要解决的关键问题.为此,利用模拟实验对层状岩体的变形特性和强度特性进行了研究,得到了模拟试样的变形模量和强度随试样所含节理数、轴向应力与节理面间的夹角和围压之间的变化关系.结果表明:当最大主应力与节理面间的夹角由0°增加...     

清管载荷作用下输气管道安全落差研究

山地天然气管道局部落差和坡度大,在清管过程中易在清管器冲击载荷作用下发生屈曲和应力超限.基于有限元方法研究了考虑管-土耦合作用的大落差管段清管过程非线性动力学特征,分析了清管器运行速度、管道坡度、清管器-管内壁间摩擦系数对管道受力和位移的影响,得到了不同坡度、摩擦系数条件下极限清管运行速度和最大高程差.结果表明:清管器...     

Evaporation heat transfer and friction characteristics of R-134a flowing downward in a vertical corrugated tube

Differently from most previous studies, the heat transfer and friction characteristics of the pure refrigerant HFC-134a during evaporation inside a vertical corrugated tube are experimentally investigated. The double tube test sections are 0.5 m long with refrigerant flowing in the inner tube and heating water flowing in the annulus. The inner tubes are one smooth tube and two corrugated tubes, which are constructed from smooth copper tube of 8.7 mm inner diameter. The test runs are performed at evaporating temperatures of 10, 15, and 20 °C, heat fluxes of 20, 25, and 30 kW/m², and mass fluxes of 200, 300, and 400 kg/m² s. The quality of the refrigerant in the test section is calculated using the temperature and pressure obtained from the experiment. The pressure drop across the test section is measured directly by a differential pressure transducer. The effects of heat flux, mass flux, and evaporation temperature on the heat transfer coefficient and two-phase friction factor are also discussed. It is found that the percentage increases of the heat transfer coefficient and the two-phase friction factor of the corrugated tubes compared with those of the smooth tube are approximately 0-10% and 70-140%, respectively.     

鹿角骨单位仿生薄壁管斜向冲击耐撞性研究

为提高薄壁管结构的耐撞性和吸能性,基于鹿角骨单位结构特征,结合结构仿生学原理设计出内径相同、外径等梯度逐层递减的仿生薄壁管。采用有限元法对75种仿生薄壁管结构进行10°、20°、30°等3种斜向冲击角度的吸能特性模拟;通过多项式回归元模型和多目标粒子群优化算法进行优化,以Pareto前沿最优原则得到各目标最优化的配置方案;采用最小距离选择法进行优化分析,得到各配置方案的最优结构设计参数。结果表明:仅考虑单一冲击角度时,在10°、20°、30°冲击角度下的仿生薄壁管耐撞性最优的仿生层数n均为6,最大壁厚与厚度梯度值参数组合t_max-a分别为2.84 mm-0.38 mm、2.89 mm-0.29 mm、2.91 mm-0.34 mm;综合考虑多种冲击角度权重因数不同配置方案时,仿生薄壁管耐撞性最优的仿生层数n均为6,最大壁厚与厚度梯度值参数组合t_max-a分别为2.95 mm-0.28 mm、2.92 mm-0.30 mm、2.85 mm-0.33 mm。     

Curvature effects on axially compressed buckling of a small-diameter double-walled carbon nanotube

The curvature effects of interlayer van der Waals (vdW) forces on axially compressed buckling of a double-walled carbon nanotube (DWNT) of diameter down to 0.7 nm are studied. Unlike most existing models which assume that the interlayer vdW pressure at a point between the inner and outer tubes depends merely on the change of the interlayer spacing at that point, the present model considers the dependence of the interlayer vdW pressure on the change of the curvatures of the inner and outer tubes at that point. A simple expression is derived for the curvature-dependence of the interlayer vdW pressure in which the curvature coefficient is determined. Based on this model, an explicit formula is obtained for the axial buckling strain. It is shown that neglecting the curvature effect alone leads to an under-estimate of the critical buckling strain with a relative error up to −7%, while taking the average radius of two tubes as the representative radius and the curvature effect leads to an over-estimate of the critical buckling strain with a relative error up to 20% when the inner radius downs to 0.35 nm. Therefore, the curvature effects play a significant role in axially compressed buckling problems only for DWNTs of very small radii. In addition, our results show that the effect of the vdW interaction pressure prior to buckling of DWNTs under pure axial stress is small enough and can be negligible whether the vdW interaction curvature effects are neglected or not.     

不同爆炸载荷下TA2钛合金圆管膨胀破坏过程

金属柱壳破坏过程与材料、结构及载荷等相关,断裂结果呈现多种形式,采用有限元结合实验对不同爆炸载荷作用下,TA2钛合金圆管的破坏机制开展研究。有限元结果显示:对于理想均质柱壳,由于冲击波传播使壁厚中间形成二次塑性区,圆管壁厚中部的等效塑性应变总是大于内、外壁。在较高爆压下,裂纹在加载阶段从试样壁厚中部起始,沿45°或135°向内外壁剪切扩展;而在较低爆压下,破坏发生在自由膨胀阶段,断裂从内壁起始向外壁剪切扩展,两者破坏过程和机制不同,总体来说,与实验现象符合较好。相关实验中出现的一些外壁拉伸断裂现象,可能与试样的几何、材料缺陷等因素相关,其对金属圆管爆炸破坏的影响值得进一步关注。