船舶与海洋平台结构冰载荷的高性能扩展多面体离散元方法

船舶与海洋平台结构的冰载荷是寒区海洋工程结构物设计中的关键参数,而离散元方法是有效计算结构冰载荷的重要手段. 本文采用基于闵可夫斯基和原理的扩展多面体离散元方法模拟船舶与海洋平台结构的相互作用过程. 其中,构造扩展多面体的近似包络函数并建立了基于优化模型的快速接触搜索算法;考虑单元间粘结作用的刚度软化过程建标识码元间的粘结-破碎模型. 同时,发展了 CPU-GPU 协同异构环境下的高性能并行算法. 为分析海冰与海洋结构作用中的冰载荷,采用ISO标准验证了扩展多面体离散元分析结构冰载荷的准确性. 采用离散元方法计算了船舶结构的冰载荷,研究了船舶结构表明的线载荷分布特点,并采用船舶结构冰阻力经验公式验证了计算结果的合理性. 采用离散元方法计算了平整冰区与多桩腿平台结构的相互作用,分析各桩腿上的冰载荷特点. 针对碎冰区的海冰管理过程,采用离散元方法分析了船舶结构绕行过程中的船舶和海洋平台结构冰载荷. 本文方法可有效应用于海洋结构冰载荷分析,能为极地船舶与海洋平台结构的设计和安全运行提供科学的分析手段.      

小比距离密闭空腔爆炸爆后气体温度和压力测量技术研究

为实现空腔爆炸温度、压力变化趋势的准确测量,基于铠装K型热电偶和压力变送器,建立密闭空腔爆后气体温度、压力测量系统。设计密封隔热防护装置,将传感器的敏感端与信号调理模块分别安装在两个密封腔内,有效提高了传感器在大当量爆炸冲击条件下的存活率。在0.86m/kg^1/3比距离密闭空腔大当量爆炸条件下,对传感器及防护装置的性能进行考核验证,爆后测量采集到了有效的气体温度及压力变化历程,且传感器状态能够最终恢复至正常状态。测试结果表明,使用密封隔热安装的K型热电偶和压力变送器可以满足小比距离密闭空腔爆后气体静态温度、压力测量需求。     

N2与CO2对合成气爆炸特性影响的实验研究

为了研究惰性气体(氮气及二氧化碳)对合成气爆炸特性的影响,利用20L球形爆炸仪器,开展不同体积分数氮气与二氧化碳作用下不同当量比合成气的爆炸实验,从爆炸峰值压力、爆炸压力到达峰值时间、爆炸指数方面分析惰性气体对合成气爆炸特性的影响。研究结果表明:惰性气体体积分数的增加会降低合成气的爆炸压力和爆炸指数,推迟爆炸压力到达峰值的时间;在相同体积分数下,CO2比N2能更有效地降低合成气的爆炸峰值压力和爆炸指数,减小爆炸反应的剧烈程度,CO2在抑制合成气爆炸方面比N2的效果明显。     

不同泄压条件对方管内爆炸压力特性的影响

为研究泄压膜约束条件对甲烷/空气预混气体爆炸压力特性的影响,在方形火焰燃烧传播测试管道中布置压力传感器,开展不同泄压膜材料、泄压膜层数及泄压口位置实验。结果表明:牛皮纸和聚丙烯薄膜约束泄爆过程中,每增加一层泄压膜,管道内最大泄爆压力平均上升11.2%和12.3%。各强度泄压膜约束条件下,管道内最大泄爆压力随着泄压口位置接近点火端,均呈现Z形规律,当泄压口设置在距尾部端面0.25 m时,各曲线达到最小值,当泄压口设置在距尾部端面0.50 m时,各曲线出现最大值。     

负泊松比蜂窝材料的动力学响应及能量吸收特性

针对传统正方形蜂窝,通过用更小的双向内凹结构胞元替代原蜂窝材料的结构节点,得到了一种具有负泊松比特性的节点层级蜂窝材料模型。利用显式动力有限元方法,研究了冲击荷载作用下该负泊松比蜂窝结构的动力学响应及能量吸收特性。研究结果表明,除了冲击速度和相对密度,负泊松比蜂窝材料的动力学性能亦取决于胞元微结构。与正方形蜂窝相比,该负泊松比层级蜂窝材料的动态承载能力和能量吸收能力明显增强。在中低速冲击下,试件表现为拉胀材料明显的"颈缩"现象,并展示出负泊松比材料独特的平台应力增强效应。基于能量吸收效率方法和一维冲击波理论,给出了负泊松比蜂窝材料的密实应变和动态平台应力的经验公式,以预测该蜂窝材料的动态承载能力。本文的研究将为负泊松比多胞材料冲击动力学性能的多目标优化设计提供新的设计思路。     

