具有表面效应的压电半空间中的表面波

纳米科技的快速发展使压电纳米结构在纳米机电系统中得到广泛应用,形成了诸如纳米压电电子学等新的研究方向.与传统的宏观压电材料相比,在纳米尺度下压电材料往往呈现出不同的力学特性,而造成这种差异的原因之一便是表面效应.本文基于Stroh公式、Barnett-Lothe积分矩阵及表面阻抗矩阵,研究计入表面效应的任意各向异性压电半空间中的表面波传播问题,导出了频散方程.针对横观各向同性压电材料,假设矢状平面平行于材料各向同性面,发现Rayleigh表面波和B-G波解耦,并得到各自的显式频散方程.结果表明,Rayleigh表面波的波速小于偏振方向垂直于表面的体波,而B-G波的波速小于偏振方向垂直于矢状平面的体波.以PZT-5H材料为例,用数值方法考察表面残余应力和电学边界条件对表面波频散特性的影响发现:表面残余应力只对第一阶Rayleigh波有明显的影响;电学开路情形的B-G波比电学闭路情形的B-G波传播快.本文工作可为纳米表面声波器件的设计或压电纳米结构的无损检测提供理论依据.     

EFFECT OF FABRICATION ON HIGH CYCLE FATIGUE PROPERTIES OF COPPER THIN FILMS

The influence of fabrication on the tensile and fatigue behavior of copper films manufactured by 3 kinds of fabrication methods was investigated. The tensile and high cycle fatigue tests were performed using the test machine developed by authors. Young＇s moduli （72, 71 and 69 GPa, respectively） are lower than the literature values （108-145 GPa）, while the yield strengths were as high as 358, 350 and 346 MPa, respectively and the ultimate strengths as 462, 456 and 446 MPa, respectively. There is not much difference in the tensile properties of the 3 kinds of films. There is little difference in the fatigue properties of the 3 kinds of films but one of them has shorter fatigue life than others in high cycle region and longer fatigue life than others in low cycle region.     

从苍蝇与物面的触粘看尺度效应

苍蝇与光滑硬物体接触时，靠腿上纤毛与物体表面产生吸附作用，在JKR接触理论下，得出考虑表面能作用时的粘附力表达式，结果表明芬蝇与物面的触粘和脱脱离界定了其纤毛的尺度范围，该尺度范围与扫描电镜观察的结果相一致。     

超疏水表面滑移理论及其减阻应用研究进展

减阻技术对提高原油采收率、降低液体流动阻力具有十分重要的意义.通过论述超疏水表面结构的基本理论、超疏水表面形成的主要影响因素和近年来仿生超疏水表面的制备方法,综合分析了超疏水表面滑移理论和基于这一理论的减阻技术的研究进展,并简单介绍了其在石油储层微孔道纳米降压减阻方面的应用,展望了超疏水表面滑移理论及其减阻技术的研究重点及应用前景.      

Spalding公式在脊状表面湍壁摩擦力测量中的应用

在低速风洞中来流速度一定的情况下使用IFA300恒温热线风速仪测量了光滑表面和两种不同尺寸的脊状表面湍流边界层平均速度分布剖面,并验证了试验段湍流发展的充分性;通过应用Spalding壁面公式使用最小二乘法精准拟合了实验测量的边界层内层速度分布曲线,得到了湍流边界层壁面摩擦速度并进一步求得湍流壁面摩擦应力,较准确地计算出脊状表面的虚拟原点位置,并通过与对数律公式拟合结果比较分析,证实了该方法更加准确有效. 最后分别计算了3种实验模型的湍流边界层动量损失厚度. 通过对比脊状表面与光滑表面动量损失厚度和壁面摩擦应力,反映了动量损失厚度的大小与壁面摩擦应力的大小具有一致性,充分证实了脊状表面在湍流中具有一定的减阻效果.      

无限大板开孔弹性波的散射及动应力集中

采用弹性平板理论及复变函数理论，对含孔无限大平板弹性波的散射及动应力集中问题进行了分析研究，建立了求解平板开孔动应力集中问题的复变函数方法。若同时采用映射变换，就为求解平板开任意形状孔的动应力集中问题提供了一种规范而有效的方法。为说明问题，本文给出了平板开圆孔及椭圆孔动应力集中因子的数值结果。     

一维离散结构能带结构与表面态的辛分析方法

基于辛几何方法推导了一维离散周期结构、半无穷周期结构和含杂质半无穷周期结构的本征方程,力求建立一个完整的辛分析体系.通过辛分析,将一维离散半无限周期结构转化到一个元胞上求解,大大简化了计算量.对于含杂质半无穷周期结构,结合辛分析和W-W算法,给出求解含杂质半无穷周期结构本征值问题的精确、稳定和高效算法.数值算例说明了本文算法的有效性.     

