水蒸汽驱动高聚物形状记忆效应的力学模拟

部分形状记忆高聚物在相对湿度较高的环境中会从其临时形状恢复到永久形状,这种效应被称之为水蒸汽驱动形状记忆效应。由于不需要升高温度就可实现形状恢复,水蒸汽驱动的形状记忆效应在多个领域都有着潜在的应用价值。本文拟建立一个热-力-化学多场耦合的理论模型来模拟非晶态高聚物的水蒸汽驱动形状记忆行为。该理论模型采用自由体积的概念来模拟玻璃态转变,采用Fick定律来模拟水蒸汽在高聚物基体中的扩散行为。相关有限元模拟结果表明,该模型能定性地描述文献中观察到的恢复温度、相对湿度以及溶剂分子扩散速度对形状恢复行为的影响,也能模拟复杂变形条件下水蒸汽驱动的形状记忆效应。     

梯度纳米晶NiTi形状记忆合金的超弹性和形状记忆效应相场模拟

通过建立考虑两个马氏体变体的二维相场模型,对梯度纳米晶镍钛(NiTi)合金系统的超弹性、单程和应力辅助双程形状记忆过程进行了模拟和预测.模拟结果显示:在梯度纳米晶NiTi合金的超弹性过程中,较粗晶粒的区域保留了传统粗晶的马氏体相变和逆相变特征,即局部马氏体带的形核?扩展和缩减?消失,而随着晶粒尺寸的减小,细晶粒区域表现...     

Nb3Sn高场复合超导体临界性能力学变形效应的多尺度模拟

A15型Nb₃Sn超导体是制造高场( > 10 T)超导磁体线圈的主要材料, 被广泛应用于磁约束可控核聚变、高能物理等强磁场超导磁体装备制造领域. 力学变形诱导的Nb₃Sn超导临界性能退化给高场超导磁体装备的电磁性能指标和安全稳定运行造成了极其不利的影响. 鉴于Nb₃Sn超导体具有复杂的多尺度结构特征, 不同尺度下变形与超导电性能耦合行为是相互关联的, 本文建立了考虑微/细/宏观关联的非线性力电磁耦合本构模型, 提出了从原子尺度A15晶体结构到超导体微结构到宏观非均质Nb₃Sn复合超导体的多尺度模拟模型. 基于多晶体有限元方法, 对静水压加载条件下Nb₃Sn多晶体超导临界温度衰退和单轴拉压加载条件下Nb₃Sn复合多晶体临界性能衰退行为进行了模拟预测, 预测结果与实验观测结果定性吻合. 该模型揭示了Nb₃Sn复合超导体变形-超导电性能多尺度耦合机理, 实现对高场超导体力、电、磁、热耦合行为的预测, 有助于提高对A15型金属间化合物高场超导复合材料力、电、磁、热多尺度耦合行为的认识和描述能力, 为强磁场超导磁体的设计与制造提供有力的理论支撑.      

磁驱动等熵压缩实验构形的磁流体力学计算模拟

在一维弹塑性反应流体力学拉格朗日编码SSS 的基础上扩充编制成功的一维磁流体力学计算编码SSS/MHD,可以计算模拟磁驱动等熵压缩（ICE） 实验中多介质、多空腔的不同厚度平行样品构形（台阶靶） 运动,并且把磁流体计算与模拟脉冲功率驱动源的集中参数外电路方程组直接耦合,不依赖于实验当时测量的驱动电流（电压） 数据,直接根据原始数据对实验样品的力学和电磁学运动过程和各种参数剖面进行数值模拟. 介绍了对于纯铝、钽和塑料粘结炸药等3 种性能不同材料的台阶靶样品ICE 实验的计算模拟,得到了与激光速度干涉测量的不同厚度样品后自由面（或光学窗口界面） 速度历史十分符合的结果,对于实验结果的分析和实验设计的改进具有重要意义. 旨在为磁驱动实验系统的校核、设计和实验构形改进提供有一定预测能力、功能比较完善的计算模拟研究手段.      

