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单向复合材料纤维扭结的平均场仿真

复合材料学报 2023年第9期40卷 5386-5396页

作者：程春袁志鹏张琦宋春雷扬州大学机械工程学院扬州225009

纤维扭结是单向碳纤维复合材料(UD-CFRP)在受轴向载荷压缩下,由于纤维初始扭转而引起的一种破坏机制。对于此问题,以往的文献中提出了宏观模拟、微观模拟及解析法,但都存在一定的局限性。宏观模拟精度低,微观模拟计算量大,解析法无法进... 详细信息

纤维扭结是单向碳纤维复合材料(UD-CFRP)在受轴向载荷压缩下,由于纤维初始扭转而引起的一种破坏机制。对于此问题,以往的文献中提出了宏观模拟、微观模拟及解析法,但都存在一定的局限性。宏观模拟精度低,微观模拟计算量大,解析法无法进行有效几何分析。在以前的文献中作者开发了一种非线性平均场脱粘模型来研究单向复合材料的非线性力学行为,该模型不仅考虑了平均非对称基体塑性,还考虑了纤维-基体界面的脱粘失效等非线性特性。本文将首次在多尺度层面上进行单向复合材料的纤维扭结仿真。利用扭结模型来定义纤维初始扭转角并结合非线性平均场脱粘模型来研究纤维具有初始扭转角的扭结过程及纤维不同初始扭转角对应力应变响应的影响。结果表明,与其他数值模型及解析模型相比,非线性平均场脱粘模型能够从多尺度的层面达到同等精度但能更高效地预测扭结带的形成过程。

关键词：纤维扭结纤维初始扭转非线性平均场脱粘模型平均非对称基体塑性纤维-基体界面脱粘

非线性平均场模型的建立及其在UD-CFRP中的应用

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非线性平均场模型的建立及其在UD-CFRP中的应用

作者：袁志鹏扬州大学

学位级别：硕士

平均场均匀化作为一种高效、高精度的多尺度复合材料建模方法,因缺乏相关的非线性理论,在单向复合材料的非线性力学行为研究中还没有得到充分的应用。经微观有限元模拟得到,在纵向、横向和剪切载荷作用下,单向复合材料的基体表现出不同... 详细信息

平均场均匀化作为一种高效、高精度的多尺度复合材料建模方法,因缺乏相关的非线性理论,在单向复合材料的非线性力学行为研究中还没有得到充分的应用。经微观有限元模拟得到,在纵向、横向和剪切载荷作用下,单向复合材料的基体表现出不同的平均塑性行为,定义为平均非对称基体塑性。以此研究为基础,本文建立考虑此平均非对称基体塑性、纤维-基体界面损伤和复合材料渐进破坏的单向复合材料非线性平均场脱粘模型,用以描述单向碳纤维复合材料的非线性力学行为。以C30/E201碳纤维复合材料(纤维体积含量57%)作为代表示例,对带孔碳纤维复合材料层合板进行拉伸仿真并与实验结果对比,验证模型的有效性。此外,本文利用此模型对另外一项典型的AS4/8552单向复合材料(纤维体积含量60%)在轴向压缩载荷下的非线性失效行为“纤维扭结”进行仿真研究,并再次验证模型的有效性。本文具体研究内容如下:首先,将非线性平均场模型与纤维-基体界面脱粘失效模型结合,创建非线性平均场脱粘失效模型,此模型能够在保证精度的情况下更高效地描述纤维类复合材料的非线性及损伤特性。此外,提出一种验证非线性平均场脱粘模型并生成基体平均塑性行为的微观力学有限元模型。建立以上模型,为下文的研究提供理论支持。其次,利用两组基础力学试验与微观仿真相结合的方式确定材料模型的相关参数,其中一组试验是C30碳纤维和E201树脂基体的准静态拉伸试验,获得纤维和基体的力学性能;另一组试验是不同纤维角度(0°,±45°和90°)的C30/E201单向复合材料层合板的准静态拉伸试验,获得其材料性能。经力学试验和微观力学有限元模拟对比,分别从宏观层面和微观层面来验证所建非线性平均场模型的准确性。研究结果表明,NMFDM不仅可以准确、有效地预测复合材料的应力-应变响应,而且可以准确、有效地预测复合材料的两种成分(纤维和基体)的应力-应变响应。最后将此模型用于穿孔碳纤维复合材料层合板的准静态拉伸模拟,结果表明,所建模型可以有效、高精度地预测单向复合材料在准静态拉伸载荷下的变形、脱粘和渐进破坏。再次,介绍纤维初始扭转的扭结模型,确定材料参数并进行模型验证,利用非线性平均场脱粘模型研究具有纤维初始扭转角的AS4/8552单向复合材料在轴向载荷压缩下纤维扭结特性,并与文献中的其它模型和试验显微图作对比。研究结果表明,纤维扭转是在纤维具有一定初始扭转角的情况下受到轴向压缩载荷的作用使得树脂基体产生剪切变形,与此同时,纤维发生微小扭转,当剪切变形积累到一定程度,使得树脂基体产生塑性失效,不能够承受轴向载荷而产生失稳,从而导致较大范围的纤维扭转,生成扭结带,此外,所建立的非线性平均场脱粘模型可以提供可靠的扭结带形成的演化过程。最后,利用非线性平均场模型研究单向复合材料纤维扭结的影响因素,包括不同纤维初始扭转角、纤维根数以及纤维初始扭转角占整宽度的比重,对纤维扭结特性进行了深入的研究。研究结果表明,随着纤维初始扭转角的增大、纤维根数的减少和纤维初始扭转角占整宽度的比重的增大,其线性响应阶段越短,非线性响应阶段越长,不稳定响应阶段越短,残余响应阶段平均应力值也越小,且抗压强度越低,复合材料系统越不稳定。

