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二维层状双金属氢氧化物修饰的SPR重金属离子传感器研究

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二维层状双金属氢氧化物修饰的SPR重金属离子传感器研究

作者：马鹏磊重庆大学

学位级别：硕士

重金属污染具有长期性、潜在毒性及对生物体伤害的不可逆性,严重影响陆地及水生生态环境系统,威胁人类生命健康安全。银离子(Silver ions,Ag)作为一种典型的重金属污染物,能够通过生物链和水循环系统不断在生物体内富集,取代生物酶中的... 详细信息

重金属污染具有长期性、潜在毒性及对生物体伤害的不可逆性,严重影响陆地及水生生态环境系统,威胁人类生命健康安全。银离子(Silver ions,Ag)作为一种典型的重金属污染物,能够通过生物链和水循环系统不断在生物体内富集,取代生物酶中的其他离子,造成生物酶失活,导致细胞损伤和器官衰竭。因此,发展高灵敏度的Ag传感器对环境保护以及健康预警具有重要意义。表面等离激元共振(Surface plasmon resonance,SPR)传感技术具有无需样品标记、响应速度快、可实时监测等优势,在重金属离子检测领域具有广泛的应用前景。本文针对传统SPR重金属离子传感器存在灵敏度较低、特异性较差的问题,提出了一种基于镍铝二维层状双金属氢氧化物(Ni Al-LDH)修饰的SPR重金属离子传感器,实现了对痕量Ag的高灵敏度特异性检测,主要研究内容如下:1基于有限元分析法建立了棱镜耦合型SPR传感器物理模型,仿真分析了金属层结构参数对SPR传感器光谱半峰宽、共振深度及灵敏度的影响规律,获得了优化的等离子体材料及其厚度(Au,50 nm)。进一步分析了SPR传感器表面电场模式能量分布特性,研究了传感器灵敏度增强机理,结果表明入射光能量被高度局域在Au-SPR传感器表面,其最大电场强度相对于入射光场强增加了5.4倍,能够有效增强光与待测物质相互作用。2搭建了基于棱镜Kretschmann结构的SPR传感实验平台,设计并制备了Ni Al-CO-LDH SPR传感器,对传感器敏感层薄膜进行了表征测试。研究了传感器的折射率传感特性,通过优化Ni Al-CO-LDH敏感层厚度,获得了传感器的最高灵敏度(3834.34 nm/RIU),较无敏感层修饰的Au-SPR传感器提高了146.4%。研究了传感器的重金属离子传感特性,结果表明所制备的传感器能够实现对Ag、Pb、Hg以及Cr的检测且对Ag具有更高的检测灵敏度(17.67 nm/μg/L)。3提出采用Ni Al-MoS-LDH修饰金膜提升传感器对Ag特异性吸附能力的新方法,以进一步优化传感器性能。合成了MoS插层的Ni Al-MoS-LDH纳米片,设计并制备了Ni Al-MoS-LDH SPR传感器。研究了(NH)MoS与Ni Al-CO-LDH材料配比和敏感层喷涂量对传感器检测性能的影响,获得了传感器的最佳灵敏度254.75 nm/μg/L,较Ni Al-CO-LDH SPR传感器提高了13.42倍,同时传感器具有良好的选择性、重复性和稳定性。基于Langmuir等温吸附模型获得了传感器的检测极限0.303 ng/L(2.806 p M),该值远低于美国环境保护署所规定的饮用水中Ag的最高浓度(460 n M)。测试了传感器在真实环境样品中对低浓度Ag的检测性能,其相对标准偏差(n=3)低于4.76%,表明传感器在江水和自来水样品中仍然具备对痕量Ag的检测能力。

关键词：表面等离激元共振二维层状双金属氢氧化物折射率传感银离子检测

分度圆裂纹齿轮啮合刚度计算及啮合动态特性分析

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机电工程 2022年第12期39卷 1714-1719页

