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弹塑性结构有限元计算及工业软件开发

弹塑性结构有限元计算及工业软件开发

作者：彭世昕吉林大学

学位级别：硕士

在工程学科领域,弹塑性材料被广泛应用于机械制造、汽车、航空等行业,弹塑性计算是结构变形,失效的重要评价手段,另外,有限元方法的发展与CAE软件的出现对于分析求解工程中的弹塑性结构带来了极大的便利性。基于此背景,本文开展了弹塑... 详细信息

在工程学科领域,弹塑性材料被广泛应用于机械制造、汽车、航空等行业,弹塑性计算是结构变形,失效的重要评价手段,另外,有限元方法的发展与CAE软件的出现对于分析求解工程中的弹塑性结构带来了极大的便利性。基于此背景,本文开展了弹塑性结构有限元计算及工业软件开发的研究,主要工作与成果有:(1)研究了弹塑性增量理论的有限元方法。基于4项基本准则,详细推导了增量理论的本构关系,在对应的有限元方法中,通过对虚功方程线性化和位移插值给出了离散格式,并针对理论给出了Newton-Raphson迭代法的求解流程,为后续弹塑性结构分析软件的开发奠定了理论基础。(2)开发了弹塑性有限元分析软件。基于课题组自主开发的软件框架设计对增量理论的有限元分析进行了软件开发,对此以简单块体算例为例介绍了相关窗体开发、软件基本功能、单元类的开发以及求解类的开发,使之能够对于后续的案例进行自主开发软件的有限元分析与求解。(3)实现了弹塑性结构案例的有限元求解。使用本软件对简单试件的单轴拉伸,3种不同材料参数的铝合金试件单轴拉伸以及铝合金保险杠的撞击的3种工况进行了测试,并将算例测试的云图结果与Abaqus软件进行对比,验证了本软件对于弹塑性结构的求解精度与效率。本文研究了弹塑性理论的有限元方法,并自主开发了一款弹塑性结构有限元分析软件,最终对具有弹塑性材料的不同案例进行了测试,验证了软件的精度与效率,具有一定的工程应用价值。

关键词：弹塑性增量理论有限元工业软件开发

自由活塞电液混合动力系统循环运行特性及稳定性研究

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自由活塞电液混合动力系统循环运行特性及稳定性研究

作者：彭世卓重庆交通大学

学位级别：硕士

能源系统是各类交通工具的“心脏”,从内燃机的发明、电机的应用到航天器九天揽月,不断创新更替的动力装置推动了交通运载行业的跨越式发展。近年来,自由活塞式动力系统(Free Piston Engine Power System,简称FPEPS)因其结构紧凑、多燃... 详细信息