关键词：非线性平均场脱粘模型平均非对称基体塑性纤维-基体界面脱粘纤维扭结纤维初始扭转

混合动力汽车参数的动态重组多子群粒子群优化

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机械设计与制造 2023年第10期392卷 59-64页

作者：侯维春袁志鹏山东交通职业学院山东潍坊261206 中南林业科技大学湖南长沙410004

为了减少混合动力汽车油耗和有害气体排放量,提出了基于动态重组多种群粒子群算法的参数优化方法。介绍了并联式混合动力系统原理,制定了能量管理策略。以降低能耗和有害气体排放为目标,选取了动力系统参数和控制策略参数为优化变量,建... 详细信息

为了减少混合动力汽车油耗和有害气体排放量,提出了基于动态重组多种群粒子群算法的参数优化方法。介绍了并联式混合动力系统原理,制定了能量管理策略。以降低能耗和有害气体排放为目标,选取了动力系统参数和控制策略参数为优化变量,建立了多目标优化模型。以粒子群算法为基础,将粒子群划分为优势群、劣势群、混合群3类,同时给出了多种群动态重组策略和各种群的粒子更新方法,有效兼顾了粒子的多样性和搜索效率,在此基础上提出了动态重组多种群粒子群算法的车辆参数优化方法。经UDDS工况验证,优化后油耗减少了5.03%,CO排放量降低了20.39%,CH化合物排放量降低了8.18%,NOx化合物排放量降低了7.54%,以上数据说明了动态重组多种群粒子群算法在车辆参数优化中的有效性。

关键词：混合动力汽车参数优化多种群动态重组策略粒子群算法混合粒子

考虑金属护层结构的电缆新型故障测距方法研究

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电力科学与技术学报 2022年第5期37卷 124-132页

作者：张俊夏能弘王节袁志鹏上海电力大学电气工程学院上海200090

单芯电力电缆的很多绝缘故障都和金属护层有关,只研究电缆导芯的简化结构模型不能进行护层相关故障的测距。基于分布参数模型,提出一种考虑电缆金属护层的新型故障测距方法。首先,使用分布参数理论分析计及金属护层的故障电缆等效分布... 详细信息