夯击能应用于高填土地基的一些探讨

大量工程实践表明 ,对填土及软土地基进行夯击加固时 ,夯击能的选取不仅与填土层的厚度有关 ,而且与填土层下覆土质的工程地质条件等因素密切相关。本文结合南方某港口填土地基加固工程实例 ,对在高填土地层中夯击能的使用问题进行了探讨 ,分析了当填土层的下卧层分别为坚硬土层和软弱土层、以及当填土层的填料分别为粗颗粒料和含水量较高的粘性土等细粒填料时 ,填土层加固的机理 ,制定了在不同条件下选取夯击能的标准 ,并根据现场检测资料 ,评价了该场地的地基加固效果 ,进一步验证了所确定夯击能标准的可靠性。     

SURFACE EFFECT ON NANOSIZED VOID GROWTH IN A RIGID-PERFECTLY PLASTIC MATERIAL

The influence of the surface effect on the nanosized spherical void growth in a rigidperfectly plastic material is analyzed and the mechanism of the nanosized void growth with high triaxiality is given. Based on the Rice and Tracey model for a macro void growth, the present model is proposed to account for the nanosized void growth under a uniform remote strain rate field with consideration on the surface effect. It is concluded that the surface effect yields an evident resistant influence on the nanosized void growth. That is, this influence decays as the void radius increases. With high triaxiality, the nanosized void growth is divided into two stages： the initial stage and the mature stage. At the first stage, the void grows slowly and the influence of surface effect is relatively weak, whereas at the second stage, the influence is significant and the void grows drastically.     

双层金属纳米板界面能密度的尺寸效应

界面能密度是表征纳米复合材料与结构界面力学性质的重要物理量.采用分子动力学方法计算了不同面心立方金属晶体构成的双材料纳米薄板结构的界面能密度,分析了界面晶格结构形貌变化及界面效应对原子势能的影响.结果表明:双材料纳米薄板界面具有周期性褶皱状疏密相间的晶格结构形貌,界面上原子势能亦呈现周期性分布特性,而靠近界面的两侧原子势能与板内原子势能具有明显差异.拉格朗日界面能密度和欧拉界面能密度均随双层薄板厚度的增加而增加,最终趋向于块体双材料结构的界面能密度.     

文克尔地基上阶梯式矩形板弹性曲面微分方程的解析解

本文应用阶跃函数建立了文克尔地基上阶梯式矩形薄板弹性曲面微分方程,并用初参法和作者引入的W运算符获得了该微分方程解的解析表达式。文中举例说明了本文方法的应用。     

FINITE ELEMENT MODELLING OF FREE SURFACE VISCOELASTIC FLOWS WITH PARTICULAR APPLICATION TO RUBBER MIXING

Internal mixers are used extensively in industry for mixing the components of rubber compounds. In these operations, in order to achieve effective mixing, the mixer chamber is always partially filled. This inevitably results in the appearance of multiple free surfaces in flow fields inside rubber mixer chambers. Mathematical modelling of such a flow regime is not a simple task and requires a great deal of effort. Traditional free surface flow-modelling techniques, which are mainly based on the use of volume-of-fluid or pseudo-density approaches in an Eulerian framework, are not flexible enough to cope with this problem. In this paper we describe a new method for the numerical modelling of free surface flows. In this method the pseudo-density approach is extended to a special Lagrangian framework along the trajectories of the fluid particles. We show that the developed scheme can very effectively simulate viscoelastic free surface flows encountered in rubber-mixing processes.     

A MECHANICS MODEL OF A MONOLAYER GRAPHENE BASED ON THE LENOSKY INTERATOMIC POTENTIAL ENERGY

基于对Lenosky 碳-碳共价键作用势连续化得到的单层石墨烯的势能和Hamilton 原理,导出了单层石墨烯的动力学方程. 使用该数学模型及Galerkin 方法,研究了矩形单层石墨烯片的静力挠曲问题. 结果显示,石墨烯片的几何尺寸较小时,弯曲刚度对结构的受力影响较大,可用板理论来描述;随着结构尺寸的增大,弯曲刚度的影响迅速降低;当矩形石墨烯片的短边尺寸大于10 nm 时,可以忽略弯曲刚度对结构的影响,使用薄膜理论来描述单层石墨烯的力学性质.     

