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SU-8光刻胶玻璃化转变温度及力学性能的分子动力学模拟

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高分子材料科学与工程 2014年第4期30卷 95-99页

作者：尚海鑫褚金奎高佳丽大连理工大学教育部精密与特种加工重点实验室大连理工大学辽宁省微纳米技术及系统重点实验室辽宁大连116024

基于COMPASS分子力场,经过分子聚合,能量最小化和退火模拟等构建SU-8光刻胶模型。利用分子动力学的研究方法,模拟研究了SU-8胶的玻璃化转变温度及其主要的影响因素;同时计算了在室温条件下交联SU-8胶的杨氏模量、泊松比、剪切模量、体... 详细信息

基于COMPASS分子力场,经过分子聚合,能量最小化和退火模拟等构建SU-8光刻胶模型。利用分子动力学的研究方法,模拟研究了SU-8胶的玻璃化转变温度及其主要的影响因素;同时计算了在室温条件下交联SU-8胶的杨氏模量、泊松比、剪切模量、体积模量等力学性能。结果表明,模拟得到的玻璃化转变温度和力学性能与实验结果相一致;非键能是导致非交联SU-8胶玻璃化转变的主要因素之一。

关键词： SU-8光刻胶分子动力学玻璃化转变力学性能

SU-8胶及其复合材料力学和阻尼特性的分子动力学模拟

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SU-8胶及其复合材料力学和阻尼特性的分子动力学模拟

作者：尚海鑫大连理工大学

学位级别：硕士

近年来,聚合物材料的研究成为了当前国内外学者的研究重点,许多研究者致力于开发新的材料配方、改进已有材料,希望能够合成天然的、具有优异特性的仿生材料。因此,本文基于SU-8光刻胶在MEMS领域的广泛应用,运用分子动力学的研究方法,针... 详细信息

近年来,聚合物材料的研究成为了当前国内外学者的研究重点,许多研究者致力于开发新的材料配方、改进已有材料,希望能够合成天然的、具有优异特性的仿生材料。因此,本文基于SU-8光刻胶在MEMS领域的广泛应用,运用分子动力学的研究方法,针对SU-8胶及复合材料的力学、热力学及阻尼性能等进行研究。不仅能够实现材料宏观性质的预测,还有助于从微观上认识和解析出材料宏观现象产生的机理。首先,本文结合分子力学和分子动力学的基本理论,分析了适合聚合物材料研究的分子动力学的力场、系综、边界等条件,提出了基于COMPASS分子力场,经过分子聚合、能量最小化和退火模拟等构建非交联和交联的SU-8光刻胶模型的方法。计算得到了SU-8胶在室温条件下的杨氏模量、泊松比等力学性能参数,并将模拟结果与实验结果对比证明了建立材料模型方法的可行性以及分子动力学算法的有效性。其次,建立SU-8胶和不同类型碳纳米管共混的复合材料模型,利用分子动力学的方法研究不同类型的碳纳米管对材料力学性能的影响,结果表明：碳纳米管可以极大的提高材料力学性能;随着碳纳米管管径增加复合材料杨氏模量逐渐减小;同时证明了相对于单壁碳纳米管而言,双壁碳纳米管更能显著改善材料力学性能。再次,利用分子动力学模拟研究了SU-8胶的玻璃化转变行为及其主要的影响因素,预测得到了非交联和交联SU-8胶的玻璃化转变温度分别为326.7K和494.8K。着重讨论了力场能量项对玻璃化转变温度的影响,得到非键能的改变是影响玻璃化转变的主要因素,有助于深入理解玻璃化转变过程的本质和研究材料阻尼性能的微观机理。同时,利用动态机械分析(DMA)实验测试得到了不同工艺参数的SU-8胶玻璃化转变温度。最后,计算了SU-8胶及复合材料的氢键、径向分布函数、自由体积分数和结合能等相关参数。通过计算复合材料界面结合能来得到碳纳米管和SU-8胶的结合强度;通过计算SU-8胶的氢键和径向分布函数,可知分子内和分子间的相互作用方式;通过复合材料自由体积的计算,结合自由体积的变化对玻璃化转变的影响,讨论了自由体积和氢键等参数对于材料阻尼性能的影响,为聚合物基阻尼复合材料的设计提供参考。

关键词： SU-8胶复合材料力学性能阻尼性能分子动力学模拟

草被空间配置对坡面流水动力学特性的影响及水沙阻控机制

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草被空间配置对坡面流水动力学特性的影响及水沙阻控机制

作者：尚海鑫西北农林科技大学

学位级别：硕士

坡面薄层流水动力学特性是水力侵蚀研究的水动力学基础。然而由于坡面特征复杂且针对薄层水流的观测手段仍不完备,目前对坡面薄层流水动力学特征和阻力产生机理的认识有限,对草被空间配置影响下坡面流水动力特性变化和产流产沙过程规律... 详细信息

