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基于结构参数的U型波纹管轴向刚度摄动法计算及仿真研究

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应用力学学报 2024年

作者：梁航章韦慧心蔡勇辉江景付城兰志文南昌大学工程力学系

金属波纹管是管道系统的重要部件，其轴向刚度将直接影响到管道系统的补偿能力、振动吸收能力以及系统弹性，结构参数对波纹管的轴向刚度有重要影响。本文以U型波纹管为研究对象，建立基于弹性单元体的解析模型，考虑波纹管的几何非线... 详细信息

金属波纹管是管道系统的重要部件，其轴向刚度将直接影响到管道系统的补偿能力、振动吸收能力以及系统弹性，结构参数对波纹管的轴向刚度有重要影响。本文以U型波纹管为研究对象，建立基于弹性单元体的解析模型，考虑波纹管的几何非线性，采用摄动法对波纹管轴向刚度进行计算研究，推导了包含波纹管波形结构参数的轴向刚度表达式，讨论了波纹管壁厚、波高、波距与轴向刚度的关系，利用有限元程序计算波纹管的轴向刚度，验证了环壳解析模型的准确性。研究结果表明，在其它结构参数不变的前提下，波纹管的轴向刚度随着壁厚的变大而单调增大、随着波高的增加而单调减小，而随着波距的变大，波纹管轴向刚度先是逐渐减小再缓慢增大，其中壁厚对波纹管轴向刚度的影响最为显著，波距的影响最微弱。研究结果可为管道系统中金属波纹管的正向设计提供有益理论指导。

关键词：波纹管轴向刚度结构参数摄动法有限元分析

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活性-非活性细胞界面动力学模型

四川大学学报（医学版） 2024年第1期55卷 39-46页

作者：张德清张豪舜李博清华大学工程力学系生物力学与医学工程研究所北京100084

目的利用活性液晶理论模型探究活性-非活性细胞界面的形貌动力学。方法采用活性液晶理论建立连续介质力学模型;通过对细胞单层的活性设置建立活性-非活性界面;通过有限差分及格子玻尔兹曼方法对理论方程进行数值求解分析。结果活性-非... 详细信息

目的利用活性液晶理论模型探究活性-非活性细胞界面的形貌动力学。方法采用活性液晶理论建立连续介质力学模型;通过对细胞单层的活性设置建立活性-非活性界面;通过有限差分及格子玻尔兹曼方法对理论方程进行数值求解分析。结果活性-非活性细胞单层界面呈现3种典型界面形貌,分别为直界面、波浪界面和指形界面。对于直界面,细胞取向在界面处垂直界面分布,−1/2拓扑缺陷聚集在界面,界面带负电属性;对于波浪界面,细胞取向在界面处无明显偏好,界面拓扑电荷数呈电中性;对于指形界面,细胞取向在界面处呈切向排列,+1/2拓扑缺陷聚集界面,驱动指形结构生长,界面带正电属性。结论界面处细胞排列取向会显著影响活性-非活性细胞界面形貌,这与界面的拓扑缺陷动力学密切相关。

关键词：活性细胞界面拓扑缺陷

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浅埋隧道工法转换段加固区效果分析

公路 2024年 424-428页

作者：潘睿闫康昊黄丹姜冬菊河海大学工程力学系

在浅埋隧道中进行工法转换时,不同施工方法导致的围岩变形与支护受力差异较大,从而影响工程安全性,需在工法转换段增设加固区以降低其不利影响。以江苏省内某隧道为实际工程背景,采用数值模拟方法研究工法转换段不同加固区工况对拱顶沉... 详细信息

在浅埋隧道中进行工法转换时,不同施工方法导致的围岩变形与支护受力差异较大,从而影响工程安全性,需在工法转换段增设加固区以降低其不利影响。以江苏省内某隧道为实际工程背景,采用数值模拟方法研究工法转换段不同加固区工况对拱顶沉降和支护应力的影响。结果表明:由双侧壁导坑法转换到三台阶法施工时,工法转换前后的两个相邻断面存在差异沉降,并出现拉应力集中的现象;在工法转换段设置加固区可有效减少差异沉降,优化支护受力状态,有利于隧道施工的安全性与稳定性。