APPLICATION OF PARAMETRIC DERIVATION METHOD TO THE CALCULATION OF PEIERLS ENERGY AND PEIERLS STRESS IN LATTICE THEORY

Applying the parametric derivation method,Peierls energy and Peierls stress are calculated with a non-sinusoidal force law in the lattice theory,while the results obtained by the power-series expansion according to sinusoidal law can be deduced as a limiting case of non- sinusoidal law.The simplified expressions of Peierls energy and Peierls stress are obtained for the limit of wide and narrow.Peierls energy and Peierls stress decrease monotonically with the factor of modification of force law.Present results can be used expediently for prediction of the correct order of magnitude of Peierls stress for materials.     

从受拉杆变形浅析弹性力学中的最小势能原理

最小势能原理是弹性力学中较难理解的知识点。本文通过对弹性杆轴向受拉时的弹性势能、外力势能和总势能的变分分析,得出总势能变分是位移变分或应变变分的二阶无穷小量,并在位移变分或应变变分为零时,总势能取得极小值。弹性杆轴向受力变形的分析应验了最小势能原理,有助于对一般情况下最小势能原理的深刻理解。     

奇点法在叶轮机械任意回转面亚音速可压缩流动计算中的应用

本文在[3]的基础上,进一步将传统奇点法的应用范围从计算不可压缩流动推广到叶轮机械任意回转面亚音速可压缩流动的计算,并在数值处理方面做了有益的改进.算例和设计实例表明本方法计算可靠并具有实用性,为叶轮机械准三元流动计算中S_1和S_2两类流面间的反复迭代提供了一个有力的计算工具.     

二维边坡稳定性分析的最小势能法新解

针对最小势能法研究的不足,通过条块虚位移方向的静力平衡方程确定滑面上剪应力的解析解,构建了一种新的剪切势能计算模型.同时,提出了一种多地层边坡稳定性分析方法.算例结果表明：剪切势能对边坡稳定性系数会产生影响,使得计算结果更为合理;运用文中方法计算得到边坡稳定性系数与极限平衡法的结果较为一致,表明文中的计算方法是可行且合理的;文中多地层边坡的计算模型,考虑了土层滑面长度以及法向力对边坡抗剪强度的贡献,且计算简便,易于工程人员使用.     

EFFECT OF INTERLAYER THICKNESS ON THE MODE I FRACTURE ENERGY RELEASE RATE OF SANDWICH STRUCTURE$^{\bf 1)}$

三明治结构作为载荷传递和连接元件,广泛应用于航空航天、材料表征、柔性电子等领域. 了解其断裂行为和特点能为三明治结构连接件极限载荷的设计提供理论指导. 基于改良弹性地基理论模型,本文提出了一种计算能量释放率的新理论模型,模型中考虑中间层厚度对三明治结构 I 型断裂能量释放率的影响. 结果表明,中间层厚度对三明治结构 I 型断裂的影响存在两个部分：中间层剪切力的影响及中间层引起结构刚度增大的影响. 当无量纲中间层厚度取最大值 2 时,传统模型与有限元计算结果存在 70% 以上的误差;采用本文的模型可以极大地提高精度,将误差降到 5% 以内. 相比改良弹性地基理论只适用于中间层厚度较小的情况,本理论模型的适用范围更广. 此外,利用本模型,本文选取了两个几何参数 (中间层厚度和裂纹初始长度) 和一个材料参数 (模量比) 进行研究. 讨论了剪切效应对结构几何和材料参数的敏感性. 在定载荷的基础上,讨论了几何和材料参数对能量释放率的影响;并在假定结构断裂韧性不变的基础上,得到了几何和材料参数对三明治结构临界载荷的影响规律.     

触、近水面爆炸自由场冲击波特性的试验研究

本文通过药量为0.05kg至32kgTNT的触、近水面化爆试验,介绍了空中、水中冲击波的测量方法和传播特性,并总结出一些计算冲击波参数的实用的经验公式。     

基面力概念在几何非线性余能有限元中的应用

以基面力为基本未知量描述一个弹性系统的应力状态并表征单元的余能,将大变形的余能分解为变形余能部分和转动余能部分,采用Lagrange乘子法放松单元的平衡方程,利用已有的弹性大变形余能原理建立了一种几何非线性显式有限元模型,编制了相应的几何非线性余能原理有限元程序. 数值算例表明:该方法具有较好的收敛性和计算精度,可进行大载荷步的大位移、大转动计算.