计算材料科学中桥域多尺度方法的若干进展

材料科学中存在固有的多尺度特性,桥域多尺度方法是在宏观尺度(如连续介质力学)中引入不同的细微观尺度的计算区域,乃至纳米尺度的分子动力学、量子力学计算区域,将不同尺度的研究方法通过一定的数学模型耦合在一起。该方法既能节约计算成本,又能保证所研究问题的物理特性。本文对多尺度方法的基本概念、跨尺度桥域多尺度方法的发展、基本原理、耦合方法和离散方程进行了讨论,给出了几个应用算例,并在最后进行了总结,展望了今后的可能发展方向。     

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。     

大脑血液动力学现象中的能量编码

神经信息的编码与解码是神经科学中的核心研究内容,同时又极具挑战性.传统的编码理论都具有各自的局限性,很难从脑的全局运行方式上给出有效的理论.而由于能量是一个标量具有可叠加性,因此能量编码理论可以从神经元活动的能量特征出发来研究脑功能的全局神经编码问题,取得了一系列的研究成果.本研究以王-张神经元能量计算模型为基础,构建了一个多层次结构的神经网络,通过计算机数值模拟得到了神经网络的能量消耗和血液中葡萄糖供能的变化情况.计算结果显示,和网络的神经活动达到峰值的时间相比,血液中葡萄糖的供能达到峰值的时间延迟了约5.6s.从定量的角度再现了功能性核磁共振(fMRI)中的血液动力学现象:大脑某个脑区的神经元集群被激活以后经过5~7 s的延迟,脑血流的变化才会大幅增加.模拟结果表明先前发表的由王-张神经元模型所揭示的负能量机制在控制大脑的血液动力学现象中起着核心的作用,预测了刺激条件下大脑的能量代谢与血流之间变化的本质是由神经元在发放动作电位过程中正、负能量之间的非平衡、不匹配性质所决定的.本文的研究结果为今后进一步探究血液动力学现象的生理学机制提供了新的研究方向,在神经网络的建模与计算方面给出了一个新的视角和研究方法.      

基于广义应变梯度理论的纳米梁挠曲电效应研究

挠曲电效应是应变梯度与电极化的耦合,它存在于所有的电介质材料中。在纳米电介质结构的挠曲电效应研究中,应变梯度弹性对挠曲电响应的影响一直以来被低估甚至被忽略了。根据广义应变梯度理论,应变梯度弹性中独立的尺度参数只有三个,而文献中所采用的一个或两个尺度参数的应变梯度理论只是它的简化形式。基于该理论,论文建立了考虑广义应变梯度弹性的三维电介质结构的理论模型,并以一维纳米梁为例研究了其弯曲问题的挠曲电响应及其能量俘获特性。结果表明,纳米梁的挠曲电响应存在尺寸效应,并且弹性应变梯度会影响结构挠曲电的尺寸效应,特别是当结构的特征尺寸低于尺度参数时。论文的工作为更进一步理解纳米尺度下的挠曲电机理和能量俘获特性提供理论基础和设计依据。     

不同电极数石英谐振器集群力敏特性分析

为了提高石英力敏谐振器的力-频转换系数,根据石英晶体压电效应及各向异性特性,利用Matlab数值计算方法,研究了径向力作用时AT切石英晶体薄圆片内各点的应力分布特点,设计了不同基频及不同电极数的石英力敏谐振器集群,并对其力敏特性进行了测试。结果表明:谐振器的力敏特性与谐振器的谐振频率、电极位置及力作用方位有关;集成于同一晶体基片不同位置的谐振器谐振频率作差频处理,得到的差频信号仍具有显著的力敏特性,同时差频信号中材料自身干扰因素的影响得到了抑制;在非耦合状态下,同一晶体基片上电极集成数越多,差频组合形式越多,得到的叠加信号的力敏特性越显著;经差频及叠加处理,集成式石英六电极谐振器的力-频转换系数可达8655.8 Hz/N。这种结构的力敏谐振器可用于高稳定的数字式力传感器及相关姿态检测控制系统。     

