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连接结构界面摩擦力学建模研究进展

力学进展 2024年第3期54卷 477-521页

作者：沈民民杨晓东北京工业大学力学系北京100124

连接结构作为工业装备的核心部件之一,是装备制造领域着重攻关优化的关键基础部件.当前,因连接界面的非线性、复杂性、不确定性等引起的跨尺度和多物理场复杂力学行为机理不明,导致精准预测连接结构动力学特性和监测其动态服役性能存在... 详细信息

连接结构作为工业装备的核心部件之一,是装备制造领域着重攻关优化的关键基础部件.当前,因连接界面的非线性、复杂性、不确定性等引起的跨尺度和多物理场复杂力学行为机理不明,导致精准预测连接结构动力学特性和监测其动态服役性能存在困难,成为制约精密结构动力学分析、高保真仿真、设计、优化和控制等问题突破的瓶颈.然而连接结构应用广泛,工程和技术人员对连接结构的机理及其多功能化有进一步的需求.本文主要综述连接结构界面摩擦力学的解析建模、有限元建模以及实验系统,并提出新型连接结构设计的发展趋势.首先,根据连接使役环境需求、工程存在问题及缺乏有效强度刚度预测理论,综述了螺栓连接结构载荷类型及精准构建连接等效模型应用.其次,重点概述了连接结构界面摩擦的几类主流理论模型,包括描述微/纳尺度分析连接界面多尺度物理行为和规律的本构模型、采用系统辨识理论和方法得到宏观界面力学响应的唯象模型、结合本构微观接触机理和系统辨识宏观角度的唯象学本构摩擦模型.然后,综述了以有限元方法为基础的连接结构仿真以及实验方法,具体包括直接有限元建模、间接等效有限元建模、实验基准系统以及各向激励连接结构实验平台.最后,基于装备领域连接结构多功能需求,提出“传静抑动”连接件以及轻量化仿生连接件的新型连接件设计思想.

关键词：连接结构界面摩擦本构模型唯象模型实验测试基准

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碳纳米管材料的制备及其应用研究进展

稀有金属材料与工程 2024年第6期53卷 1781-1796页

作者：张迎晓周帆赖陈郑铮辉王滢周文元王金淑北京工业大学材料与制造学部北京100124

碳纳米管是由高度石墨化碳原子组成的管状结构,它的sp2轨道杂化结构使其具有独特的物理及化学性能,如机械强度高、吸附性能好、化学性能稳定、导电性好,在力学、电学和能源存储等方面都具有广泛的应用前景。然而,碳纳米管生长是一个非... 详细信息

碳纳米管是由高度石墨化碳原子组成的管状结构,它的sp2轨道杂化结构使其具有独特的物理及化学性能,如机械强度高、吸附性能好、化学性能稳定、导电性好,在力学、电学和能源存储等方面都具有广泛的应用前景。然而,碳纳米管生长是一个非常复杂的过程,原料组成、制备方法和环境条件都会对碳纳米管的生长速度、形貌和性能产生重要影响。通过调控碳纳米管生长过程可以获得形状不一、性能不同的碳纳米管。本文综述了制备方法、衬底材料、催化剂、生长气氛对碳纳米管形貌和性能的影响,讨论了碳纳米管的生长机理,总结了碳纳米管在能源存储、材料增韧、催化产氢等领域的应用,分析了碳纳米管的制备和可控生长面临的问题及未来发展方向,以期为碳纳米管的可控生长、大规模制备提供参考。

关键词：碳纳米管制备方法衬底材料催化剂生长机制

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分岔结构处双乳液滴的动力学特性研究

力学学报 2024年第5期56卷 1214-1222页

作者：刘赵淼孙超逄燕王翔北京工业大学数学统计学与力学学院北京100124 北京工业大学机械与能源工程学院北京100124

复合液滴在化工、医药和生物检测等领域有着广泛的应用,尺寸以及壳层厚度是复合液滴应用过程中的关键特征参数,研究复合液滴的动力学特性对建立相应的操控方法具有重要意义,有助于进一步实现复合液滴的按需制备.采用微流控技术制备了Y形... 详细信息

复合液滴在化工、医药和生物检测等领域有着广泛的应用,尺寸以及壳层厚度是复合液滴应用过程中的关键特征参数,研究复合液滴的动力学特性对建立相应的操控方法具有重要意义,有助于进一步实现复合液滴的按需制备.采用微流控技术制备了Y形和T形两种分岔结构,研究了双重乳化液滴(双乳液滴)在分岔结构处的流动行为.根据内、外液滴的分裂次数,将流动模式划分为二次分裂、一次分裂和不分裂3种.分析了流动模式的转变规律以及液滴长度对流动模式转变的影响,通过内、外液滴延伸长度、颈部宽度和缝隙宽度等特征参数的演化过程,将液滴运动过程划分为3个阶段,不分裂模式下为挤压、过渡和恢复,一次分裂以及二次分裂模式下为挤压、过渡和断裂,并讨论了相应的动力学机制.发现液滴长度的增加能有效降低液滴与通道之间的间隙宽度,导致双乳液滴所受的挤压力与剪切力增加,有利于液滴的分裂.基于比较成熟的单乳液滴理论,分别建立了内、外液滴的临界分裂条件,T形分岔结构的分裂临界线高于Y形,并进一步构建了内、外液滴毛细数和初始长度决定的流动模式分布图,可以很好地划分不同模式的分布区域,对于调控双乳液滴特性参数具有重要参考价值.