单芯电力电缆的很多绝缘故障都和金属护层有关,只研究电缆导芯的简化结构模型不能进行护层相关故障的测距。基于分布参数模型,提出一种考虑电缆金属护层的新型故障测距方法。首先,使用分布参数理论分析计及金属护层的故障电缆等效分布参数电路,建立电压、电流方程;然后,通过边界条件求解电压、电流方程中的未知参数,得到故障点前、后的电压、电流值;最后,通过构建测距方程迭代搜索得到故障距离。该方法将复杂的相网络转化为相互独立的序列网络,使得该算法变得简单有效。大量仿真结果表明,该算法能实现护层相关故障(护层对地故障、芯—护层故障和芯—护层对地故障)的精确测距,测距误差基本不超过1.5%,且定位结果不受故障发生位置、故障类型以及过渡电阻的影响。

关键词：单芯电力电缆金属护层分布参数模型序列网络故障测距

不同工质对内置换热器有机朗肯循环系统热性能的影响

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可再生能源 2022年第2期40卷 166-171页

作者：解志勇黄桂冬金庆葛众袁志鹏云南大学建筑与规划学院云南昆明650504 昆明昆监投资控股(集团)有限公司云南昆明650000

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)可实现中低温热能的有效利用,但其热利用效率仍可进一步提高,而内置换热器的使用可有效提高循环的热利用效率。因此,文章构建了内置换热器ORC系统的热力学模型。研究了当蒸发温度变化时,R600,R6... 详细信息

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)可实现中低温热能的有效利用,但其热利用效率仍可进一步提高,而内置换热器的使用可有效提高循环的热利用效率。因此,文章构建了内置换热器ORC系统的热力学模型。研究了当蒸发温度变化时,R600,R601a,R236ea,R245fa,R245ca,R123,R600a,R114和R142b对内置换热器ORC系统性能的影响,并比较了内置换热器ORC系统与传统ORC系统的净输出功率和热效率。结果表明:在最优蒸发温度下,采用R236ea的内置换热器ORC系统净输出功率大于其余工质,为32.40 kW,其比第二最大净输出功率R600a系统相对增大1.16%;采用R601a的内置换热器ORC系统的热效率最大。内置换热器ORC系统的最大净输出功率及热效率均较传统ORC系统显著增大。

关键词：有机朗肯循环工质中低温热能内置换热器

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测绘新技术在测绘工程测量中的应用研究

中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 2023年第5期 182-185页

作者：袁志鹏河南省地质矿产勘查开发局第三地质勘查院河南郑州450000

二十一世纪以来,我们国家已经进入到了信息化时代,在这样的时代背景之下,对于各个行业都提出了更新的要求,各个行业在其实际发展过程当中也不断结合实际状况在原有的基础之上增强对信息技术以及现代技术的运用,从而进一步实现其全面现... 详细信息

二十一世纪以来,我们国家已经进入到了信息化时代,在这样的时代背景之下,对于各个行业都提出了更新的要求,各个行业在其实际发展过程当中也不断结合实际状况在原有的基础之上增强对信息技术以及现代技术的运用,从而进一步实现其全面现代化转型,并且有效提升其发展效率。测绘新技术是我们国家在信息化时代的背景之下探索出来的相应信息技术,与传统技术相对比而言,其运用效率更高,测绘结果精准性更强,并且其具备其他技术所不具备的独特优势。基于此,需要有关人员进一步增强对测绘新技术的重视程度并且对其进行科学运用。

关键词：测绘新技术测绘工程测量运用探究

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高拉速薄板坯连铸保护渣剪切变稀性质

钢铁 2022年第12期57卷 97-108页

作者：袁志鹏朱立光王杏娟王博张燕超华北理工大学冶金与能源学院河北唐山063210 河北省高品质钢连铸工程技术研究中心河北唐山063009 河北科技大学材料科学与工程学院河北石家庄050018

针对高拉速薄板坯连铸保护渣现场使用过程中卷渣风险加剧、黏结报警频发等问题,通过使保护渣产生非牛顿流体行为,从而有效解决上述问题。该种新型保护渣具有剪切变稀的特性,即在较低剪切速率下具有较高黏度、在较高剪切速率下具有较低... 详细信息

