二维磁性纳米材料的可控合成及磁性调控

自旋电子学的研究重点在于同时利用电子的电荷和自旋两个自由度对信息进行处理和存储,其具有运行速度快、存储密度高和能耗低等优势。毫无疑问,发展二维磁性纳米材料的可控合成方法及磁性调控策略,对于新型自旋电子学器件的构筑具有重要的科学意义和应用价值。然而,目前得到的二维磁性纳米材料的种类十分有限,而且合成方法及磁性调控手段相对单一,极大地限制了该领域的发展。本文首先根据磁性的来源,对二维磁性纳米材料进行了分类,介绍了诱导产生的磁性和具有本征磁性的二维纳米材料,然后详细地归纳了二维磁性纳米材料常见的合成方法,如机械剥离法、电化学剥离法、化学气相沉积法以及液相合成方法等。此外,着重总结了二维材料磁性的主要调控手段,最后展望了该领域遇到的瓶颈、未来的研究重点及应用前景。     

一种简单灵敏的基于适配体的黄曲霉毒素B1电化学传感器

黄曲霉毒素B1（AFB1）以其高毒性和致癌性成为食品安全隐患而备受关注. 本文拟构建一种新颖、简单、快速、灵敏的传感器用于谷物食品中AFB1的痕量检测. 将介孔碳（CMK）修饰在工作电极表面来增大电极的表面积,再将工作电极恒电位沉积金纳米粒子（AuNPs）,提高电信号的同时,为下一步巯基化适配体的连接提供位点. 检测过程中,AFB1可以竞争性地去除吸附在适配体链上的亚甲基蓝（MB）引起电信号的变化,对AFB1进行定量检测. 修饰的工作电极导电性能得到改善,灵敏度大大提高,对AFB1的线性响应范围为0.1 ~ 75 μg·L^-1,检出限低至36 ng·L^-1. 在对不同谷物食品（大米、玉米、糯米）进行加标回收实验中,回收率在92.3% ~ 103.6%范围之间,实现对目标物的定量检测. 本文为食品中AFB1快速检测方法提供了一种新思路和新方法.     

锂离子电池多孔电极理论的回顾与新思考

本文总结了Newman多孔电极理论的基本内容,提出若干改进思路. 提出基于离子-空穴耦合传输机制描述浓电解质中的离子输运过程,在此基础上引入离子-电子耦合转移反应的思想处理电极材料中的离子传输问题,并通过计算嵌锂材料的离子扩散系数验证其合理性. 总结了描述多孔电极多尺度结构的相关理论和技术,表明均质化方法和基于结构重建的介观模拟方法均能给出比较合理的有效输运参数,从而提高多孔电极理论模拟结果的准确性.     

台风过境下大型单桩式海上风机结构动力特性研究

风机大型化是我国海上风电技术发展的重要方向. 东南沿海是我国海上风电发展的重要基地, 这一区域频繁发生的台风对海上风机的影响不可忽略. 台风风场与常规大风风场有不同的湍流特性, 同时台风期间较高的风速会引起巨大的台风浪. 本文考虑台风经过期间独特的风场及波浪场, 开展风浪联合作用对大型单桩海上风机影响的研究. 基于DTU 10 MW大型单桩风机, 运用一体化分析软件SIMA建立风浪联合作用下大型单桩风机的耦合数值模型, 研究台风经过不同阶段大型风力机的动力响应特性. 计算结果显示, 叶片变桨能有效降低台风经过时风机叶片所受风载荷, 变桨状态下单桩风机所受风载荷主要来源于塔筒. 在台风经过的不同阶段, 大型单桩海上风机结构表现出不同的动力特性. 台风全过程塔筒运动均受波浪激发一阶频率控制, 塔基上方结构动力载荷以惯性载荷为主, FOVS至FEWS阶段及BOVS阶段至BEWS阶段塔筒运动一阶频率处响应能量增长较小, 响应能量向低频及波频转移. 塔基下方泥面线处剪力响应受波频控制, 弯矩响应受一阶频率控制.      

内孤立波作用下潜深对潜体运动响应和载荷特性的影响研究

内孤立波常发生于海洋密度跃层, 因其峰高谷深、携带能量巨大, 在传播过程中会导致跃层上下的海水流动呈现剪切状态, 并引起突发性的强流. 潜体在水下悬停时极有可能会遭遇内孤立波, 由于内孤立波的流场特性, 置于跃层上下的悬浮潜体所产生运动响应和水动力载荷变化不尽相同, 甚者会出现掉深现象. 为探究潜深对波体耦合作用的影响, 基于不可压缩N-S方程和mKdV理论, 采用速度入口造波, 结合重叠网格技术和流固耦合方法, 建立了分层流中内孤立波耦合水下潜体多自由度运动的数值模型, 通过该模型分析了不同潜深下悬浮潜体的运动响应和载荷特性. 结果表明: 在内孤立波作用下, 位于密度跃层上方和跃层中的潜体顺着波的前进方向运动, 先下沉后抬升, 位于跃层下方的潜体则会逆流持续下沉; 潜体与波面的垂向距离越小, 对其纵荡、垂荡和速度的影响越显著, 而位于密度跃层中的潜体在分界面处沿着波形运动, 其运动响应和载荷变化受影响较小; 潜体在跃层上、下流体中所受水平力的方向相反, 水平力峰值小于垂向力峰值, 且位于跃层下方的潜体一直受到低头力矩, 最终导致掉深.      

