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金属增材制造中的缺陷、组织形貌和成形材料力学性能

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力学学报 2021年第12期53卷 3190-3205页

作者：陈泽坤蒋佳希王宇嘉曾永攀高洁李晓雁清华大学工程力学系北京100084

金属增材制造是近30年发展起来的一种新型制造技术,不同于传统的减材制造过程,它是基于离散-堆积原理,根据设计的三维数据模型,逐层加工获得立体实物的制造技术,具有近净成形、快速制造、设计自由度高等优点,特别适用于具有复杂几何结... 详细信息

金属增材制造是近30年发展起来的一种新型制造技术,不同于传统的减材制造过程,它是基于离散-堆积原理,根据设计的三维数据模型,逐层加工获得立体实物的制造技术,具有近净成形、快速制造、设计自由度高等优点,特别适用于具有复杂几何结构的高熔点金属构件的直接成形,在航天航空、核能工业、交通运输、生物医疗等领域具有巨大的技术优势和广阔的应用前景.本文首先介绍了3种典型的金属增材制造技术原理,包括选区激光熔化技术、激光金属沉积技术和选区电子束熔化技术.随后对金属增材制造中的熔合不良、气孔、裂纹等缺陷的形成机理及其控制方法进行了综述,以激光功率、扫描速度和扫描策略等工艺参数为例阐述了工艺参数对成形构件组织形貌的影响,同时介绍了金属增材制造技术在传统合金、高熵合金以及非晶合金等材料中的应用及其力学性能.最后对金属增材制造在扩充可打印的合金体系、量化缺陷与残余应力对材料性能的影响、发展可预测组织形貌的模拟方法、建立金属增材制造数据库和相关标准等方向进行了展望.

关键词：金属增材制造缺陷组织形貌成形材料力学性能

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湍流燃烧二阶矩模型的研究进展

工程热物理学报 2021年第5期42卷 1318-1324页

作者：周力行清华大学工程力学系北京100084

湍流燃烧模型在燃烧过程数值模拟中十分重要。商业软件中仍然应用的简单模型,如EBU和预设PDF模型,常常不能很好地模拟有限反应动力学。目前通行的湍流燃烧模型,如层流小火焰模型和条件矩模型,只对一定的火焰类型和火焰结构的效果较好。... 详细信息

湍流燃烧模型在燃烧过程数值模拟中十分重要。商业软件中仍然应用的简单模型,如EBU和预设PDF模型,常常不能很好地模拟有限反应动力学。目前通行的湍流燃烧模型,如层流小火焰模型和条件矩模型,只对一定的火焰类型和火焰结构的效果较好。PDF方程模型更通用,但计算量太大,用于大涡模拟更是如此。另一类是统计矩模型,即基于湍流模型的思路,用雷诺展开和取平均,封闭未知项的二阶矩模型,但是遇到了高度非线性的温度指数函数的困难。不同研究者采取了不同的近似处理,都低估了时平均反应率。作者彻底放弃各种近似方法,构建了终版的二阶矩模型,用于不同的单相和两相燃烧的雷诺平均模拟和大涡模拟,得到了实验验证和直接数值模拟的验证。

关键词：湍流燃烧 CFD数值模拟二阶矩模型

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高熵合金的力学性能及变形行为研究进展

力学学报 2020年第2期52卷 333-359页

作者：李建国黄瑞瑞张倩李晓雁清华大学工程力学系北京100084

高熵合金是近年来提出的一种新的合金设计理念,打破了一般合金中以1种或2种元素为主,辅以极少量其他元素来改善合金性能的传统思想,由多种元素以等原子或近似等原子比混合后形成具有独特原子结构特征的单一固溶体合金.高熵合金的多主元... 详细信息

高熵合金是近年来提出的一种新的合金设计理念,打破了一般合金中以1种或2种元素为主,辅以极少量其他元素来改善合金性能的传统思想,由多种元素以等原子或近似等原子比混合后形成具有独特原子结构特征的单一固溶体合金.高熵合金的多主元特性使其在变形过程中表现出多重机制(包括位错机制、形变孪生、相变等)的协同,因而高熵合金已经展示了优异的力学性能,如高强、高硬、高塑性、抗高温软化、抗辐照、耐磨等,被认为是最具有应用潜力的新型高性能金属结构材料,已经成为国际固体力学和材料科学领域研究的热点.本文首先介绍了高熵合金独特的结构特征,即具有短程有序结构和严重的晶格畸变;随后对近年来针对不同类型高熵合金(包括具有面心立方相、体心立方相、密排六方相、多相以及亚稳态高熵合金)力学性能、变形行为方面的研究成果,特别是强韧化机制以及相关的原子尺度模拟,进行了较为系统的综述;最后强调了高熵合金未来研究中所面临的一些主要问题和挑战,并对其研究进行了展望.