关键词：双乳液滴动力学特性分裂模式临界条件通道结构

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基于代理模型法的航空燃油泵空化性能优化

航空动力学报 2024年

作者：王晓晖张凯苗森春李柯剑申正精兰州理工大学能源与动力工程学院兰州理工大学土木工程博士后流动站新乡航空工业(集团)有限公司博士后工作站

为提高航空燃油泵空化性能，以某型离心式航空燃油泵为例，对叶轮流道几何参数进行参数化优化设计，生成以流道几何参数为输入、以增压值和空化体积为输出的响应样本空间。基于最优预测元模型，拟合最优代理模型，并进行全局敏感性分析... 详细信息

为提高航空燃油泵空化性能，以某型离心式航空燃油泵为例，对叶轮流道几何参数进行参数化优化设计，生成以流道几何参数为输入、以增压值和空化体积为输出的响应样本空间。基于最优预测元模型，拟合最优代理模型，并进行全局敏感性分析，发现叶轮进口边参数与中间型线参数对燃油泵增压值与空化体积影响较大。通过遗传算法获得最优流道几何参数，采用数值模拟方法，对获得的最优参数进行验证，结果表明：优化后燃油泵的压力系数提高0.035，空化性能提高22.28%。叶轮空化面积与空泡体积显著下降，不同叶片间压力载荷分布得到改善，叶轮内部压力脉动幅值有所下降。

关键词：燃油泵空化性能代理模型遗传算法数值模拟

基于多尺度特征融合的互学习脱机手写数学公式识别

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华南理工大学学报（自然科学版） 2024年第2期52卷 23-31页

作者：付鹏斌徐宇杨惠荣北京工业大学信息学部北京100124

脱机手写数学公式二维结构复杂,其中字符多变的尺度以及书写风格的变换不一都会增大手写数学公式识别的难度。文中提出了一个基于多尺度特征融合的互学习模型。首先,在编码阶段引入了多尺度特征融合的方式改进模型,以提升模型对公式中... 详细信息

脱机手写数学公式二维结构复杂,其中字符多变的尺度以及书写风格的变换不一都会增大手写数学公式识别的难度。文中提出了一个基于多尺度特征融合的互学习模型。首先,在编码阶段引入了多尺度特征融合的方式改进模型,以提升模型对公式中细粒度信息的提取能力以及加强对全局二维结构的语义信息理解;其次,引入了成对的手写体、打印体数据来进行互学习模型的训练,该模型包括解码器损失和上下文匹配损失,分别学习LaTeX语法以及手写体、打印体之间的语义不变性,提高模型对不同书写风格的鲁棒性,提升对公式整体信息的理解能力。在CROHME 2014/2016/2019数据集上进行实验验证,结果发现:引入多尺度特征融合机制后,表达式正确率分别达到55.25%、52.31%、53.72%;引入互学习机制后,表达式正确率分别达到55.43%、53.53%、53.79%;同时引入两种机制后,表达式正确率分别达到58.88%、55.10%、57.05%。经实验证明,文中提出的方法能够有效提取公式中不同尺度下的特征,并通过互学习机制克服手写风格不一、数据量少等问题。此外,在HME100K数据集上的实验结果也验证了文中提出模型的有效性。

关键词：手写数学公式识别脱机模式手写体打印体语义不变性

Cu箔集流体飞秒激光深刻蚀织构化及其对锂离子电池性能的影响

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表面技术 2024年第1期53卷 115-122页

作者：王京博曹利李松原肖荣诗黄婷北京工业大学材料与制造学部北京100124

目的使用飞秒激光在Cu箔表面深刻蚀织构化,制备微纳沟槽结构,提高锂离子电池Si电极循环稳定性。方法系统研究激光能量密度、单位点有效脉冲数对厚度为9μm的Cu箔的表面形貌和微纳结构的影响规律,根据结果设计不同沟槽密度和沟槽深度... 详细信息

目的使用飞秒激光在Cu箔表面深刻蚀织构化,制备微纳沟槽结构,提高锂离子电池Si电极循环稳定性。方法系统研究激光能量密度、单位点有效脉冲数对厚度为9μm的Cu箔的表面形貌和微纳结构的影响规律,根据结果设计不同沟槽密度和沟槽深度的Cu箔,并组装成Si电极锂离子半电池,通过循环测试及循环后电极形貌揭示其稳定性提升的内在机理。结果最佳的激光能量密度为3.18 J/cm^(2),此时改变单位点有效脉冲数和扫描间距可有效控制刻蚀沟槽的密度和深度。Si电极的循环稳定性随着Cu箔表面沟槽密度和沟槽深度的增加而逐渐提升,当沟槽密度为75%、沟槽深度为6μm时,循环300圈后剩余的容量高达911 mA·h/g,保持率为89%,电极形貌相对最完整、稳定。结论刻蚀表面纳米结构增加了电极层与集流体之间的黏结强度;微米沟槽结构进一步保护了电极层,缓解了体积膨胀效应。采用Cu箔集流体深刻蚀显著改善了Si电极的剥离和开裂现象,实现了其电化学性能的提升。