关键词：浅埋隧道围岩变形工法转换数值模拟加固区

海底火山喷发大气冲击波激发的轴对称海啸波数值模型

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力学学报 2024年第7期56卷 2015-2028页

作者：吴蓓蓓刘桦上海交通大学工程力学系水动力学教育部重点实验室上海200240

海底火山喷发引发海啸具有多源激发机制,包括水下爆炸、边坡失稳、火山口坍塌、碎屑流、地震以及大气扰动.为了深入认识轴对称移动气压扰动激发海啸的机理,探究气压扰动参数对水波形态的影响规律,本文在柱面孤立波Boussinesq模型的基础... 详细信息

海底火山喷发引发海啸具有多源激发机制,包括水下爆炸、边坡失稳、火山口坍塌、碎屑流、地震以及大气扰动.为了深入认识轴对称移动气压扰动激发海啸的机理,探究气压扰动参数对水波形态的影响规律,本文在柱面孤立波Boussinesq模型的基础上,考虑水面移动气压扰动作用,建立了由火山喷发激发的轴对称移动气压场所驱动的海啸波数值模型.利用不同地形上柱面波的传播算例验证了本模型的精确性与稳定性.数值模拟了2022年汤加火山喷发大气扰动激发海啸事件,并与太平洋DART浮标实测数据比较,较好地复演了大气扰动驱动海啸波的远场传播过程,并讨论了波动在深水区的色散行为.研究了轴对称气压扰动的径向移速、强度及尺度对波动演化特征的影响,结果显示:气压移速与浅水波速的相对大小显著影响波形,当二者接近时将激发Proudman共振.在共振条件下,波幅与径向传播距离呈近似线性增长关系,波幅放大因子随气压尺度增大而减小.在远离共振条件时,气压强度和尺度对波幅放大因子的影响相对较小,受波能流守恒约束柱面自由波幅则沿程衰减,受迫波幅值近似按气压衰减规律变化.

关键词：移动气压扰动柱面波 Boussinesq方程 Proudman共振汤加火山海啸

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原子尺度断裂模拟进展

力学学报 2024年第2期56卷 347-364页

作者：丁彬高源陈玉丽李晓雁北京航空航天大学固体力学研究所北京100191 清华大学工程力学系北京100084

材料/结构的断裂是一个多尺度过程,绝大多数断裂过程都涉及到原子键的断裂,因此原子尺度的演化对材料的宏观断裂行为有重要影响.随着实验技术的飞速进步,高清电子显微镜已经可以观察到原子尺度的裂纹,而计算能力的日渐强大使得原子尺度... 详细信息

材料/结构的断裂是一个多尺度过程,绝大多数断裂过程都涉及到原子键的断裂,因此原子尺度的演化对材料的宏观断裂行为有重要影响.随着实验技术的飞速进步,高清电子显微镜已经可以观察到原子尺度的裂纹,而计算能力的日渐强大使得原子尺度模拟成为揭示实验现象背后的断裂机制、研究众多典型纳米结构材料断裂行为的有力工具.在本综述文章中,首先介绍了原子尺度断裂模拟的加载方法,包括均匀加载、速度梯度加载、K场加载和静水应力加载,并综合对比了上述加载方法的适用范围,然后给出了基于原子尺度信息定量计算断裂韧性的方法,包括能量释放率法、线下面积积分法、临界应力强度因子法、原子尺度内聚力模型法和原子尺度J积分法.随后介绍了近年来有代表性的不同类型的纳米结构材料(包括单晶、多晶、孪晶等晶体结构,非晶结构,异质界面结构)断裂行为模拟研究,例如钝化处理的单晶硅太阳能电池裂纹抗力大大增加、锂离子电池中锂化浓度控制的硅电极韧脆转变、错配应力驱动界面自发分层一步制备大尺度纳米硅片.这些研究结果揭示了实验现象背后的机理,同时和实验结果的一致性也印证了原子尺度模拟的可靠性与准确性.最后强调了原子尺度模拟面临的一些问题和挑战,并对将来的发展方向进行了展望.

关键词：纳米结构材料断裂行为断裂韧性原子尺度模拟

超临界CO_(2)动力循环热量流模型与高效求解方法

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工程热物理学报 2024年第2期45卷 535-542页

作者：辛永琳赵甜孙清晗李霞陈群清华大学工程力学系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

超临界CO_(2)动力循环结构紧凑、效率更高,然而工质物性变化剧烈,工质输运与能量传递等多种非线性过程相互耦合,导致传统建模和求解复杂,难以实现精确、高效模拟。本文基于超临界CO_(2)动力循环的热量流模型,提出一种基于广义Benders分... 详细信息