坡面薄层流水动力学特性是水力侵蚀研究的水动力学基础。然而由于坡面特征复杂且针对薄层水流的观测手段仍不完备,目前对坡面薄层流水动力学特征和阻力产生机理的认识有限,对草被空间配置影响下坡面流水动力特性变化和产流产沙过程规律仍未得出定论。本研究通过开展草被覆盖条件下水槽试验,研究草被密度与草被格局影响下的坡面薄层流水动力学参数的变化规律,并量化分析草被覆盖条件下坡面水流阻力形成机理及各个阻力分量之间的关系。通过开展草被覆盖条件下模拟降雨试验,分析研究草被分布格局对坡面水动力学参数的影响,探究降雨条件下不同草被格局对坡面产流和侵蚀产沙的阻控效应。得出主要研究结果如下:(1)探究了坡面流水动力学特性对草被覆盖密度的响应规律。在不同流量下随草茎密度增大,水深增大115%～403%,流速随草茎密度增大减小401%～438%。虽然绝大多数流量条件下水流未达到紊流,但随着草茎密度增大,水流均由过渡流向紊流发展。当坡度增加,水流流态由缓流向急流发展,当草茎密度增加,水流由急流向缓流转变,坡度和草茎密度对水流流态的影响相互制约。(2)建立了草被覆盖条件下坡面水流阻力计算模型,并探究了草被覆盖下的坡面流阻力构成演化规律。无降雨条件下草被覆盖的定床坡面,可将水流总阻力划分为草被产生的形态阻力和床面粗糙产生的颗粒阻力。形态阻力对总阻力的贡献远大于颗粒阻力,在草茎密度大于2.88%的情况下形态阻力在水流总阻力中的占比随流量增大而增加,增幅随密度增大逐渐减小。随草茎密度增大,形态阻力在总阻力中的占比不断提高,但草茎密度在1.73%～2.3%之间时,其对总阻力的贡献下降,相对应的颗粒阻力占比相应增加。(3)研究了不同草被分布格局下坡面流相对水动力学参数的演化规律。在流量和坡度一定时,草被缓流效益由高到低依次为:横向条带、斑块状、棋盘型、随机分布和纵向条带格局。相对水深可作为草被缓流效益的量化指标。草被覆盖的坡面水流相对水动力学参数变化不仅受到流量的影响,还收到草被分布格局的影响。随流量增大横向条带分布的相对阻力系数增幅最明显,斑块状、棋盘型、随机分布格局相对阻力系数增大趋势相同。(4)研究了模拟降雨和不同草被分布格局条件下的水动力学参数演化规律及其对坡面产流产沙的阻控效应。与裸坡相比,不同草被分布格局的水流阻力、水流剪切力和水流功率等参数差异显著。除裸坡工况外,棋盘型、纵向条带和交错条带格局开始产流时间最早,菱形格局和横向条带格局开始产流时间最晚。横向条带分布的草被减水效应最优,平均减水效应为77.9%。随机斑块格局的减水效应略小,平均减水效应61.78%。交错条带和菱形分布格局的减水效应最差,其平均减水效应分别为19.9%和32.15%。条带分布和随机斑块较棋盘型和纵向条带分布表现出更强的水流阻滞能力和较弱的泥沙输送能力。此外,水流功率与不同草被格局条件下土壤侵蚀率有较好的相关关系。

关键词：坡面流草被密度草被格局水动力学参数水沙阻控

仿机翼形便携式量水槽水力特性试验与数值模拟

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农业工程学报 2021年第12期37卷 117-124页

作者：贺梦杨尚海鑫张宽地凌鹏西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100 中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室杨凌712100

田间量水是实现灌区计划用水和节水农业的关键技术,末级小截面灌区的精准测流则更为关键。该研究在机翼形量水槽的基础上,提出结构更为简单的仿机翼形量水设备。水工模型试验于西北农林科技大学水工与水力学实验室进行,试验渠道为17 m×... 详细信息