关键词：绿光飞秒激光激光刻蚀 Cu箔集流体 Si电极循环稳定性

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水凝胶多场耦合计算力学

计算力学学报 2024年第1期41卷 91-100页

作者：杨庆生刘夏粘向川宗婷乔海棣金山唐爱杰北京工业大学工程力学系北京100124

作为一种具有多场耦合特性的智能柔体材料,水凝胶的制备技术、性能表征与结构应用得到迅速发展。本文在分析水凝胶本构理论和结构设计的基础上,提出了水凝胶多场耦合计算力学的基本方法和范式,包括微观粗粒化分子动力学模拟和宏观耦合... 详细信息

作为一种具有多场耦合特性的智能柔体材料,水凝胶的制备技术、性能表征与结构应用得到迅速发展。本文在分析水凝胶本构理论和结构设计的基础上,提出了水凝胶多场耦合计算力学的基本方法和范式,包括微观粗粒化分子动力学模拟和宏观耦合有限元方法等,计算了化学-力学耦合作用下水凝胶材料与结构的变形和应力,给出了多个数值算例与结果比较。研究指出多场耦合计算力学将成为水凝胶材料和结构分析的主要手段,并推动水凝胶等这类智柔材料的性能设计与工程应用。

关键词：水凝胶智能结构多场耦合计算力学多尺度

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气-液界面位置对微凹槽结构内两相流场和减阻特性的影响研究

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力学学报 2024年第9期56卷 2511-2521页

作者：申峰陈杰程思源逄燕刘赵淼北京工业大学数学统计学与力学学院北京100124

在超疏水表面增加微凹槽结构,有利于在表面张力作用下留存部分空气形成气-液界面,从而大大降低流动阻力,在流动减阻方面展示了巨大的应用潜力.然而,由于流体剪切、空气溶解等影响,微凹槽内的空气容易发生损耗,导致气-液界面位置向凹槽... 详细信息

在超疏水表面增加微凹槽结构,有利于在表面张力作用下留存部分空气形成气-液界面,从而大大降低流动阻力,在流动减阻方面展示了巨大的应用潜力.然而,由于流体剪切、空气溶解等影响,微凹槽内的空气容易发生损耗,导致气-液界面位置向凹槽底部移动,进而降低减阻效果.为了揭示微凹槽内空气损耗后气-液界面位置对流动减阻效果的影响,开展了显微高速摄影实验和计算流体动力学数值模拟,研究了微凹槽内不同气-液界面位置对两相流场特性的影响,并分析了等效滑移长度和减阻率的变化规律.结果表明,随着气-液界面位置的下移,气-液界面上方的流体从附着流转变为分离涡流,空气内部的涡流方向也从顺时针转变为逆时针.形成分离涡的临界空气损耗率为h_(c)^(*)=0.3~0.4,减阻率从12%降低到5%.界面下降后雷诺数Re、微通道宽度W和凹槽长度占比δ对微凹槽减阻性能也有重要影响,研究结果有助于深化对超疏水表面微凹槽两相流动减阻问题的认识,为微凹槽结构设计及应用提供重要的理论指导.

关键词：滑移长度气-液界面涡胞微凹槽流动减阻

基于长短期记忆网络的FRP约束混凝土圆柱循环轴压应力-应变预测模型

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工程力学 2024年第2期41卷 98-111页

作者：姜克杰胡松韩强北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京工业大学北京100124

纤维增强复合材料(Fiber reinforced polymer,FRP)已被广泛应用于既有混凝土结构的加固改造和新建结构中。FRP约束混凝土柱在地震作用下通常会受到轴压的往复循环作用,研究FRP约束混凝土在循环轴压作用下的应力-应变特性对于FRP在实际... 详细信息

纤维增强复合材料(Fiber reinforced polymer,FRP)已被广泛应用于既有混凝土结构的加固改造和新建结构中。FRP约束混凝土柱在地震作用下通常会受到轴压的往复循环作用,研究FRP约束混凝土在循环轴压作用下的应力-应变特性对于FRP在实际工程中的应用具有重要意义。该文提出了一种用于建模循环轴压下FRP约束混凝土柱应力-应变特性的神经网络预测模型,该模型采用长短期记忆(Long short-term memory,LSTM)单元对循环应力-应变曲线中的滞回特性进行建模,构件的物理参数被有效地集成在网络的输入中。该模型能以端到端的方式进行高效的训练且不依赖任何专家经验。制作了一个包含166个FRP约束普通混凝土柱的循环轴压数据库,在该数据库上对模型的准确性和鲁棒性进行了充分的评估,结果表明测试集平均预测误差仅为0.32 MPa。此外,对网络结构和超参数的影响进行了详细的讨论,结果表明该模型具有出色的预测性能。

关键词： FRP约束混凝土循环轴压应力-应变曲线 LSTM 机器学习