超临界CO_(2)动力循环结构紧凑、效率更高,然而工质物性变化剧烈,工质输运与能量传递等多种非线性过程相互耦合,导致传统建模和求解复杂,难以实现精确、高效模拟。本文基于超临界CO_(2)动力循环的热量流模型,提出一种基于广义Benders分解的高效求解算法,将系统控制方程按线性、(显式/隐式)非线性等数学性质分类处理,利用变量梯度信息迭代更新。相比于传统算法,新方法鲁棒性更好,收敛域扩大48%;当迭代初值偏差较小时,计算效率更高。

关键词：超临界CO_(2)布雷顿循环广义Benders分解热量流法求解算法鲁棒性

基于XFEM的大体积结构波动传播规律及裂纹反演方法

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三峡大学学报（自然科学版） 2024年第1期46卷 23-29页

作者：卢皓卓江守燕河海大学工程力学系南京211100

大体积混凝土结构被广泛应用于土木、水利等领域的重大工程中,而混凝土抗拉强度低的力学特性决定了其易产生裂纹,因此,发展高效的检测方法,识别大体积混凝土结构中的裂纹信息十分必要.论文提出了一种新的方法,通过提取响应信号频谱中特... 详细信息

大体积混凝土结构被广泛应用于土木、水利等领域的重大工程中,而混凝土抗拉强度低的力学特性决定了其易产生裂纹,因此,发展高效的检测方法,识别大体积混凝土结构中的裂纹信息十分必要.论文提出了一种新的方法,通过提取响应信号频谱中特定频率的幅值特征,基于BP人工神经网络建立幅值特征与裂纹信息间的映射关系,从而有效识别出裂纹信息.首先采用扩展有限元法(eXtended Finite Element Methods, XFEM)和人工吸收边界模型,分别模拟了单裂纹和双裂纹情形下,大量不同裂纹信息下特定位置传感器的响应,分析其频谱曲线并提取特征,建立频谱特征—裂尖位置数据集,以训练人工神经网络,测试集的反演效果显示,该方法具有较好的准确度,可有效识别出裂纹信息.

关键词：大体积结构裂纹反演频域特征神经网络扩展有限元法吸收边界层

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缺陷对石墨烯热传导性质影响的模拟研究

工程热物理学报 2024年第6期45卷 1767-1772页

作者：陈斌马维刚清华大学工程力学系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

石墨烯作为新型高导热材料,在微器件散热领域具有极大的应用潜力。本文通过第一性原理计算分别研究了N、O修饰及N掺杂等三种类型缺陷对石墨烯热传导性质的影响。结果表明,添加缺陷后石墨烯热导率降低程度为N修饰>O修饰>N掺杂,三种缺陷... 详细信息

石墨烯作为新型高导热材料,在微器件散热领域具有极大的应用潜力。本文通过第一性原理计算分别研究了N、O修饰及N掺杂等三种类型缺陷对石墨烯热传导性质的影响。结果表明,添加缺陷后石墨烯热导率降低程度为N修饰>O修饰>N掺杂,三种缺陷下室温热导率分别为60.7 W/(m·K)、81.2 W/(m·K)和2180 W/(m·K)。添加缺陷后低频声子弛豫时间显著降低,石墨烯晶体的严格周期性排列被破坏而造成的声子散射率增加是热导率大幅下降的主要原因。

关键词：石墨烯热导率声子缺陷第一性原理

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半导体异质结的界面热阻模型研究

工程热物理学报 2024年第4期45卷 1132-1138页

作者：杨光曹炳阳清华大学工程力学系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

本研究提出了一种考虑声子界面透射与散射、过渡层内部声子散射,以及过渡层残余应力耦合作用的异质结等效界面热阻模型。基于该模型计算了两种典型GaN/AlN/Si半导体异质结样品的等效界面热阻,在所研究的温度下模型预测值与实验结果符合... 详细信息

本研究提出了一种考虑声子界面透射与散射、过渡层内部声子散射,以及过渡层残余应力耦合作用的异质结等效界面热阻模型。基于该模型计算了两种典型GaN/AlN/Si半导体异质结样品的等效界面热阻,在所研究的温度下模型预测值与实验结果符合良好。根据模型预测结果,分析了不同过渡层厚度与温度下,主导等效界面热阻的声子散射机制。结果表明,过渡层内部的声子–晶界散射起主导作用,同时过渡层内的残余应力也会对等效界面热阻产生显著影响。

关键词：界面热阻模型半导体异质结过渡层声子–晶界散射