基于光盘衍射系统的衍射效应及其现象探究

本文基于光栅方程矢量化,将传统二维平面光栅衍射的二维作用域延拓至三维空间,并定量分析了三维欧式空间中入射光经光盘衍射后方向具有可预测性.本文通过将光栅方程矢量化,定量解释了在远距条件下光盘表面彩色线状结构出现的必然.引进空间光锥对衍射主极大的上确界进行了定量计算,并将衍射光方向进行了很好的可视化描述.最后结合色散本领、重叠现象、深阱效应和视差角,较好地解决了如何经光盘衍射后得到更纯的彩色线,并给出了CD和DVD两种常见光盘的共性和差异性,发现理论和实验符合较好.     

不同粗糙度煤岩界面超低摩擦效应与声发射特征试验研究

为了揭示动载扰动作用下煤岩界面粗糙度对超低摩擦型冲击地压影响机制,采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以沈阳红阳三矿1082 m采深煤岩体为研究对象,通过改变煤块与砂岩块体表面粗糙度来模拟煤岩界面不同粗糙特性,以粗糙度系数表征煤岩界面粗糙程度,工作块体水平位移表征冲击过程中超低摩擦效应强度,声发射能量为工作块体摩擦滑动过程中的信号参数,进行应力波扰动下不同粗糙度煤岩界面超低摩擦试验.研究结果表明:(1)超低摩擦滑动过程中,工作块体水平位移、声发射能量计数以及累计能量曲线呈现出孕育阶段、激发阶段、稳定阶段变化特征;(2)煤岩界面粗糙度越小,工作块体水平位移和声发射能量峰值越大,煤岩界面越易发生超低摩擦效应;(3)不同煤岩界面粗糙度下,相比于其他扰动频率, 2 Hz时更易发生超低摩擦效应;(4)给出了声发射能量峰值与煤岩界面粗糙度系数对应关系.声发射能量峰值可以有效表征超低摩擦效应强度,可以用声发射能量峰值预测超低摩擦效应强度.     

考虑应力梯度效应的金属微梁屈服模型研究

一系列微加载测试结果表明,金属微梁的弯曲强度会随着材料外部几何特征尺寸的减小而显著升高,呈现出明显的尺寸相关性.基于位错塞积模型,探讨了纯金属单晶微梁的初始屈服应力,并提出了描述其尺寸相关性行为的关键内禀特征长度.通过综合分析现有的微梁弯曲实验及其离散位错动力学数值模拟结果,并考虑到位错-自由表面交互作用的影响,提出了一种仅涉及位错源的位错塞积构型.在此构型下,对线性应力梯度作用下的位错塞积行为进行了连续性分析,并建立了一个由位错源主导的应力梯度屈服模型.该模型有效地解释了微梁初始屈服应力的尺寸相关性,并与实验结果一致.研究结果表明,针对外部几何特征尺寸在数微米及以下的纯金属单晶微梁,位错塞积行为是其尺寸相关性行为的主导机制,而且刻画这种行为需要两个内禀特征长度参数,即位错源长度和位错塞积长度.为解释非均匀加载条件下微尺度晶体材料屈服应力的尺寸相关性行为,特别是纯金属单晶微梁,提供了新的视角.     

考虑Gauss移动热源瞬态效应的传热结构拓扑优化

针对热源位置随时间发生变化的结构热传导问题,考虑Gauss移动热源进行瞬态热传导拓扑优化设计. 分别以整个时间历程内传热结构散热弱度最小化与区域温度最大值最小化为设计目标,体积分数为约束条件,采用伴随变量法推导目标函数与约束条件的敏度信息,借助移动渐进线法更新设计变量,研究了不同Gauss热源移动路径与移动速度对拓扑优化结果的影响. 结果表明,瞬态拓扑结构相较于稳态结果具有明显时变性,同时最佳传热构型受到热源加热时间和移动速度及路径的多重影响.     

循环荷载作用下金属玻璃的硬化行为研究

本文采用分子动力学模拟方法研究二元Cu-Zr金属玻璃在循环荷载作用下的力学行为,并通过荷载-位移曲线、Voronoi指数、局部剪切应变等多种方式分析了不同合金比例和不同加载速率下的硬化行为.结果表明,Cu-Zr金属玻璃的屈服能力随Cu含量的增加而增加,主要是由于Cu含量高的金属玻璃有着更多的短程有序结构.四种不同比例的金属玻璃经过循环荷载诱导后,大深度压痕下的平均硬度比单次压痕下的平均硬度分别增加了1.86%～3.17%.循环过程中剪切带的产生和累积,以及压头下方区域的平均原子体积减少,使得结构更加紧密,从而可以抵抗进一步的变形,这是导致硬化行为的主要因素.采用不同加载速率对Cu₅₀Zr₅₀金属玻璃进行单次压痕和循环压痕,加载速率越高,金属玻璃的平均硬度越高,硬化效应也越明显.     

