杆中导波声弹性效应分析与数值模拟研究*

大型钢结构在役应力检测意义重大,基于超声导波声弹性效应进行应力检测具有潜在的优势。本文基于等效弹性常数法研究了杆中超声导波的声弹性效应。通过计算典型钢结构构件钢杆的频散曲线,确定了检测频率范围,对不同工作应力状态下L（0,1）、F（1,1）与T（0,1）模态的群速度值进行了理论分析与数值模拟。结果表明： L（0,1）模态较适合于钢杆轴力检测, F（1,1）、T（0,1）模态声弹性效应较弱,不适合于应力检测; L（0,1）模态的声弹性效应随着频率的增加而减弱;理论分析与有限元计算对声弹性效应的验证都与波结构轴向位移对声弹性效应的判断得到了较好的吻合。     

光测弹性力学实验的设计和研究

光测弹性力学实验使具有各向同性的弹性样品在载荷作用下变成各向异性,产生暂时双折射现象.在偏振光场中因它的传播速度和折射率不同而产生干涉条纹,可观察到应力分布.利用干涉条纹和应力光学定律可计算出弹性模型在受力状态下的应力.     

LiNbO_3晶体的布里渊散射与弹性常数和压电常数的测定

本文在计算3m晶体的布里渊张量时,不仅考虑弹光效应,且同时计及了局部转动效应和电光效应.经过对实验系统的设计和调整,用90°散射测量了3m晶体LiNbO_3的布里渊谱,得到了LiNbO_3晶体在特超声频率下的所有独立的弹性常数和压电常数,据以计算了慢度曲线.用180°散射测量了LiNbO_3晶体的有关声速,实验结果与计算曲线一致.     

热应力双折射介质中的光传输研究

计算了简化的平行平板中的温度和热应力分布,根据光弹性理论得到了介质内部折射率的改变,采用矢量微分算法模拟光线在介质中传输的情况,预测了接收面上的光强分布和条纹形状,程序输出图形和作为对照的光弹性实验的结果符合良好,证明了上述分析方法和光传输计算的正确性,为进一步完善光学系统成像质量提供参考. 关键词： 光弹性 应力双折射 光线追迹     

不同缺陷态下具有高光力耦合率的新型一维光力晶体纳米梁

本文设计了一种由两侧挖孔的六棱柱单胞周期性排列而成的新型光力晶体纳米梁谐振腔,利用有限元法计算了该结构在不同缺陷态下的带隙特性.基于移动边界效应和光弹性效应机制,采用一阶微扰理论并借助光力耦合系数计算法获得了光力晶体纳米梁谐振腔的光力耦合率,同时分析了谐振腔声学模态的对称性,并对光力耦合机制进行了探索.研究表明:改变缺陷数量或优化几何结构均可改善光学模式和机械模式的重叠性;对于同种缺陷不同数量的谐振腔结构,缺陷数量只会影响光力耦合率中移动边界效应和光弹性效应的作用方式,而几乎不会改变其耦合率的大小.分析具有梯度缺陷的光力晶体纳米梁谐振腔的振动模态对称性发现,只有关于x-y,x-z,y-z平面偶对称的振动模态才能与光学模态产生强耦合,并得到高达2.25 MHz的光力耦合率.     

Nd:YAG棒中的热光效应计算

激光通过工作物质时所产生的热透镜以及应力双折射两种效应是高功率二极管泵浦激光器(DPL)的设计和优化过程中必需考虑的因素.讨论了采用有限差分光束传播法计算热透镜效应及结合材料的弹光系数矩阵计算应力双折射效应的一般方法,并具体针对长6 cm、均匀泵浦的NdYAG棒,计算了这两种效应对光束的影响.结果表明,由于热透镜的聚焦效应,棒中心的光场振幅在通过棒后增大了6%,棒中心与边缘产生了20个波长的相位差;同时,应力引起的双折射造成了约30%的功率损失.     

全息光弹

某些光学介质在自然状态下是各向同性的,但在机械力作用下,它呈现出双折射性质,这种现象称光弹性效应。以偏振光为光源,利用物质的光弹性效应研究零伴或部件内部应力的仪器称光弹仪,它应用于科研生产中已有半个世纪的历史。激光的问世为光弹分析提供了有力工具,发展了利用全息干涉原理研究部件内部应力分布的技术,称全息光弹。这里我们介绍一个实验,通过让学生进行两次曝光法和一次曝光法的实际操作,向学生介绍全息光弹的原理与实验方法。 两次曝光法光路如图1,在一个全息照相用的防震台上,让激光束经分束镜分为两束,两束光光强比约为2比1。…     