田间量水是实现灌区计划用水和节水农业的关键技术,末级小截面灌区的精准测流则更为关键。该研究在机翼形量水槽的基础上,提出结构更为简单的仿机翼形量水设备。水工模型试验于西北农林科技大学水工与水力学实验室进行,试验渠道为17 m×70 cm×100 cm的矩形断面有机玻璃渠道,量水槽模型均采用空心木制材料制作。试验设计1组翼长、6组收缩比、7组流量,共42种试验方案。在水工模型试验的基础上,采用FLOW-3D软件补充了多组模型进行数值模拟,验证模拟准确性后,对其水力性能进行分析:上游佛汝德数小于0.5,喉口位置产生临界流,下游重新恢复缓流状态;壅水高度均值3.25 cm,最大值6.32 cm,最小值0.46 cm;水工模型试验与数值模拟共获得84组数据,依据机翼形量水槽的测流公式推导,得到仿机翼形便携式量水槽的测流公式,其平均相对误差为6.34%。仿机翼形便携式量水槽建议选择收缩比0.606~0.709、翼长65~80 cm。研究表明简化并没有改变机翼形量水槽原有的优点,可以保证测流渠道的安全性。该研究可改进量水方法,提高用水效率,对于促进中国灌区小截面便携式量水槽的推广具有实用价值。

关键词：流量测量数值模拟便携式设备仿机翼形矩形渠道

上游来水来沙与洞庭湖入汇顶托对荆江河段冲淤的影响

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水科学进展 2024年第3期35卷 485-495页

作者：尚海鑫胡春宏夏军强周美蓉武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室湖北武汉430072 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京100048

三峡工程运用后荆江河段处于持续冲刷状态,分析上游来水来沙与洞庭湖入汇顶托对荆江河段冲淤的影响,对掌握坝下游河道演变规律具有重要意义。本研究基于2003—2020年荆江河段实测水沙及冲淤量资料,建立河段累计冲淤量与河段上下游边界... 详细信息

三峡工程运用后荆江河段处于持续冲刷状态,分析上游来水来沙与洞庭湖入汇顶托对荆江河段冲淤的影响,对掌握坝下游河道演变规律具有重要意义。本研究基于2003—2020年荆江河段实测水沙及冲淤量资料,建立河段累计冲淤量与河段上下游边界条件之间的函数关系,并重点分析顶托作用对荆江河段冲淤的影响。结果表明:(1)荆江河段累计冲淤量与河段进口水流冲刷强度呈正相关,与进出口水位落差呈负相关,河段冲淤过程是二者共同作用的结果;(2)建立进口水流冲刷强度、进出口水位落差与荆江河段累计冲淤量的函数关系,能较好反映上下游边界条件对河段冲淤过程的影响(R^(2)>0.92);(3) 2003—2020年荆江河段累计冲刷量为12.3亿m^(3),在假设无洞庭湖入汇顶托的情况下比实测值增加0.67亿m^(3),即入汇顶托能使荆江河段冲刷量减少约5%;同期上、下荆江累计冲刷量分别为7.3亿和5.0亿m^(3),入汇顶托能使冲刷量分别减少约1%和16%。洞庭湖入汇顶托会导致荆江河段的冲刷量减少,对下荆江冲淤影响更显著。

关键词：顶托作用河床冲淤水流冲刷强度洞庭湖入汇荆江河段

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洞庭湖入汇对荆江河段水位的顶托程度与范围

水科学进展 2023年第3期34卷 431-441页

洞庭湖入汇对长江干流水位的顶托作用影响着荆江河段的水文情势变化,分析其变化特征对研究长江中下游防洪安全问题具有重要意义。为揭示汇流顶托作用的程度与影响范围,本文基于1990—2020年荆江河段水位流量关系与洞庭湖汇流比,提出洞... 详细信息

洞庭湖入汇对长江干流水位的顶托作用影响着荆江河段的水文情势变化,分析其变化特征对研究长江中下游防洪安全问题具有重要意义。为揭示汇流顶托作用的程度与影响范围,本文基于1990—2020年荆江河段水位流量关系与洞庭湖汇流比,提出洞庭湖入汇顶托程度的量化方法,构建计算顶托程度的随机森林回归模型,分析顶托程度主要影响因素的重要性。结果表明:①洞庭湖入汇顶托程度与汇流比呈显著正相关关系;顶托程度随干流流量增大而增加,2003—2020年枯水、中水和洪水流量级监利站水位受顶托程度平均为0.59、1.33和1.60 m;顶托最大影响范围随干流流量与汇流比增大向上游延伸。②随汇流比增大,在2020年干流枯水、中水和洪水流量级下,顶托最大影响范围的延伸区间分别为石首—沙市、石首—陈家湾和陈家湾—枝城;汇流比、荆江段累计冲刷深度、螺山水位及干流流量对顶托程度变化的重要性占比分别为28%、27%、25%和20%。③构建的顶托程度计算模型在不同流量级都能够较好地计算荆江河段水位的顶托程度并确定顶托影响范围。

关键词：顶托作用水位—流量关系随机森林回归洞庭湖入汇荆江河段

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草被覆盖度下坡面流流速变化及缓流机制研究

水资源与水工程学报 2021年第3期32卷 225-231,240页

作者：蔡泽康王薇尚海鑫张宽地西北农林科技大学资源环境学院陕西杨凌712100 武汉大学水利水电学院湖北武汉430072 西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100