绝对重力测量异常值的局部异常因子检测算法

自主研发绝对重力仪的测量结果中出现的离群程度不同的异常值会直接影响测量结果的准确度和测量精度。目前一般采用的一元正态分布异常值检测算法漏检率高,容易造成测量结果的偏差和测量精度的下降。利用人工智能算法中的局部异常因子异常值检测算法,可以在线、快速、高效地完成自主研发绝对重力测量数据的异常值检测。首先,根据实测数据构建测试数据集,利用数值模拟确定局部异常因子算法邻域宽度参数的取值;然后,基于实测数据进行异常值检测并进行结果评估。评估结果表明,局部异常因子异常值检测算法对离群程度不同、连续出现异常值等情况检测效果明显优于一元正态分布异常值检测算法,组测量精度平均提高9.37μGal,可以作为自主研发绝对重力仪异常值检测的通用算法完成组测量结果的异常值检测。     

基于能量变化的微尺度金属应变突变准则研究

微尺度金属在塑性变形过程中呈现出显著的应变突变特性。本文以力加载条件下单晶Ni微米柱体和位移加载下Au纳米柱体为对象,探讨应变突变的判定准则与不同特征阶段的判别条件。首先从经典塑性理论Hill稳定性条件出发,分析微柱体变形过程中的动能变化,提出了应变突变发生与结束的判定准则。进一步分析柱体变形过程中的内能变化,结合动能变化的分析结果,给出了微尺度金属不同变形阶段的判别条件。通过与文献中实验与理论结果对比发现,基于动能变化的应变突变判定准则能够判断应变突变的发生与结束,基于能量变化的判别条件可以有效区分微柱体的不同变形阶段。最后对新理论准则的可靠性与适用性进行了讨论。     

轴承自供能监测的径向电磁式能量俘获建模与实验研究

无线网络和低功耗微电子技术的进步推动着设备健康监测技术的网联化和智能化发展。轴承作为旋转设备的关键部件,对国防、轨道交通、风电等重大装备的健康状态起到了非常重要的作用,实现轴承状态监测的微型化和自供能是装备智能化的重要技术基础。本文针对于轴承无线传感器网络的供能问题,提出了一种用于轴承自供能监测的径向电磁式旋转能量俘获建模方法,并通过引入环形Halbach永磁阵列增强了线圈中的磁场强度,提高了能量俘获系统的输出性能。基于磁荷理论和空间坐标变换给出了环形Halbach永磁阵列的径向磁场计算方法,进而利用电磁感应原理建立了电磁式旋转能量俘获系统的输出电压模型,仿真分析了不同参数对系统输出电压的影响。有限元仿真和不同转速下的实验结果验证了所建立模型预测输出电压的准确性,同时功率测试实验表明设计的俘能系统在1000rpm转速下可实现81.2mW的输出功率。     

基于微弱磁场测量的钢丝绳无损探伤

在漏磁原理以及磁偶极子模型的基础上,基于理论分析和数值仿真结果,设计了便携式钢丝绳无损探伤装置．对不同类型(内部、外部)缺陷的漏磁信号进行在线监测,通过分析漏磁信号波形和B_y-B_x图,建立了漏磁信号与缺陷之间的定性和定量关系,实现了钢丝绳损伤的高精度在线定量识别和定位．     

几种常见阴离子的高效毛细管电泳-电导分离检测

采用柠檬酸-柠檬酸钠作为缓冲体系,使用负高压,对Cl-、NO3-、HCO3-、H2PO4-几种常见阴离子进行了分离检测,研究了缓冲剂的种类、浓度、pH值及操作电压对分离的影响;在选定的条件下,定量线性范围为Cl-5.0×10-5～2.5×103md/L,NO3-6.0×10-5～2.0×10-3mol/L,HCO3-1.0×10-5～2.0×10-3mol/L,H2PO4-6.0×10-5～1.0×10-3mol/L;检出限为Cl-1.5×10-5mol/L,NO3-3.0×10-5mol/L,HCO3-1.0×10mol/L,H2PO4-2.0×10-5mol/L;4种离子的RSD(n=6)分别为3.1%、33%、2.6%和2.9%;应用选定条件对自来水样品进行了分析,结果令人满意.