尺寸相关的弹性常数对应变硅纳米线电学性质的影响

从Keating模型出发,基于离散化思想建立了计算单晶硅纳米线弹性常数和杨氏模量的半连续原子晶格力学模型. 从微扰理论和形变势理论出发,采用有限差分方法建立了计算不同晶向应变硅纳米线价带结构的数值模型. 结合上述的两个计算模型,进而应用经典弹道传输模型研究了轴向应力和弹性常数对p型硅纳米线弹道晶体管电学特性的影响. 研究结果表明,硅纳米线的弹性常数和杨氏模量呈现尺寸效应,该结果与分子动力学的模拟结果具有很好的一致性. 同时发现尺寸相关的弹性常数对硅纳米线晶体管输运电流的影响强烈依赖于单轴应力对输运电流的影 关键词： 应变硅纳米线 弹性常数 弹道电流 价带结构模型     

基于磁光调制的光弹性应力快速测量方法

提出了基于磁光调制测量光弹性应力的方法,并设计了包括终端配套软件在内的一体化测量装置.通过贝塞尔函数展开推导应力大小及方向的公式,实验中仅需旋转起偏器一次来确定应力的实际方向,降低了旋转玻璃样品在装置设计上的难度;并利用磁光调制的方式正弦调制入射激光,通过检测光强频谱图精准判断消光位置,保证测量的精准度.实验结果表明,通过此方法测得的应力大小及方向精度高,完成一组测量的速度较快.多组测量数据的离散度较小,约1nm/cm,运用该方法对有应力分布的平板玻璃和受压玻璃进行测量并扫描成像,得到它们的应力分布图像.该方法能够准确、快速和无损地测量光弹性样品任意位置的应力.     

类电磁诱导透明效应在硅基微环谐振腔中的实现与优化

为在硅基光波导上实现类电磁诱导透明效应,设计并加工了基于绝缘体上硅的串联双环结构.通过300℃到1 200℃热氧化退火、缓冲刻蚀液湿法腐蚀以及1 000℃高温氮气退火等波导结构的后期处理,利用垂直光栅耦合的方式输入及输出信号,观测到了类电磁诱导透明效应.分析了两环间不同间距对类电磁诱导透明效应的影响,结果表明:工艺中单环Q值达到5.1×104,类电磁诱导透明效应透明峰的带宽约为500MHz.     

颗粒介质弹性的弛豫

颗粒介质是复杂的多体相互作用体系, 其弹性源自内部的力链结构, 弹性能量处在亚稳态, 具有复杂的弛豫行为. 在常规作用下, 颗粒介质往往呈现明显的弹性弛豫. 应力松弛是应变恒定时应力的衰减现象, 弹性弛豫是应力松弛的主要原因. 在前期工作基础上, 从弹性势能面和双颗粒温度热力学角度分析了弹性弛豫的机理, 量化了弹性应力演化不可逆过程; 基于双颗粒温度热力学计算得到了弹性能、颗粒温度和应力的演化, 其中应力松弛的计算结果与实验结果基本一致, 讨论了颗粒温度初值和输运系数的影响. 指出, 开展力链结构及其动力学研究是揭示宏观弹性弛豫机理的关键.     

产生二步混合激发受激辐射的光延时效应研究

本文对双光束二步混合激发气体样品产生受激辐射的光延时效应进行了研究.通过三能级模型计算了激发能级上粒子数布居随时间的变化,并以实验进行验证.计算得到与实验值符合较好.     

组织内包膜微泡声空化动力学及其力学效应分析

声空化机械效应是聚焦超声治疗的重要物理机制.以脂类包膜微泡/纳米相变液滴为空化核可显著地增强空化效应,本文耦合空化动力学、组织和脂类包膜黏弹性模型,构建了组织内脂类包膜微泡声空化动力学模型,数值分析了微泡声空化动力学行为以及周围组织内机械应力的时空分布规律,并探究了包膜材料、组织黏弹性和驱动声压等关键参数的影响.包膜和组织黏弹性都将抑制微泡振动,但组织黏弹性的抑制作用更大.组织内机械应力在膨胀阶段为挤压应力,而在收缩阶段和反弹初始阶段为拉伸应力,且应力局部分布于微泡壁附近,随着距离增大而显著减小,其中拉伸应力衰减率明显更大.包膜黏弹性可减小应力,但声压较大时,应力减小可忽略不计.应力随着组织弹性增大而减小,随着组织黏度增大而先增大后减小,随着声压增大而增大.本研究可为进一步阐释聚焦超声治疗中组织机械损伤的内在机制奠定重要理论基础.     

