Propagation behavior of elastic waves in one-dimensional piezoelectric/piezomagnetic phononic crystal with line defects

Using a stiffness matrix method, we in- vestigate the propagation behaviors of elastic waves in one-dimensional （1D） piezoelectric/piezomagnetic （PE/PM） phononic crystals （PCs） with line defects by calculating energy reflection/transmittion coefficients of quasi-pressure and quasi-shear waves. Line defects are created by the re- placement of PE or PM constituent layer. The defect modes existing in the first gap are considered and the influences on defect modes of the material properties and volume fraction of the defect layers, the type of incident waves, the location of defect layer and the number of structural layers are discussed in detail. Numerical results indicate that defect modes are the most obvious when the defect layers are inserted in the middle of the perfect PCs; the types of incidence wave and material properties of the defect layers have important effects on the numbers, the location of frequencies and the peaks of defect modes, and the defect modes are strongly de- pendent on volume fraction of the defect layers. We hope this paper will be found useful for the design of PE/PM acoustic filters or acoustic transducer with PCs structures.     

均匀水流冲击下扭王字块断裂失稳过程的数值模拟研究

扭王字块是一种重要的港口防波堤护面块体,其断裂失稳过程与所受水流冲击力密切相关。文章以基于连续介质力学的离散元方法(CDEM)为基础,通过引入FVM算法及半弹簧-半棱联合接触模型,分别实现了大位移下单元变形的准确计算及单元接触的快速更新。基于改进后的CDEM方法,通过在扭王字块表面施加按流速方向逐渐增加的动态面力,对均匀水流冲击下单扭王字块的断裂过程及扭王字块群的失稳滑移过程进行了数值分析。通过分析,不同方向水流冲击下单扭王字块的主要断裂模式为沿着根部的折断,其断裂流速约为21~25m/s;不同吨位下扭王字块群的失稳模式为扭王字块单体从群体中跳出,其失稳流速约为4~11m/s。     

一种线结构光振镜扫描测量系统通用标定方法

线结构光振镜扫描测量系统通过单个反射镜片摆动实现被测对象三维面形的测量,具有环境适应性强、测量速度快和结构紧凑等优点。为降低系统装调难度、提升标定方法的通用性,提出了直接建立反射激光平面方程系数与振镜摆角关系的标定思路。考虑系统各元件间的相对位姿关系,推导并得到了激光平面各系数与振镜摆角的一般表达式。根据特定摆角处得到的激光平面方程系数,采用最小二乘方法得到该表达式中的待定系数。实验结果表明,采用所提方法标定的测量系统对阶梯块高度测量的最大相对偏差为-0.3029%,成功实现了复杂曲面的多尺度特征获取。     

基于支持向量机估算大气光学湍流廓线的研究

主要利用支持向量机的机器学习方法开展估算大气光学湍流廓线的研究。通过选取沿海地区实测探空数据,利用温度、压强、相对湿度、风速、风速切变和温度切变实测廓线数据,依据支持向量机估算得到不同日期的大气光学湍流廓线,并与实际测量值进行比较。误差分析结果表明:在2018-05-05和2018-05-10,估算的大气光学湍流廓线与实际测量廓线的均方根误差分别为0.4461和0.3939,相关性分别为70.42%和62.17%。研究证明:根据实测数据训练学习得到的支持向量机模型能够较为准确地估算沿海地区大气光学湍流廓线,虽有一定误差,但大致趋势吻合,验证了支持向量机方法估算大气光学湍流廓线的可行性,从而为利用常规气象探空数据直接估算大气光学湍流廓线,并为建立相关模式的可能性打下基础。     

基于多轴差分光学吸收光谱探测的北京春季气溶胶垂直廓线

气溶胶垂直廓线是评估污染物来源、输送等途径的必要手段。气溶胶污染对环境和人体健康带来直接的影响。该研究于2019年4-5月,利用中国科学院大气物理研究所（39.98°N,116.39°E）的地基多轴差分光学吸收光谱（MAX-DOAS）仪,对北京地区春季大气光谱垂直廓线进行了观测。凭借MAX-DOAS实时、在线、连续的观测优势,能有效的对气溶胶进行监测。MAX-DOAS基于最优估算法（OEM）以及最小二乘光谱拟合法,并以辐射传输模型SCIATRAN作为前向模型,利用海德堡廓线（HEIPRO）算法反演得到气溶胶消光系数的垂直廓线,通过对气溶胶消光系数在其路径的积分获得气溶胶光学厚度（AOD）。利用地基太阳光度计观测的AOD和高塔观测的颗粒物质量浓度垂直廓线,分别与MAX-DOAS观测的AOD和气溶胶消光系数垂直廓线进行对比,验证MAX-DOAS算法的适用性。研究结果表明,MAX-DOAS与太阳光度计观测AOD结果,相关系数为0.92,斜率为0.89。三层气溶胶消光系数与PM_2.5质量浓度的皮尔森相关系数从低处到高处分别达到0.69（60 m）,0.77（160 m）和0.75（280 m）。并且,将气溶胶平均消光系数和对应三层（60,160和280 m）的PM_2.5平均质量浓度对比,发现两者趋势一致。同样的,为了验证MAX-DOAS是否具备准确识别污染物的长距离输送的能力,我们通过Angstrom指数确定沙尘天气,通过计算梯度理查森数和边界层高度确定静稳天气,分析了在特殊天气条件下,MAX-DOAS能够对沙尘和静稳天气做出及时、准确的响应。分析气溶胶平均消光系数,发现气溶胶垂直廓线随高度升高呈现指数衰减变化的趋势,并且气溶胶消光系数均值在1.5 km高度处约为近地面的50%左右,而在1.5 km以上消光系数会随着高度的增加而快速减小。当高度达到2 km左右时,气溶胶消光系数均值下降到了0.1 km-1。以上结果表明MAX-DOAS探测大气气溶胶垂直廓线具有较高的适用性。     