约束端面对管内甲烷爆炸特性的影响

为研究不同约束端面下甲烷的爆炸特性,利用自行搭建的实验平台完成了多种约束端面下不同浓度甲烷的爆炸实验。研究表明:约束端面的性质对甲烷的爆炸特性有显著影响,约束端面的承压强度越高,甲烷的爆炸超压越大。单层PVC薄膜作用下,薄膜破裂,不会引起火焰与超压的振荡;而纸膜破裂后,管道内外气流的高速泄放和回流则会引起超压振荡,使火焰前锋波动并发生扭曲变形;两者共同作用时,PVC薄膜会阻碍气流的泄放与回流,加速超压衰减,抑制火焰和超压的振荡。然而,随着纸膜层数增加,破膜时管道内外形成的巨大压差会使约束端面完全破裂,降低PVC薄膜的抑制作用。当破膜难度达到一定程度时,约束端面作用下的泄压峰值成为不同浓度甲烷爆炸的最大超压峰值,且泄爆压力并不随甲烷浓度的改变而改变,因此不同浓度甲烷的爆炸超压在较高的泄爆压力下相同;此时,相同约束端面下不同浓度甲烷的压力振荡曲线在压力衰减的前半个周期内完全重合,管道内外的压差成为主导超压振荡的重要因素,而不同浓度甲烷的燃烧速率对超压振荡的影响则可以忽略不计。     

盘式制动器摩擦界面接触压力分布研究

在考虑具有可变效应的移动热源影响、制动盘与片的弹性影响以及界面摩擦热流影响等的耦合作用下,建立了一个三维瞬态盘式制动器热-结构耦合模型,利用大型有限元软件ANSYS的非线性多场耦合分析方法,分别数值模拟了不同状态下的制动器摩擦接触界面上的压力场分布情况.发现制动接触压力并非均匀分布,而是与制动盘和片的变形、摩擦力以及摩擦热-结构耦合有关.     

熊猫型保偏光纤光栅温度和压力传感特性的实验研究

对熊猫型保偏光纤光栅的传感特性进行了深入的实验研究,采用温箱和压力罐分别进行了温度和压力传感特性的实验研究.实验结果表明:在0～2.5 MPa的压强范围内,熊猫型保偏光纤光栅两个偏振方向上的压力敏感系数分别为0.004 88 nm/MPa和0.003 52 nm/MPa;在15～50 ℃的温度范围内,两个偏振方向上的温度敏感系数为0.01018 nm/℃和0.008 8 nm/℃.该光纤光栅两偏振态对温度和压力的不同敏感特性可用于解决光纤光栅的交叉敏感问题.     

聚合物的热压力系数及内压

本文将我们在前文中提出的修正van der Waals模型, 推广到了液态聚合物中, 从而建立了一个能在宽阔温度范围内准确计算聚合物热压力系数的关系式。式中ν和M分别为聚合物的比体积和链节的摩尔质量, A为聚合物的特性常数。对于本文考察的五种聚合物, 发现它们的链节大小均为聚合物的三个结构单元。     

使用超高效聚合物色谱(APC)系统对低分子量聚合物进行快速高分辨率分析

凝胶渗透色谱(GPC)是一种广泛认可并行之有效的聚合物表征方法。然而,尽管使用此技术可获得大量信息,但这类分析本身仍存在缺陷。色谱柱通常填充苯乙烯-二乙烯基苯,同时需要进行适当老化并应在低背压下运行以确保其长期稳定。填充颗粒通常较大(≥5μm),分辨率一般会因此而受影响。填充较小颗粒(<5μm)的色谱柱已投放市场,并能提高GPC分离速度,但分离速度会因色谱柱本身的最大工作压力偏低而受限。此外,常规GPC仪器的系统体积较大,这需要使用较大直径的色谱柱以减缓可能导致分辨率降低的系统峰展宽。沃特世ACQUITY超高效聚合物色谱(APC)系