基于平面度的燃料电池电化学性能模拟

固体氧化物燃料电池的翘曲会影响电极-盖板界面的接触情况,从而影响电化学性能,对相关制造工艺提出了很大的挑战.为了分析燃料电池平面度对放电过程的影响,揭示其潜在的风险,我们建立了两个基于有限元法的仿真模型,对考虑平面度缺陷的燃料电池封装和放电进行分析.在对固体氧化物燃料电池进行平面度测量的基础上,首先建立了具有真实燃料电池翘曲特性的几何模型,分析封装过程中接触压力的分布情况.然后将接触电阻的仿真结果导入到三维多物理场耦合模型中,模拟具有平面度缺陷的燃料电池电化学性能.计算结果展示了燃料电池两侧封装过程中接触压力的分布情况.通过对比有接触电阻和无接触电阻的燃料电池电流密度,分析了电池与盖板的接触对放电过程的影响.结果表明,燃料电池的凹陷面较难达到满意的接触状态,需要比凸起面更大的封装压力.燃料电池表面接触电阻的变化将引起电流传导路径的变化,产生局部高电流或低电流.这项工作强调了在燃料电池中保持均匀分布的接触电阻的重要性,为今后的优化工作奠定了基础.     

电磁驱动高能量密度动力学实验的一维磁流体力学多物理场数值模拟平台：SSS-MHD

超高压、超高密度物质状态生成和性质研究是当代极端物理学的重要前沿领域,电磁驱动的高能量密度物理实验对于该领域的意义尤为重要。这类实验虽然形式上多种多样,但在物理上有内在统一性,即均以力学守恒定律和宏观电磁理论为基本框架。为了建立统一数值模拟平台、依靠负载电流实验数据（或驱动电路真实数据）确定各种极端实验条件下负载构形的力学运动及其与各个物理场的耦合问题,将经受大量实际检验的冲击、爆轰动力学和激光效应计算的一维拉格朗日编码SSS,实质性扩展成为磁流体力学多物理场耦合编码SSS-MHD。对于具有典型意义的平面准等熵斜波压缩、高速平面固体飞片发射、固体套筒电磁内爆和炸药内爆磁通量压缩实验等各类高能量密度动力学实验案例的模拟计算结果表明,编码SSS-MHD计算与美国Z装置、中国CQ和CJ系列装置的实验及美国编码ALEGRA-1D和2D计算数据的相对偏差基本不超过5%。该数值模拟平台为极端材料动力学实验（包括气体、液体、化合物和金属）提供了有力的支撑,还将有助于多维磁流体力学多物理场编码的开发。

     

多孔介质在压力梯度作用下的热质耦合数值模拟

多孔介质干燥导致热质耦合传输过程。本文基于连续介质力学的宏观尺度,对多孔介质的热、湿和气三者耦合迁移进行数值模拟,研究压力梯度对热质传输的影响。多孔介质传质机理主要为水汽和空气的对流和扩散传输、吸附水在含湿量梯度作用下的自由扩散和其在温度梯度即Soret效应驱动下的流动。采用Galerkin加权余量的有限元方法,提出了...     

点引爆圆板装药驱动飞板的实验及二维数值模拟

本文报导点引爆圆板装药驱动飞板的实验及二维数值模拟研究结果。实验测定了有机玻璃、铝、钢和铜四种飞板在爆轰产物驱动下的碰靶时间及碰靶波形,并将二维数值模拟结果与测量结果进行了比较,二者符合较好。文中还就数值模拟中存在的一些问题进行了简要分析、讨论。     

水凝胶多场耦合计算力学

作为一种具有多场耦合特性的智能柔体材料,水凝胶的制备技术、性能表征与结构应用得到迅速发展。本文在分析水凝胶本构理论和结构设计的基础上,提出了水凝胶多场耦合计算力学的基本方法和范式,包括微观粗粒化分子动力学模拟和宏观耦合有限元方法等,计算了化学-力学耦合作用下水凝胶材料与结构的变形和应力,给出了多个数值算例与结果比较。研究指出多场耦合计算力学将成为水凝胶材料和结构分析的主要手段,并推动水凝胶等这类智柔材料的性能设计与工程应用。     

固体氧化物燃料电池宏观力学效应研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种清洁高效且具有广泛应用前景的绿色发电装置. SOFC采用了陶瓷材料电极和电解质并在高温下工作, 力学损伤是造成其性能和寿命衰减的主要因素之一. 由于实验测试的局限性, 基于宏观力学模型的数值模拟是优化SOFC电池和电堆结构、提高其性能和耐久性的重要手段. 本文综述并评价了SOFC宏观力学效应的研究进展, 介绍了SOFC在制造、正常运行和长期工作的不同阶段受到的残余应变、阳极氧化应变、化学膨胀、工作热应变以及蠕变等力学效应. 总结了各种力学效应以及目前关注较少的电化力耦合效应的理论和数值模拟研究现状, 最后展望了SOFC宏观力学性能研究的发展前景.      