能源系统是各类交通工具的“心脏”,从内燃机的发明、电机的应用到航天器九天揽月,不断创新更替的动力装置推动了交通运载行业的跨越式发展。近年来,自由活塞式动力系统(Free Piston Engine Power System,简称FPEPS)因其结构紧凑、多燃料适配性、可变压缩燃烧和高效传动等诸多优势,在新能源动力汽车、微型飞行器、轻型船舶、机器人等交通应用领域展现出广阔的前景。无曲轴的特殊结构是FPEPS拥有众多优势的原因,但在应对复杂的工况和多变的应用场景时,无机械约束的自由运动也使FPEPS的运行稳定性和能量输出的连续性极易受到干扰而脱离正常的工作状态。为破局FPEPS适应性不足、稳定性较差和能量输出不连续性的难题,本文在其基础上提出自由活塞电液混动系统(Free Piston ElectroHydraulic Hybrid Power System,简称FPEHPS),采用电能和液压能的协同输出机制,同时以液压系统作为活塞的回弹装置,为系统在多样化的应用需求和复杂工况下提供了更灵活、更稳定和多元化的能量输出方式。然而,FPEHPS作为一个机-电-液耦合体,其动力学特性、能量转换特性和运行稳定性直接受到燃烧、动力传递、励磁发电及液压传动多个过程的耦合影响。这些过程之间相互交织,彼此影响,任何一个耦合参数的变化都可能对FPEHPS的运行特性及稳定性产生重要影响,揭示其循环运行规律和稳定性机理成为FPEHPS应用的关键。针对该问题,本文以活塞所受作用力为基础,通过深入分析能量的输入、流动及耗散过程,利用MATLAB/Simulink和Amesim联合搭建了包括发动机热力学模型、摩擦力模型、直线电机模型及液压模型的全循环耦合动力学模型,精确仿真了FPEHPS运行过程。基于此,深入分析了FPEHPS循环运行特性、耦合效应及稳定性。主要研究工作和所得结论如下:1.针对FPEHPS特殊的结构布置和工作原理,以分析活塞独特的运动规律为基础,探讨了直线电机和液压系统的运行过程与活塞运动的耦合关系,并指出了其能量的传递过程。然后,基于FPEHPS动力学特性和能量特性,分析了活塞膨胀末期的运动规律及影响因素。结果表明:FPEHPS呈现慢压缩和快膨胀的运动特征,并且在上止点的加速度很大,这与常规发动机的动力学特性明显不同。发电功率和液压输出功率、流量与活塞速度呈正相关。初始条件下,FPEHPS的组合效率为44.13%,其中液压系统的输出效率为22.21%,电机的输出效率为21.92%。此外,液压阀的延迟响应后和能量的反向释放会导致活塞运动至下止点时发生反弹,但适当增大恢复腔压力、液压油的体积模量和加快单向阀的响应速度可以有效减小活塞的反弹距离,提高运行稳定性。2.围绕FPEHPS的多场耦合机理,重点研究了启动力、活塞质量及负载压力对系统动力学特性、能量传递和转换机制的耦合响应。结果表明:较大的启动力和活塞质量可以有效提高系统的压缩比、能量输出效率以及运行稳定性,但增大活塞质量也会不可避免地降低最大输出功率和活塞运动速度。另一方面,调节负载压力可以实现对液压系统和直线电机的能量和功率的有效调控,且对系统的压缩比和效率影响较小。然而,降低负载压力会显著增加活塞的运动行程和速度,这可能诱发系统运动失稳。3.根据FPEHPS循环运行的动力传递和负载特征,建立了FPEHPS非线性振动模型,利用广义谐波函数解析了活塞的动力学特征,并结合定性理论和定量分析的方法,揭示了FPEHPS振动稳定性机理,进而对影响振幅稳定的关键因素进行分析。结果表明:活塞的振动响应不再关于平衡位置对称,其振动特性直接受到输入能量和耗散能量的之间的平衡调控。FPEHPS的定常振动是稳定的,具有一定的自适应性和鲁棒性。定常振幅的变化主要由能量输入与输出腔的压力、电磁力以及摩擦力之间的匹配关系所决定,当输入能量增大时,定常振幅增大,而输出腔压力、电磁力及摩擦力增大时,定常振幅减小,并且定常振幅对输入能量变化的敏感性最高。

关键词：自由活塞电液混合动力系统循环运行特性能量转换特性机-电-液耦合稳定性机理

高海拔环境下大容量直流空气断路器灭弧性能研究

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电工技术学报 2024年第3期39卷 863-874页

作者：李静易晨曦彭世东曹云东于龙滨沈阳工业大学特种电机与高压电器重点实验室沈阳110870 辽宁省电力有限公司电力科学研究院沈阳110006

高原轨道交通和电工产业转型对起关键保护作用的大容量直流空气断路器(LC-DCCB)提出了更高要求,但现有产品在高海拔地区的开断仍存在一定问题。该文以轨道交通用LC-DCCB为研究对象,首先基于磁流体动力学(MHD)理论,考虑湍流效应的影响,... 详细信息