作者：徐凤宝刘贵杰马鹏磊王泓晖陈帅中国海洋大学工程学院山东青岛266100

为了探究分度圆裂纹对齿轮传动系统产生的影响,利用改进能量法计算分度圆裂纹齿轮的啮合刚度,结合动力学模型对齿轮传动系统进行了动态特性分析。首先,将齿轮的齿根圆视为悬臂梁起点,把分度圆裂纹按照其齿廓投影位置分为了3种情况;然后... 详细信息

为了探究分度圆裂纹对齿轮传动系统产生的影响,利用改进能量法计算分度圆裂纹齿轮的啮合刚度,结合动力学模型对齿轮传动系统进行了动态特性分析。首先,将齿轮的齿根圆视为悬臂梁起点,把分度圆裂纹按照其齿廓投影位置分为了3种情况;然后,利用改进能量法理论计算了不同裂纹情况下的齿轮啮合刚度;最后,在啮合刚度的基础上,建立了齿轮系统的六自由度动力学模型,分析了不同裂纹情况下的齿轮系统的动态特性。仿真结果表明:相比于正常齿轮,分度圆裂纹为2.5 mm时,齿轮的啮合刚度最多下降14.3%,传递误差最多升高12.2%,齿间啮合力最多下降3.6%,啮合摩擦力最多下降14.8%;随着裂纹长度增大,齿轮啮合刚度逐渐降低,传递误差随之增大,齿间啮合力和啮合摩擦力逐渐降低。研究结果表明:由于裂纹的影响,齿轮传动系统会受到周期性冲击。

关键词：齿轮传动系统振动传递误差齿间啮合力改进能量法动力学模型啮合摩擦力齿轮点蚀、剥落时域图、频谱图

控制阀的流量自感知及其在外泄漏自感知中应用

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工程科学与技术 2017年第4期49卷 205-210页

作者：谢玉东王勇马鹏磊刘学山东大学机械工程学院高效洁净机械制造教育部重点实验室山东济南250061

控制阀的外泄漏会造成物料损失,污染环境,甚至还会造成严重事故。利用控制阀外部的传感器以测量外泄漏的传统方法效率较低,属于事后检测,使外泄漏事故得不到及时处理。为了实现控制阀外泄漏的快速自动检测,作者提出一种便于在工业现场... 详细信息

控制阀的外泄漏会造成物料损失,污染环境,甚至还会造成严重事故。利用控制阀外部的传感器以测量外泄漏的传统方法效率较低,属于事后检测,使外泄漏事故得不到及时处理。为了实现控制阀外泄漏的快速自动检测,作者提出一种便于在工业现场实施的基于控制阀流量自感知的外泄漏检测方法。根据被控流体压力、控制阀开度等数据,建立控制阀的流量自感知模型,使控制阀具有流量自感知的能力。如果没有外泄漏,则由控制阀入口流进的流体质量和由出口流出的流体质量应该相等。如果控制阀发生外泄漏,则由控制阀入口流进的流体质量和由控制阀出口流出的流体质量不相等,同时由于控制阀出口的流体质量减小,导致控制阀出口的压力等参数发生变化。为了恢复泄漏前的稳态,闭环控制器向控制阀驱动器发出调节指令,增大阀门的开度,增加控制阀入口流量,以抵消外泄漏造成的影响。在相同的开度增量条件下,外泄漏引起的流量增量与正常操作所引起的不同。在实施控制阀的泄漏自感之前,根据平时正常的工况,预先确定各开度条件下的质量流量的名义最大值。根据流量自感知模型的质量流量变化率和名义最大值,阀门控制器内嵌的泄漏诊断程序可实现外泄漏的自诊断,并发出外泄漏故障信号。此外,带流量自感知模型的控制阀能当流量计用,可省掉管路中的流量测量设备。研究结果证明了所提出的外泄漏自感知方法的有效性。