浅光晶格中量子隧穿现象的实验观测

基于一维水平光晶格的锶原子光晶格钟实验平台,当系统的稳定度和不确定度达到10-18量级以上时,由量子隧穿效应引起的钟频移变得不容忽视.在浅光晶格中,量子隧穿效应会使钟跃迁谱线发生明显的展宽现象,因此,本文通过研究浅光晶格中的量子隧穿现象,为⁸⁷Sr原子光晶格钟系统不确定度的评估奠定基础.本实验在一维⁸⁷Sr原子光晶格钟平台上,利用超稳超窄线宽的698 nm激光激发⁸⁷Sr冷原子~lS₀(|g>)→~3P₀(|e>)跃迁(即钟跃迁),实现了对锶原子分布在特定量子态的制备.在深光晶格中,将原子制备到|e,n_z=1>态后,再绝热地降低光晶格阱深,然后在浅光晶格中,探测激发态的载波-边带可分辨的钟跃迁谱线.从钟跃迁谱线中观测到载波谱线发生了明显的劈裂,表明原子在光晶格相邻格点间产生了明显的量子隧穿现象.通过对光晶格中量子隧穿机制的理解,不仅有利于提高光晶格钟的不确定度,也可为观测光晶格中费米子的自旋轨道耦合效应提供基础数据.     

接触碰撞动力学的多变量选取方法

在柔性多体的接触碰撞动力学问题中,多变量方法基于附加约束的接触模型,将柔性体的变形用不同变量来描述：接触局部区域的变形用有限元节点坐标描述,非接触局部区域的变形用模态坐标描述,兼顾了计算精度和效率. 将该方法推广到三维空间碰撞问题,对两柔性杆纵向碰撞过程进行动力学仿真,数值结果与实验结果吻合良好,验证了该方法的有效性. 针对柔性体各自区域的变量如何选取的问题,研究了节点取法、模态阶数以及材料参数对计算结果精度的影响,寻找到合理的多变量选取方法,保证精度的同时使自由度得到最大程度的缩减.     

球链中冲击扰动的传播

采用Hertz接触理论处理牛顿摆中球与球之间的相互接触,建立球链碰撞模型,观察到碰撞过程中类似孤立波的传播现象.为了便于处理"n对m"碰撞的计算,编写了带有GUI(graphic user interface)界面的计算程序,可以研究不同撞击球个数对撞击过程的影响,包括球心位置、球心速度以及相邻小球间的变形量与相互作用力随时间的变化规律.进一步比较了一维球链模型和三维有限元模型的结果,并实验观察了碰撞过程的细节,得到一致性结论.     

MA对偶-信赖域算法在非线性不等式约束优化问题中的应用研究

针对含有非线性不等式约束条件的优化问题,提出了MA对偶-信赖域算法。在每次迭代过程中,基于信赖域方法和问题的逼近属性,构造了原优化问题中目标函数和约束函数的移动渐进线函数,由此建立简单的子优化问题。运用对偶方法求解子问题得到原优化问题的下降方向,再用线搜索方法取得搜索步长,最后得到下一步的迭代点。应用数学推理证明了该算法的全局收敛性。以悬臂梁最小柔度问题为例,应用MA对偶-信赖域算法对优化问题进行了求解,数值算例的结果表明,MA对偶-信赖域算法在求解非线性约束优化问题时比MMA和GCMMA算法的迭代次数少,收敛速度快。     

一种基于颗粒接触的二维无网格方法及其在高速冲击模拟中的应用

为解决基于连续介质力学的离散元方法(CDEM)在高速冲击模拟中因网格畸变导致的系统能量发散问题,提出了一种基于颗粒接触的二维无网格方法(PCMM)。该方法基于颗粒间复杂丰富的接触信息构建三角形单元,通过接触对的演化更新实现旧单元(满足删除条件的单元)的删除及新单元(满足创建条件的单元)的重建,通过在单元内引入流体弹塑性模型实现高速冲击问题的模拟。给出了三角形单元创建的3个必备条件:组成单元的3个颗粒必须彼此接触,任意一个内角必须在30°~150°之间,任意一条边长必须大于平均半径的0.5倍。弹性杆撞击、泰勒杆、碎片云、子弹入射靶板等算例的结果表明了PCMM方法在模拟高速冲击问题方面的正确性及合理性。