针对高拉速薄板坯连铸保护渣现场使用过程中卷渣风险加剧、黏结报警频发等问题,通过使保护渣产生非牛顿流体行为,从而有效解决上述问题。该种新型保护渣具有剪切变稀的特性,即在较低剪切速率下具有较高黏度、在较高剪切速率下具有较低黏度。基于现场数据,计算出高拉速薄板坯结晶器钢液面表面区域的剪切速率为10~90s^(-1),结晶器弯月面及以下区域的剪切速率可达120~1600s^(-1)。采用旋转圆筒法研究了Al_(2)O_(3)对保护渣剪切变稀性质的影响。采用Oswald-De Waele幂律模型对剪切变稀行为进行了定量分析。结果表明,随着Al_(2)O_(3)含量的增加,保护渣剪切变稀性质先增强后减弱,Al_(2)O_(3)质量分数为8.61%的试样剪切变稀性质最强,其流动性指数最低达到0.7644。研究发现,非牛顿流体保护渣具有的剪切变稀性质能够满足在结晶器钢液面表面区域和弯月面及以下区域内对保护渣黏度的要求。基于高拉速薄板坯连铸的具体工艺参数,建立结晶器内多相耦合模型,通过模型计算发现,保护渣的剪切变稀性质增强不仅会明显降低剪切卷渣的风险,提高结晶器弯月面区域液渣流入的均匀性,而且在结晶器弯月面及以下区域具有更厚的液态渣膜,更容易实现全程液态润滑,同时提高了渣耗量,进一步剖析了保护渣剪切变稀性质的作用效果。本研究为开发非牛顿流体高拉速薄板坯连铸保护渣提供了理论依据。

关键词：保护渣薄板坯剪切速率剪切变稀多相耦合模型

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碱度对高速薄板坯保护渣结晶性能的影响

中国冶金 2023年第1期33卷 47-54页

作者：袁志鹏朱立光韩毅华王杏娟华北理工大学冶金与能源学院河北唐山063210 河北省高品质钢连铸工程技术研究中心河北唐山063009 河北科技大学材料科学与工程学院河北石家庄050018

为解决薄板坯连铸在高拉速下坯壳表面纵裂纹较多的问题,通过提高保护渣碱度(B)的方式,增强渣膜的结晶性能,进而降低铸坯向结晶器的传热,促进坯壳均匀生长。研究过程中采用单丝热电偶技术、FactSage热力学软件以及数学模型计算等手段分... 详细信息

为解决薄板坯连铸在高拉速下坯壳表面纵裂纹较多的问题,通过提高保护渣碱度(B)的方式,增强渣膜的结晶性能,进而降低铸坯向结晶器的传热,促进坯壳均匀生长。研究过程中采用单丝热电偶技术、FactSage热力学软件以及数学模型计算等手段分析了高碱度对薄板坯保护渣结晶行为的影响,并揭示了其影响机理。研究结果表明,当碱度从1.60增至1.80时,保护渣的结晶温度区间增大,临界冷却速率提高,结晶活化能降低,说明提高碱度会促进保护渣结晶。同时,在碱度提高过程中,保护渣中晶体的形核和长大机制存在2种情况,分别是B=1.60时形核速率减小、界面反应控制条件下、以二维长大方式生长,以及B=1.70、1.75和1.80时形核速率减小、界面反应控制条件下、以三维长大方式生长。

关键词：保护渣碱度结晶临界冷却速率长大机制

基于采用分液冷凝有机闪蒸循环系统的性能研究

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基于采用分液冷凝有机闪蒸循环系统的性能研究

作者：袁志鹏云南大学

学位级别：硕士

中低温地热能(<200℃)具有清洁环保、储量丰富、不受气候影响等诸多优势,高效开发中低温地热能发电可降低化石燃料消耗、减少温室气体排放。目前研究表明,有机闪蒸循环(Organic Flash Cycle,OFC)是可以有效利用中低温热能发电的技术之... 详细信息