高原轨道交通和电工产业转型对起关键保护作用的大容量直流空气断路器(LC-DCCB)提出了更高要求,但现有产品在高海拔地区的开断仍存在一定问题。该文以轨道交通用LC-DCCB为研究对象,首先基于磁流体动力学(MHD)理论,考虑湍流效应的影响,对其在高海拔环境下开断18 kA短路电流进行仿真;然后对电弧形态及灭弧室内温度场、电磁场、气流场进行分析,得出高海拔地区空气电弧开断困难的主要原因;最后根据仿真与理论分析,考虑采用合理数量和布局的间插式U型栅片改善电弧开断特性。结果表明:随着海拔的升高,电弧前期运动速度加快,但断路器的灭弧性能降低;在高海拔环境下电弧存在严重的弧根粘滞和弧根拖尾现象,弧根拖尾畸变空间电场,不利于熄弧;同时,在不同海拔环境下,电弧会产生不同程度的反向运动现象,易导致弧后重燃。该研究深入揭示了高海拔环境下LC-DCCB电弧演变过程及复杂开断现象背后的物理本质,可为该类产品研发提供理论指导。

关键词：高海拔大容量直流空气断路器弧根拖尾电弧反向弧后重燃

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柔性触觉反馈驱动器研究进展

仪器仪表学报 2024年第3期45卷 1-16页

作者：于猛程祥彭世刚王鹏飞赵良玉北京理工大学宇航学院北京100081 中国航天科技创新研究院北京100088

触觉交互界面作为用户与系统之间的重要沟通窗口,不仅能够满足用户对简单化、自然化的人机界面的需求,也是实现直接、高效完成任务的关键因素。触觉反馈驱动器作为触觉交互过程中的核心部件,能够模拟或复现多种形式的触觉信息,提高用户... 详细信息

触觉交互界面作为用户与系统之间的重要沟通窗口,不仅能够满足用户对简单化、自然化的人机界面的需求,也是实现直接、高效完成任务的关键因素。触觉反馈驱动器作为触觉交互过程中的核心部件,能够模拟或复现多种形式的触觉信息,提高用户在操作过程中的临场感与真实感。近年来,柔性触觉反馈驱动器凭借着其轻量、柔顺、适应性强等特点,在人机交互场景中展现了广阔的应用前景与价值。首先,根据柔性触觉反馈驱动器对皮肤刺激形式的不同分为电刺激、机械刺激、热刺激3类,并进一步重点阐述了各类驱动器的最新研究进展,主要包括了各类驱动器的驱动原理、结构设计、反馈形式等。进一步地,介绍了基于柔性触觉反馈驱动器所开发的触觉反馈设备在虚拟现实、遥操作、医疗等领域的应用。最后,对当前柔性触觉反馈驱动器所面临的问题与挑战进行了总结,并对未来的发展趋势进行了展望。

关键词：人机界面触觉反馈柔性驱动器驱动原理

城市土壤和地表灰尘重金属污染研究进展与展望

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环境科学 2024年第5期45卷 2926-2938页

作者：王晓雨刘恩峰杨祥梦王碧莲林锦阔颜梦霞毕世杰山东师范大学地理与环境学院济南250358

随着城市化和工业化的不断推进,城市土壤和地表灰尘重金属污染日趋严重,对城市环境和人类健康构成威胁,已成为国内外城市环境研究的热点问题.从重金属污染水平及其时空特征、污染源解析方法、生态和健康风险这3个主要方面,对国内外城市... 详细信息

随着城市化和工业化的不断推进,城市土壤和地表灰尘重金属污染日趋严重,对城市环境和人类健康构成威胁,已成为国内外城市环境研究的热点问题.从重金属污染水平及其时空特征、污染源解析方法、生态和健康风险这3个主要方面,对国内外城市土壤和地表灰尘重金属研究成果进行了梳理和归纳.分析了当前研究存在的不足,并对未来研究进行了展望,即研究土壤和地表灰尘重金属在不同条件下的相互影响机制,通过丰富验证方法加强重金属来源解析模型结果的可靠性研究,加强来源驱动下重金属化学形态差异和地表灰尘短期累积污染过程的研究,完善暴露参数并深入探究重金属的化学形态对其生态和健康风险的影响,以提高风险预测水平.