Uniaxial Modeling of Multivariant Shape-Memory Materials with Internal Sublooping using Dissipation Functions

Models for the macroscopic behavior of Shape Memory Materials can be conveniently constructed within the Ziegler–Green–Naghdi framework where all the constitutive information is encoded in two ingredients: the free energy and the dissipation function. In a previous work, we have proposed various expressions for the basic functions suitable to model pseudoelasticity with complete transformations cycles. In this work we consider additional effects due to Martensite reorientation and to transformation reversal prior to transformation completion. The new constitutive model allows for the modeling of a variety of effects including: shape memory associated with thermally induced transformation, internal pseudoelastic subloops and the determination of limit cycles associated with repetitive stress cycling.     

Stress-Induced Phase Transformations in Shape-Memory Polycrystals

Shape-memory alloys undergo a solid-to-solid phase transformation involving a change of crystal structure. We examine model problems in the scalar setting motivated by the situation when this transformation is induced by the application of stress in a polycrystalline material made of numerous grains of the same crystalline solid with varying orientations. We show that the onset of transformation in a granular polycrystal with homogeneous elasticity is in fact predicted accurately by the so-called Sachs bound based on the ansatz of uniform stress. We also present a simple example where the onset of phase transformation is given by the Sachs bound, and the extent of phase transformation is given by the constant strain Taylor bound. Finally we discuss the stress–strain relations of the general problem using Milton–Serkov bounds.     

Description of the Irreversible Deformation of Shape-Memory Materials in Terms of the Two-Level Phenomenological Model

The two-level phenomenological model of the nonlinear deformation of polycrystals is extended to describe and predict the irreversible deformation of advanced shape-memory materials. The effect of various groups of residual microstresses on the deformation process is taken into account. The model is used to describe and predict deformations of shape-memory materials in cyclic thermomechanical tests, and its effectiveness is demonstrated.     

Phase Transformations in Electrically Conductive Ferromagnetic Shape-Memory Alloys, Their Thermodynamics and Analysis

We derive a thermodynamically consistent general continuum-mechanical model describing mutually coupled martensitic and ferro/paramagnetic phase transformations in electrically-conductive magnetostrictive materials such as NiMnGa. We use small-strain and eddy-current approximations, yet large velocities and electric current injected through the boundary are allowed. Fully nonlinear coupling of magneto-mechanical and thermal effects is considered. The existence of energy-preserving weak solutions is proved by showing convergence of time-discrete approximations constructed by a carefully designed semi-implicit regularized scheme.     

镍钛记忆合金自补偿磨粒磨损性能研究

研究了高临界温度镍钛记忆合金一维自补偿磨粒磨损特性.结果表明,在一定温度下,镍钛记忆合金在摩擦过程中具有形状恢复能力,从而产生一维磨损自补偿作用.超弹状态镍钛记忆合金具有热弹性马氏体相变、高阻尼、应力感生马氏体、超弹性、高应变硬化指数和时效弥散析出强化等特性,这使得硬度较低的镍钛合金的耐磨性能远优于硬度较高的淬火45#钢.利用超弹状态镍钛记忆合金的磨损自补偿作用可望开发出新型抗磨形状记忆合金产品.     

相对吸湿度对尼龙类材料单轴棘轮行为的影响

由于尼龙类材料易于吸收环境中的水分,进而在不同湿度条件下体现出不同的力学特性,因此,本文研究了以尼龙6为典型对象,通过两种相对吸湿度(RHs=0、1.0和2.12%)下的应力控制循环变形实验,研究了相对吸湿度对尼龙类材料的单轴棘轮行为的影响,讨论了不同相对吸湿度和不同峰值应力保持时间（即0、5和10s）下该类材料的棘轮变形特征。实验结果表明：尼龙类材料在非对称应力循环加载过程中产生了明显的棘轮行为,其棘轮变形包括可恢复的粘弹性和不可恢复的粘塑性变形两部分;棘轮应变随着峰值保持时间的增加而增加,体现出明显的时间相关性;相对吸湿度越高,棘轮效应越明显,不可恢复的粘塑性变形所占份额越大。