中低温地热能(<200℃)具有清洁环保、储量丰富、不受气候影响等诸多优势,高效开发中低温地热能发电可降低化石燃料消耗、减少温室气体排放。目前研究表明,有机闪蒸循环(Organic Flash Cycle,OFC)是可以有效利用中低温热能发电的技术之一。有机闪蒸循环(OFC)系统具有众多优点,但投资成本高是众多学者一直以来所面临的问题,其中,冷凝器对OFC系统的经济性能有着重要的影响。分液冷凝技术可以显著提高冷凝换热系数。本文将分液冷凝应用于有机闪蒸循环,针对采用分液冷凝技术的有机闪蒸循环系统(Liquid-separation Condensation Organic Flash Cycle,分液冷凝OFC)进行了研究,构建了建立基于分液冷凝的有机闪蒸循环系统优化模型,对系统热性能进行多参数优化,采用R600、R601、R245fa、R134a、R236ea、R227ea、R1234ze、R1234yf这8种工质作为循环工质,研究了最优工况下不同系统参数对冷凝器换热面积的影响。并应用MATLAB 2019a进行了模拟分析,本文的主要内容和结论如下:(1)构建了采用分液冷凝有机闪蒸循环(OFC)系统计算模型。首先介绍了采用分液冷凝OFC系统工作原理;然后在热力学定律下根据定输出模式的运行规则,建立了定输出分液冷凝有机闪蒸循环系统数值模型,接着建立了采用分液冷凝器OFC子系统数值热性能计算模型,包括蒸发器、透平、工质泵以及分液冷凝器等主要构件计算模型。(2)在采用R600、R601、R245fa、R134a、R236ea、R227ea、R1234ze、R1234yf这8种不同循环工质下分别研究了热源温度、闪蒸压力对系统净输出功、(火用)效率、加热段换热面积、冷凝器换热面积、系统吸热量、压降、质量流量以及蒸汽干度的影响规律,并对相关影响机理进行了讨论。结果表明:随着热源进口温度的升高,8种工质系统的最大净输出功率会逐渐增大,最大净输出功率分别为47.69k W、77.47k W、51.32k W、14.34k W、43.51k W、20.00k W、21.28k W、11.17k W;系统的最大(火用)效率会先增大后减小,最大(火用)效率分别为30.2%、42.8%、32.5%、11.2%、28.7%、15.7%。15.9%、9.1%。随着闪蒸压力的增大,8种工质系统的净输出功先增大后减小,最大净输出功分别为30.87k W、31.23k W、31.87k W、9.69k W、29.42k W、13.53k W、14.38k W、7.55k W。系统的最大(火用)效率也是先增大后减小,最大(火用)效率分别为30.07%、30.41%、31.04%、9.43%、28.65%、13.17%、14.00%、7.35%。(3)以系统的净输出功率为目标函数,对闪蒸压力进行优化,讨论了不同循环工质最佳闪蒸压力随热源入口温度的变化。即同一热源温度下总是存在一个最优的闪蒸压力使得系统净输出功率最大。在最优工况下,冷凝器进口干度随着热源进口温度的升高而增大,但在达到临界温度后冷凝器进口干度将保持不变。研究发现工质的导热系数越高则传热性能越好,冷凝器的换热面积就越小。随着热源进口温度的提升,冷凝器的换热面积也随之增大。且冷凝器换热面积随着分液干度的增大呈先减小后增大的变化趋势,即不同热源进口温度下均存在一个最优分液干度使冷凝器换热面积最小。R600、R601、R245fa、R134a、R236ea、R227ea、R1234ze、R1234yf8种工质最优分液干度的冷凝器换热面积与传统不分液冷凝器换热面积均存在一个最大的相对减小量,在100～200°C的范围内冷凝器换热面积最大相对减小量分别为:9.64 mm、13.73 mm、18.03 mm、27.80 mm、20.04 mm、28.17 mm、25.74 mm、29.92 mm。(4)对于本文所研究的分液冷凝有机闪蒸循环系统而言,当循环工质不同时,其大多数(火用)损率随热源进口温度的变化趋势基本一致。吸热器出口的排烟(火用)损率和冷凝器(火用)损率均随热源进口温度的升高呈现递减的趋势;蒸发器的(火用)损率随热源进口温度的升高先减小后增大;透平和工质泵的(火用)损率随热源进口温度的上升先增大然后逐渐下降。此外,当热源进口温度为100～200℃时,系统总(火用)损率普遍最小的工质为R601,其值最大为81.61%,最小为55.35%。

关键词：有机闪蒸循环分液冷凝闪蒸压力换热面积（火用）分析