关键词：控制阀外泄漏自感知生产数据质量流

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基于虚拟材料模型的螺栓松动预测研究

机电工程 2023年第5期40卷 699-706页

作者：陈帅谢迎春刘贵杰马鹏磊王泓晖张方超中国海洋大学工程学院山东青岛266000

螺栓连接在风力发电机等复杂装备中得到了广泛应用。设备的工作载荷及机械振动会引起螺栓松动,导致螺栓连接失效,严重影响设备的正常运行。为此,以海上风力发电机塔筒连接螺栓为研究对象,建立了螺栓结合面连接刚度模型,进行了塔筒法兰... 详细信息

螺栓连接在风力发电机等复杂装备中得到了广泛应用。设备的工作载荷及机械振动会引起螺栓松动,导致螺栓连接失效,严重影响设备的正常运行。为此,以海上风力发电机塔筒连接螺栓为研究对象,建立了螺栓结合面连接刚度模型,进行了塔筒法兰连接螺栓的松动状态预测研究。首先,建立了螺栓结合面刚度,通过虚拟材料模型对其进行了表征,探究了预紧力对虚拟材料层模型的影响特性,为有限元模型提供了参数;然后,通过力锤实验,并结合实测数据建立了高精度的有限元模型;最后,通过法兰连接件的前10阶扭转、弯曲固有频率,以任意两阶模态的频率变化平方比、预紧力变化前后频率相对变化比分别作为螺栓定位、定量指标,进行了螺栓松动预测。研究结果表明:随着预紧力的增加,固有频率呈现逐渐增大的趋势,但灵敏度稍有下降;通过对螺栓松动测试结果的统计可得,螺栓松动定位识别精度达到95.24%;单、多螺栓预紧力下降程度定量精度分别为93.4%、90.2%;基于虚拟材料模型的螺栓松动预测方法具备精度高、通用性强的特点,可为螺栓连接的数字孪生实时监测提供重要参考。

关键词：螺栓连接失效松动定位识别锤击实验虚拟材料特性结合面刚度模型预紧力固有频率

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水翼振荡运动捕获潮流能的机理研究

浙江大学学报（工学版） 2018年第1期52卷 65-72页

作者：谢玉东王勇马鹏磊逯建伟山东大学机械工程学院山东济南250061 山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室山东济南250061

为了揭示水翼发生振荡运动而捕获潮流能的机理,根据流体力学的基本理论,建立水翼振荡运动的模型.利用商用软件ANSYS Fluent对水翼的运动过程进行数值模拟,分析水翼运动对周围流场的影响,讨论水翼的运动参量、尺度参数等对水翼的水动力... 详细信息

为了揭示水翼发生振荡运动而捕获潮流能的机理,根据流体力学的基本理论,建立水翼振荡运动的模型.利用商用软件ANSYS Fluent对水翼的运动过程进行数值模拟,分析水翼运动对周围流场的影响,讨论水翼的运动参量、尺度参数等对水翼的水动力特性和能量捕获性能的影响规律,获得水翼在流体作用下的动力响应特性.结果表明:水翼的捕能总效率随运动参量变化的过程存在拐点,将水翼的运行参数设置在最高效率点对应的参数下,能够减小瞬时升力系数、瞬时阻力系数、瞬时功率系数各系数曲线的振荡突变现象,但该参数设置下的水翼功率输出未必能够达到最大;升沉运动捕获的能量与水翼厚度呈正相关,俯仰运动捕获的能量与水翼厚度呈负相关;水翼几何参数对水翼工作性能的影响程度与流体黏性的影响密切相关.