高马赫数下激波液滴相互作用的数值模拟研究

本文采用守恒清晰界面多相流数值方法模拟了超声速和高超声速环境下三维液滴的推进、变形和破碎演化过程.数值模拟结果与实验数据的一致性表明了本文所用数值方法和计算程序的准确性, 而网格无关性研究验证了采用的网格分辨率可以捕捉流场和界面的主要特征. 模拟结果验证了高韦伯数下液滴变形破碎过程所遵循的剪切诱导剥离(SIE)破碎机制, 其包含液滴的扁平化和剪切剥离两个主要特征. 而最近发现的SIE破碎机制下的循环破碎机制也在本文得到了验证, 即主液滴从球形液滴破碎为小液滴会经历多个循环重复的破碎阶段, 高韦伯数下液滴的破碎并非一次性剪切剥离的结果, 而是会发生逐层的剪切剥离和破碎. 本文还研究了马赫数对激波冲击液滴加速变形过程的影响. 结果表明, 高韦伯数下不同马赫数的液滴破碎过程具有高度一致性, 并遵循统一的SIE破碎机制.通过对液滴质心位移、速度、加速度和拽力系数的量化统计揭示其运动过程中的统一加速规律. 在激波的驱动下, 液滴并非以一个恒定的加速度做加速运动.在扁平化不明显的前期, 液滴以一个恒定的加速度做加速运动.随着液滴扁平化的发生, 迎风面积的增加导致拽力系数的增大, 进而导致液滴加速度的不断增大.      

基于碎点法的动态断裂分析

工程中的冲击防护结构在撞击、爆炸等冲击载荷下可能发生动态断裂并最终破坏, 抑制结构的动态断裂是提升结构防护能力的重要手段, 为此需要准确预测结构在动态载荷下的断裂行为. 数值仿真是预测动态断裂的重要手段, 然而当前工程中常用的有限元法在模拟断裂方面仍存在网格畸变和难以显式引入裂纹等问题. 碎点法是近年来提出的一种不连续型伽辽金弱形式无网格方法, 适合模拟断裂问题, 本文提出一种显式动力学格式的碎点法并将该方法应用于动态断裂分析. 一方面, 碎点法参考弱形式无网格类方法, 将求解域离散为空间中的节点和子域, 并基于支持域内的节点群构造子域的位移试函数, 因此该方法的子域具有抵抗畸变的能力. 另一方面, 碎点法参考间断伽辽金有限元法, 使用分片连续的位移试函数, 并引入内部界面数值通量修正保证方法的一致性和稳定性, 因此该方法易于在结构中显式引入裂纹. 本文首先介绍碎点法的核心思想和离散形式, 接着推导了动力学碎点法弱形式动量方程, 然后建立了碎点法的显式动力学求解格式, 最后通过算例验证动力学碎点法预测应力波传播和动态断裂行为的能力.      

动点的牵连运动分析与运动合成定理推证

点的合成运动分析中,复杂运动合理地分解和合成的关键在于牵连点的运动分析,牵连点是动系上与动点瞬时相重合的点,由于动点在动系上不断变迁,故牵连点随时间变动。本文指出,任一瞬时,牵连点均是动系上的某一“固定”点,仅随动系一起运动,采用解析方法提出了牵连点速度和加速度的一种表示方法,并推导了点的速度和加速度合成定理。本方法无需引入相对导数,易于学生理解。     

人类背包负重步行能量消耗计算模型研究

依据背包负重步行能量消耗相关参数的试验结果,建立数学模型计算能耗,验证其模型的正确性,并探讨背包负重参数对人类步行能量消耗的影响。采用双质量-弹簧模型,类似于人类背包负重行走模型,构建模型运动学方程。结果表明,弹性背包固有频率低于步行共振频率时,能量消耗显著减少;弹性背包能量消耗与人体共振频率附近时增加,且在较高速度或较大负重时更加显著;人体垂直方向位移、相位差以及不同背包参数的净机械功模型计算结果与试验结果基本一致。适宜的弹性背包能有效地减少阻尼、大负重、快速步行时的能量消耗;双质量-弹簧模型计算背包负重行走能耗与试验结果基本吻合,说明该模型建模方法合理,可用于人体背包负重行走能量消耗的预测。     

滑坡冲击铲刮变量的计算方法研究

高速远程滑坡运动过程中,冲击铲刮效应不仅增加滑坡的体积与规模,而且会增大滑坡成灾范围,风险预测与判断出现明显误差,导致灾难性事件的发生。目前对于高速滑坡的铲刮深度、铲刮范围和铲刮体积等变量计算往往是采用基于经验的铲刮率算法,其是通过体积增量来反算铲刮变量的数学方法,而实际情况中高速滑坡的冲击铲刮是滑体冲击力和地表可铲刮材料之间的力学屈服破坏作用的结果。本文基于接触力学、弹塑性力学和岩土力学,提出了地表可铲刮层在附加冲击荷载作用下铲刮变量的理论计算方法,认为竖向冲击和切向剪切是滑体冲击铲刮过程的两种主要作用方式。结合实际岩土体材料参数,发现不考虑切向荷载时,铲刮层塑性区主要以竖向破裂区为主,考虑切向荷载时,铲刮层塑性区沿切向迁移,直至塑性边界贯通至地表,符合实际情况,实现了对铲刮变量的定量化计算。