智能二维光子晶体水凝胶精准检测Hg2+

结合二维光子晶体的德拜衍射效应和水凝胶的体积相转变特性,开发了一种智能二维光子晶体水凝胶,用于精准检测Hg²⁺.采用“三明治”法制备了聚苯乙烯二维光子晶体阵列嵌入的聚（丙烯酰胺-烯丙基硫脲）水凝胶.水凝胶链上功能基团的N、O、S等原子与Hg²⁺选择性配位,缩短了水凝胶链之间的距离,增加了水凝胶的交联密度,使其收缩,导致二维光子晶体的聚苯乙烯微球间距缩小,德拜衍射环直径变大.通过监测二维光子晶体水凝胶响应前后的德拜衍射环直径,获知微球间距变化,实现了高灵敏、高选择性、快速、可逆检测Hg²⁺.线性检测范围为10～100nmol/L和25～200μmol/L,最低检测限3.32nmol/L.所制智能二维光子晶体水凝胶已成功应用于化妆品及水样中Hg²⁺的检测.该方法测试简单,只需激光笔和刻度尺,无需精密的仪器设备,可实现便携式检测,为金属离子检测提供了新思路.     

考虑表面效应的压电半导体梁的静态屈曲行为研究

鉴于表面效应和挠曲电效应对纳米材料或结构的力学行为具有显著影响,以纳米尺度压电半导体(PS)梁为研究对象,根据Hamilton变分原理,推导建立了考虑Steigmann-Ogden表面弹性效应和挠曲电效应的Euler-Bernoulli梁理论模型和相应的边界条件.结合电荷守恒方程和线性漂移扩散方程,研究了该梁结构的静态屈曲行为,得到了短路和开路条件下梁结构的等效弹性常数和屈曲临界压力的解析解.详细分析了表面效应、尺寸效应、挠曲电效应以及载流子屏蔽效应等因素对梁结构的等效弹性常数的影响规律和作用机制.该文的研究结果对基于纳米压电半导体梁结构电子器件的设计和应用具有指导作用.     

磁电弹性材料含纳米尺度唇口次生两不对称裂纹的反平面问题

基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论和磁电弹性(MEE)理论,利用解析函数的保角映射技术,研究了反平面机械载荷和面内电磁载荷作用下,MEE材料中含有纳米尺度唇口次生两不对称裂纹的断裂行为,给出了缺陷(裂纹和唇口孔)周围广义MEE应力场和裂纹尖端MEE场强度因子以及能量释放率的解析解.在特殊条件下,所得结果退化为已有结果或者给出新的结果.数值算例揭示了缺陷表面效应对裂纹尖端MEE场强度因子的影响与纳米圆孔半径、唇口孔的大小、唇口次生裂纹大小,以及外加的机-电-磁载荷有关,也揭示了考虑表面效应时,无量纲能量释放率随唇口宽度、无穷远处机械载荷、电载荷和磁载荷的变化而变化.     

考虑率效应的Ladeveze本构模型在复合材料损伤失效中的研究

为研究单向纤维增强复合材料在单轴载荷作用下的承载特性与失效模式差异,对复合材料单向板承载时的塑性累积与损伤演化等力学响应进行了有限元预测. 首先,引入基于2D连续介质损伤理论的Ladeveze本构模型,并将其看作平面应力问题. 考虑材料塑性行为的影响,并假定塑性强化为各向同性强化,利用FORTRAN编程语言对LS-DYNA进行二次开发,编写了基于Ladeveze损伤本构模型的用户材料子程序. 利用LS-DYNA建立复合材料单向板的有限元仿真模型,研究了其在承受纵向拉伸、纵向压缩、横向拉伸,面内剪切等载荷下的典型失效行为,并与试验结果进行了对比,然后对所编写子程序的有效性进行了验证. 最后,引入对数型率相关修正函数,对复合材料承受不同应变率载荷下的破坏行为进行了预测,研究了单向纤维增强复合材料率效应敏感度与承载组分之间的关系.     

固体材料中微孔洞间挠曲电场的相互作用

该文研究了固体材料中常见缺陷微孔洞间挠曲电场的相互作用. 通过配点混合有限元法模拟并对比了单孔和双孔模型中孔洞附近的应力、应变梯度以及挠曲电场的分布情况. 数值模拟结果表明,当两个孔洞间的距离逐渐减小时,两孔附近的挠曲电场开始发生相互作用. 此外,进一步探讨了微孔洞间挠曲电场的相互作用随孔间距离和孔洞尺寸的变化规律. 结果表明,当孔间距离越近,尺寸越小时,孔间挠曲电场的相互作用越强.