基于力磁耦合效应的铁磁材料修正磁化模型

Jiles-Atherton (J-A)模型和Zheng Xiao-Jing-Liu Xing-En (Z-L)模型在分析应力对铁磁材料磁化的影响方面应用十分广泛.目前, J-A模型中的磁致伸缩应变与应力和磁化强度的关系式采用Jiles给出的经典拟合公式,该拟合公式中磁化强度的二次项和四次项系数与应力均为线性关系,不能准确描述铁磁材料磁致伸缩系数随应力、磁化强度的非线性变化规律; Z-L模型中磁致伸缩应变与应力和磁化强度的关系式采用了双曲正切函数tanh(x),更好地描述了铁磁材料磁致伸缩应变和磁化强度随应力的非线性变化规律,但Z-L模型却没有考虑Weiss分子场、钉扎效应的作用,且由于采用了基于弹性能的接近定理,只能描述弹性应力对磁化过程的影响.针对上述问题,本文结合Z-L模型中的非线性磁致伸缩应变关系式以及J-A模型中的磁滞理论,考虑弹性应力、塑性变形对模型参数的影响,建立了能够反映弹-塑性阶段应力与塑性变形对铁磁材料磁化曲线影响的修正磁化模型,分析了弹性拉、压应力及塑性拉、压变形对磁化曲线、矫顽力和剩余磁化强度的影响规律.通过与试验结果及原有模型的计算结果进行对比,发现修正模型能够更好地反映单次磁化、循环磁化过程中应力、塑性变形对磁化曲线的影响规律,理论预测结果与试验结果之间的相关系数均在0.98以上,可为分析力磁耦合效应对铁磁材料磁化影响规律提供更准确的理论模型.     

Ni53.2Mn22.6Ga24.2单晶的两步热弹性马氏体相变及其应力应变特性

对具有两步完全热弹性的Ni_53.2Mn_22.6Ga_24.2单晶的物性采用多种测量手段进行了表征,特别研究了不同温度下的应力-应变特性.研究表明,热诱发的中间马氏体相变应变远大于马氏体相变应变.在较低的形变温度下,沿单晶母相［001］方向的压应力诱发的是两步马氏体相变,材料表现出赝弹性;在较高的形变温度下,只能观察到一步马氏体相变,材料展现出完全超弹性特性.此外,利用热力学理论分别计算了诱发马氏体相变和中间马氏体相变的临界应力与形变温度的关系,与实验测量得到的结果相符. 关键词： 马氏体相变 形状记忆效应 应变 超弹性     

高速摄影在光弹性试验中的应用

光弹性法是应力分析的重要方法,它将“应力”这样一个看不见的抽象的概念以条纹图象的形式反映出来。以往一般光弹性试验都是在静载荷情况下来求应力的静态分布。现在我们将一般的光弹性试验与高速摄影结合起来,用分幅和狭缝扫描两种高速摄     

角分辨布里渊光散射对材料的弹性和热学性能研究的综述

材料的弹性和热学性能对于材料基本性质研究、器件的结构设计以及性能优化等具有重要的参考价值.本文综述了角分辨布里渊光散射的基本原理以及如何利用角分辨布里渊光散射光谱技术获得材料的弹性常数、德拜温度和晶格热导率等物理量,并介绍了该技术在研究块体、薄膜和二维材料的弹性和热学性能以及相关物理现象如声子瓶颈效应、尺寸效应等中的应...     

光弹性颗粒的线扫描测力方法

提出了基于对光弹颗粒的应力光图进行加载点至圆心的线扫描以测接触力大小的办法.在正交圆偏振光场中获取了光弹颗粒的应力光图的等差条纹图案后,通过数字图像的处理,获取颗粒模型边界,得到颗粒圆心,半径等信息.并从应力光图的平方灰度梯度分布图出发,提出一种能够自动检测颗粒的接触点位置信息的方法.由多点加载的二维圆盘颗粒的光弹性原理,结合接触点位置信息,在力范围内,模拟得到每一种的接触力情况的每一加载点至圆心连线上光强灰度变化.将其与实验光强结果对比,可反推出颗粒接触力的大小.     

高功率薄片激光介质温度与应力数值模拟

NdYAG薄片激光介质采用上表面二极管阵列泵浦,下表面冷却的工作方式,对NdYAG薄片激光介质和Cu冷却器建立了理论计算模型.分别计算了在不同泵浦面积的条件下薄片的温度分布和应力大小,薄片泵浦面积大小与应力的关系,以及在NdYAG薄片与Cu冷却器之间增加与NdYAG热膨胀系数相近的介质层材料对应力影响的关系.计算结果表明在泵浦功率密度、外界温度和冷却条件一致的情况下,泵浦光泵浦整个薄片时总体应力最小,应力主要是由于NdYAG薄片与Cu冷却器热膨胀系数不匹配而产生的,增加介质层能改变应力大小;泵浦光泵浦部分薄片时总体应力较大,应力主要是薄片泵浦区与非泵浦区温差造成的,与介质层无关.     

激光谐振腔内光学元件的热光效应

本文分析了多模激光束加热内腔元件所引起的温度场分布及热聚焦效应。计算得到的LiNbO₃寻常光和非常光的输入功率-输出功率曲线与Konvisar等人的实验结果符合,修正了他们计算的非常光曲线。在实验上,也观测了LiNbO₃的内腔热光滞后现象,并测量了内腔热光聚焦效应。 关键词：