关键词：城市土壤和地表灰尘重金属时空变异来源分析风险评价

下调XBP1s通过抑制ITPR介导的线粒体功能障碍改善肾小管上皮细胞缺氧/复氧损伤

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器官移植 2024年第2期15卷 220-228页

作者：倪海强彭宣顾世琦宫念樵华中科技大学同济医学院附属同济医院器官移植研究所、器官移植教育部重点实验室、国家卫生健康委员会、器官移植重点实验室、中国医学科学院器官移植重点实验室武汉430030

目的探讨剪接型X盒结合蛋白1(XBP1s)对小鼠肾小管上皮细胞缺氧/复氧(H/R)损伤的影响及其作用机制。方法将小鼠肾小管上皮细胞分为腺病毒阴性对照组(Ad-shNC组)、靶向沉默XBP1s腺病毒组(Ad-shXBP1s组)、Ad-shNC+H/R组、Ad-shXBP1s+H/R... 详细信息

目的探讨剪接型X盒结合蛋白1(XBP1s)对小鼠肾小管上皮细胞缺氧/复氧(H/R)损伤的影响及其作用机制。方法将小鼠肾小管上皮细胞分为腺病毒阴性对照组(Ad-shNC组)、靶向沉默XBP1s腺病毒组(Ad-shXBP1s组)、Ad-shNC+H/R组、Ad-shXBP1s+H/R组。检测各组细胞凋亡水平、线粒体活性氧活性、线粒体膜电位及线粒体钙离子水平。使用染色质免疫共沉淀测序(ChIP-seq)分析XBP1s调控肌醇1,4,5-三磷酸受体(ITPR)家族的结合位点。检测各组XBP1s和ITPR家族信使RNA(mRNA)和蛋白表达水平。结果与AdshNC组比较,Ad-shNC+H/R组细胞凋亡水平更高,线粒体活性氧水平升高,线粒体膜电位降低,线粒体钙离子水平升高;与Ad-shNC+H/R组比较,Ad-shXBP1s+H/R组细胞凋亡水平较低,线粒体活性氧水平下降,线粒体膜电位升高,线粒体钙离子水平降低(均为P<0.05)。与Ad-shNC组比较,Ad-shXBP1s组XBP1s、ITPR1、ITPR2和ITPR3 mRNA和蛋白相对表达量降低(均为P<0.05)。与Ad-shNC组相比,Ad-shNC+H/R组XBP1s、ITPR1、ITPR2和ITPR3蛋白相对表达量升高;与Ad-shNC+H/R组相比,Ad-shXBP1s+H/R组XBP1s、ITPR1、ITPR2和ITPR3蛋白相对表达量下降(均为P<0.05)。ChIP-seq结果显示,XBP1s能够结合ITPR1的启动子和外显子、ITPR2外显子和ITPR3外显子。结论 XBP1s可能通过直接调控ITPR转录和翻译而影响线粒体相关的内质网膜结构功能,下调XBP1s能够抑制ITPR表达,改善线粒体损伤。

关键词：器官移植缺血-再灌注损伤剪接型X盒结合蛋白1 肌醇1,4,5-三磷酸受体线粒体损伤内质网应激线粒体相关的内质网膜钙超载

下调XBP1s通过Sirt3/SOD2/mtROS轴减轻缺氧/复氧诱导的肾小管上皮细胞衰老

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器官移植 2024年第1期15卷 46-54页

作者：彭宣倪海强顾世琦宫念樵华中科技大学同济医学院附属同济医院器官移植研究所器官移植教育部重点实验室、国家卫生健康委员会器官移植重点实验室、中国医学科学院器官移植重点实验室武汉430030

目的探讨剪接型X-盒结合蛋白1(XBP1s)在缺氧/复氧(H/R)诱导的原代肾小管上皮细胞衰老中的作用及机制。方法将原代肾小管上皮细胞分为空白对照组(NC组)、H/R组、空载腺病毒阴性对照组(Ad-shNC组)、靶向沉默XBP1s腺病毒组(Ad-shXBP1s组)... 详细信息