坡面薄层水流是黄土区土壤侵蚀发生的直接动力条件,探究植被覆盖条件下坡面流水动力学特性及缓流机制,有助于揭示土壤侵蚀发生的水动力学机理。在水槽坡度为12°条件下,通过9个草被覆盖度、7个流量的组合试验,研究了不同植被覆盖度下坡... 详细信息

坡面薄层水流是黄土区土壤侵蚀发生的直接动力条件,探究植被覆盖条件下坡面流水动力学特性及缓流机制,有助于揭示土壤侵蚀发生的水动力学机理。在水槽坡度为12°条件下,通过9个草被覆盖度、7个流量的组合试验,研究了不同植被覆盖度下坡面水流流速变化和缓流机制。结果表明:坡面流流速随着覆盖度的增加整体呈减小的趋势;缓流系数随覆盖度的增加呈先增大后减小的变化规律,当覆盖度大于47.66%时,缓流系数随覆盖度的增加显著减小;以覆盖度47.66%为临界值,高、低覆盖度下缓流系数随雷诺数的变化规律有所不同。最后,建立了模拟草被下的坡面流流速和缓流系数拟合公式,验证结果表明,拟合公式精度较高,可为建立土壤侵蚀预报模型提供参考。

关键词：草被覆盖度坡面流流速缓流机制

降雨量和水土保持对皇甫川输沙量变化的贡献率分析

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水土保持学报 2023年第2期37卷 199-207页

作者：尚海鑫胡春宏夏军强周美蓉武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室武汉430072 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京100048

为探究黄河支流输沙量减少与流域内降雨量变化及水土保持措施的定量关系。以黄河中游皇甫川流域为研究区域,基于1960—2015年准格尔气象站日降水量、皇甫水文站年径流量和年输沙量数据,分析对皇甫川流域年径流量与年输沙量有影响的降雨... 详细信息

为探究黄河支流输沙量减少与流域内降雨量变化及水土保持措施的定量关系。以黄河中游皇甫川流域为研究区域,基于1960—2015年准格尔气象站日降水量、皇甫水文站年径流量和年输沙量数据,分析对皇甫川流域年径流量与年输沙量有影响的降雨量参数。通过双累积曲线法和突变点检验法确定输沙量变化的3个典型时期:Per1(1960—1986年)、Per2(1987—1999年)和Per3(2000—2015年);计算了降雨量变化、植被恢复和工程措施对该流域不同时期输沙量变化的贡献率。结果表明:(1)1960—2015年皇甫川流域降雨强度超过25 mm/d的降雨减少,径流量和输沙量呈显著减少趋势(M—K检验Z<0,p<0.01);(2)因水土保持引起流域下垫面条件的改变,当Per3与Per1时期中有相似降雨量的年份,Per3时期这些年份的输沙量比Per1时期显著减少,减小范围为50.2%~98.6%;(3)1987—1999年植被恢复和工程措施的减沙贡献率分别为73.0%和38.4%,2000—2015年降雨量变化、植被恢复和工程措施的减沙贡献率分别为11.5%,69.8%和18.7%。研究结果定量计算了降雨量变化和水土保持对皇甫川流域输沙量减少的贡献率,有助于阐明黄河中游沙量锐减的原因。

关键词：降雨水土保持径流量输沙量减沙贡献率皇甫川流域

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基于MQTT的可配置设备群报警系统设计

物联网技术 2025年第01期 127-131+135页

作者：吴标平冯海鑫梁正陈明浩中山凯旋真空科技股份有限公司广东工业大学自动化学院中山市跃龙厨房电器有限公司

为了实现设备群报警信息的可配置和对指定用户访问权限的管理，在不修改原系统程序的基础上提出了一种基于MQTT的可配置设备群远程报警系统的设计与实现。组态王与10余台真空处理设备的PLC及传感器进行通信，实时采集运行数据和报警信... 详细信息

为了实现设备群报警信息的可配置和对指定用户访问权限的管理，在不修改原系统程序的基础上提出了一种基于MQTT的可配置设备群远程报警系统的设计与实现。组态王与10余台真空处理设备的PLC及传感器进行通信，实时采集运行数据和报警信息。采用Qt开发的数据传输软件Data Bridge通过OPC DA协议获取组态王中的设备数据，并通过MQTT协议发布到云平台服务器。当用户登录APP时，系统根据预先配置好的设备访问权限自动订阅授权设备的报警信息和关键数据，解决了分布式设备管理环境下操作人员和维修人员往往由于设备分布较远无法及时获取和处理指定设备报警信息的问题。

关键词：可配置设备群 Qt MQTT 远程报警系统 OPC DA 云平台