关键词：水翼耦合运动水动力能量捕获机理

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振荡翼改进模型的水动力性能分析

华中科技大学学报（自然科学版） 2017年第3期45卷 65-69页

作者：马鹏磊王勇刘海宾谢玉东山东大学机械工程学院山东济南250061 山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室山东济南250061

为了改善水翼的水动力性能,提高振荡翼的能量转化效率,基于传统运动模型提出了改进模型.利用Fluent建立了翼型的网格模型,并从水翼在运动过程中攻角(AOA)的变化及漩涡结构等方面分析了改进模型在不同运动参数下的水动力性能及能量转化效... 详细信息

为了改善水翼的水动力性能,提高振荡翼的能量转化效率,基于传统运动模型提出了改进模型.利用Fluent建立了翼型的网格模型,并从水翼在运动过程中攻角(AOA)的变化及漩涡结构等方面分析了改进模型在不同运动参数下的水动力性能及能量转化效率.结果表明:改进模型在较长时间段内维持较大的升力系数,提高了水翼的水动力转化效率.与传统运动模型相比,在相同的最大攻角下,提出的改进模型有更好的水动力性能,且其能量转化效率超过40%.

关键词：振荡翼攻角改进模型转化效率水动力性能漩涡结构

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基于平行式振荡翼系统参数耦合分析

浙江大学学报（工学版） 2017年第1期51卷 153-159页

作者：刘海宾王勇马鹏磊谢玉东山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室山东济南250061

采用ANSYS Fluent求解绕二维双振荡翼非定常、不可压缩Navier-Stokes方程,分析水平布置的双水翼捕能系统.为了提高系统的捕能效率及稳定性,通过建立双水翼振荡系统数值及网格模型,综合分析翼型、运动参数(升沉运动参数和俯仰运动参数)... 详细信息

采用ANSYS Fluent求解绕二维双振荡翼非定常、不可压缩Navier-Stokes方程,分析水平布置的双水翼捕能系统.为了提高系统的捕能效率及稳定性,通过建立双水翼振荡系统数值及网格模型,综合分析翼型、运动参数(升沉运动参数和俯仰运动参数)以及折算频率对水翼水动力特性及捕能性能的耦合影响,从水翼在运动过程中攻角的变化和漩涡结构方面分析影响系统水动力特性的机理.结果表明:翼型对水翼捕能特性的影响较小;在较小的折算频率下,升沉振幅是影响能量提取效率的主要因素;随着折算频率的增加,升沉振幅对能量提取效率的影响逐渐减弱;在较大的折算频率下,俯仰振幅对能量提取效率的影响更大.在给定的参数条件下,水翼的捕能效率可达43.18%.

关键词：双水翼耦合分析水动力特性捕能效率 ANSYS Fluent

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振荡翼在非均匀流中的能量提取性能分析

太阳能学报 2018年第4期39卷 886-891页

作者：谢玉东马鹏磊王勇贾海峰孙光山东大学机械工程学院高效洁净机械制造教育部重点实验室

为了解振荡翼在非均匀流场中的能量提取性能,利用Fluent求解非均匀流场中的绕二维振荡翼非定常、不可压缩Navier-Stokes方程。通过分析不同最大攻角（αmax）及相应运动参数在非均匀流场的能量提取及水动力性能发现：与均匀流相比,流速... 详细信息

为了解振荡翼在非均匀流场中的能量提取性能,利用Fluent求解非均匀流场中的绕二维振荡翼非定常、不可压缩Navier-Stokes方程。通过分析不同最大攻角（αmax）及相应运动参数在非均匀流场的能量提取及水动力性能发现：与均匀流相比,流速在垂直方向非均匀分布使水翼升力系数在一个周期的平均值提高,从而可改善水翼的能量提取性能。当水翼表面存在旋涡时,非均匀流影响旋涡的结构,使水翼的转矩系数出现较大差异。在最大攻角接近水翼的失速角（30°附近）时,非均匀流使水翼的时均功率系数提高,振荡频率越高,时均功率系数提高越明显。与流速在垂直方向的非均匀分布相比,流速在水平方向的随时间的波动造成水翼的水动力性能及能量提取性能有较大的波动。

关键词：潮流发电水翼水动力攻角非均匀流

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自升式平台桁架腿弦杆波浪载荷求解方法研究

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