目的探讨剪接型X-盒结合蛋白1(XBP1s)在缺氧/复氧(H/R)诱导的原代肾小管上皮细胞衰老中的作用及机制。方法将原代肾小管上皮细胞分为空白对照组(NC组)、H/R组、空载腺病毒阴性对照组(Ad-shNC组)、靶向沉默XBP1s腺病毒组(Ad-shXBP1s组)、空载腺病毒+H/R处理组(Ad-shNC+H/R组)、靶向沉默XBP1s腺病毒+H/R处理组(Ad-shXBP1s+H/R组)。检测NC组、H/R组、Ad-shNC组、Ad-shXBP1s组XBP1s的表达情况。检测Ad-shNC组、Ad-shNC+H/R组、Ad-shXBP1s+H/R组β-半乳糖苷酶染色情况,细胞衰老标志物p53、p21、γH2AX表达情况,氧化应激相关指标活性氧(ROS)、丙二醛(MDA)和超氧化物歧化酶(SOD)水平。采用染色质免疫共沉淀验证XBP1s转录调控沉默信息调节因子3(Sirt3),检测下调XBP1s后Sirt3及下游SOD2表达,采用流式细胞术检测线粒体活性氧簇(mt ROS)。结果与NC组比较,H/R组XBP1s表达增多;与Ad-sh NC组比较,Ad-sh XBP1s组XBP1s表达减少(均为P<0.001)。与Adsh NC组比较,Ad-sh NC+H/R组β-半乳糖苷酶染色阳性细胞数增加,p53、p21、γH2AX表达增多,ROS、MDA、mt ROS水平升高,SOD活性下降,Sirt3表达量降低,Ac-SOD2/SOD2比值升高;与Ad-sh NC+H/R组相比,Ad-sh XBP1s+H/R组β-半乳糖苷酶染色阳性细胞数减少,p53、p21、γH2AX表达减少,ROS、MDA、mt ROS水平下降,SOD活性升高,Sirt3表达量升高,Ac-SOD2/SOD2比值下降(均为P<0.05)。结论下调XBP1s可减轻H/R诱导的原代肾小管上皮细胞衰老,可能是通过Sirt3/SOD2/mt ROS信号轴发挥作用。

关键词：肾移植缺血-再灌注损伤剪接型X盒结合蛋白1 细胞衰老氧化应激沉默信息调节因子3 线粒体活性氧簇超氧化物歧化酶

钛酸四丁酯催化甲基丙烯酸甲酯与正丁醇酯交换反应动力学研究

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化学工业与工程 2024年第1期41卷 1-11页

作者：彭世仁王燕蔡旺锋天津大学化工学院天津300350

由于设备腐蚀和环境污染等问题,甲基丙烯酸丁酯生产工艺逐渐倾向于更为经济环保的酯交换生产工艺。以钛酸四丁酯为催化剂,甲基丙烯酸甲酯与正丁醇通过酯交换法合成甲基丙烯酸丁酯的反应及机理进行了初步研究。首先,根据路易斯酸催化理论... 详细信息

由于设备腐蚀和环境污染等问题,甲基丙烯酸丁酯生产工艺逐渐倾向于更为经济环保的酯交换生产工艺。以钛酸四丁酯为催化剂,甲基丙烯酸甲酯与正丁醇通过酯交换法合成甲基丙烯酸丁酯的反应及机理进行了初步研究。首先,根据路易斯酸催化理论,在合理假设和简化的基础上对该反应的机理进行了分析,在此基础上分别建立了基于理想溶液和非理想溶液的动力学模型。通过酯交换反应实验,主要研究了反应温度、反应物初始物质的量之比和催化剂量等因素对反应速率的影响,并根据实验数据回归得到了动力学模型参数和反应的基本热力学数据。结果显示,该酯交换反应为吸热反应,标准摩尔反应焓为14.406 kJ·mol^(-1),正、逆反应活化能分别为70.2和51.1 kJ·mol^(-1)。通过模型计算值与实验数据的比较,证明了推导得到的动力学模型具有较高的可靠性,将为钛酸四丁酯催化甲基丙烯酸甲酯与正丁醇酯交换合成甲基丙烯酸丁酯反应提供一定的理论指导。

关键词：酯交换反应甲基丙烯酸甲酯反应动力学甲基丙烯酸丁酯正丁醇钛酸四丁酯