关键词：高熵合金力学性能变形机理强韧化原子尺度模拟

共轴反转型生物反应器内流场数值模拟与性能分析

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化工学报 2020年第11期71卷 5188-5199页

作者：杨光王沫然清华大学工程力学系北京100084

使用生物可降解塑料是解决白色污染的有效手段,然而在生物反应器中生产可降解塑料过程中会面临气体传质能力不足和能耗过大等问题,导致生产成本居高不下。为解决这些问题,提出了一种共轴反转型机械搅拌式生物反应器,并通过数值模拟对新... 详细信息

使用生物可降解塑料是解决白色污染的有效手段,然而在生物反应器中生产可降解塑料过程中会面临气体传质能力不足和能耗过大等问题,导致生产成本居高不下。为解决这些问题,提出了一种共轴反转型机械搅拌式生物反应器,并通过数值模拟对新型反应器内两相流场进行了仿真及定量分析。通过模拟气泡羽流、鼓泡塔及搅拌器系统内流场,并与实验结果对比,在双流体模型中引入了曳力、升力及湍流扩散力以及基于Troshko-Hassan模型的两相湍流模型,验证了双流体模型在该问题中的有效性。对新设计的反应器内流场模拟结果表明,两相作用力模型对模拟准确性影响较大,而共轴反转能够在流场中形成更好的剪切效应,增强气体分散能力,从而提高整体气含率及相对功率准数。

关键词：生物反应器数值模拟气液两相流气含率传质

内压与轴向拉力作用下锥壳与圆筒连接结构的屈曲分析

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压力容器 2023年第4期40卷 21-29页

作者：刘佳锋向志海薛明德清华大学工程力学系北京100084

在我国压力容器标准GB 150—2011《压力容器》和行业标准JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》(2005年确认)中,锥壳大端或小端与圆柱壳相连接结构的设计方法只考虑了塑性垮塌和丧失安定两种失效模式,并认为通常情况下结构不... 详细信息

在我国压力容器标准GB 150—2011《压力容器》和行业标准JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》(2005年确认)中,锥壳大端或小端与圆柱壳相连接结构的设计方法只考虑了塑性垮塌和丧失安定两种失效模式,并认为通常情况下结构不会发生屈曲。但是当结构的壁厚很薄,并且受到很大的轴向拉力时,有必要讨论是否会发生屈曲。为此,基于弹塑性大变形有限元法,分析了内压和轴向拉力按不同比例加载时,锥壳和圆筒连接结构的屈曲承载力,并以此提出了内压和轴向拉力组合作用下锥壳的屈曲判别式。计算结果表明,依据原有设计规范进行设计的锥壳结构有至少2.4倍的安全余量,所提出的屈曲判别式与数值试验结果吻合较好。

关键词：压力容器锥壳分析设计准则屈曲分析多组载荷

地下深层岩石微纳米孔隙内气体渗流的多尺度模拟与分析

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地球科学 2018年第5期43卷 1792-1816页

作者：王沫然王梓岩清华大学工程力学系北京100084

页岩气是未来中国能源结构中的重要组成部分,但中国页岩气埋藏深度大,不能直接照搬美国对浅层页岩气的开采经验,需要对其输运机理有更清晰的认识.介绍了跨尺度混合模拟算法,分析了基于孔隙尺度模拟来研究场尺度的气井衰减曲线分析等问题... 详细信息

页岩气是未来中国能源结构中的重要组成部分,但中国页岩气埋藏深度大,不能直接照搬美国对浅层页岩气的开采经验,需要对其输运机理有更清晰的认识.介绍了跨尺度混合模拟算法,分析了基于孔隙尺度模拟来研究场尺度的气井衰减曲线分析等问题,揭示了高努森数效应与非理想气体效应之间的耦合机理;介绍了考虑多孔介质弹性形变对渗流影响时计算表观渗透率的特征压力模型,为页岩气勘探开发提供了相关理论支持.

关键词：页岩气非理想气体效应流固耦合油气地质

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管腔结构软组织的三维形貌失稳

物理学报 2016年第18期65卷 162-172页

作者：谢伟华尹思凡李博曹艳平冯西桥清华大学工程力学系北京100084

生物软组织生长失稳的研究,有助于理解生物组织各种形貌的形成机制,并为某些疾病的诊断和治疗提供参考.本文基于连续介质力学方法,利用体生长模型和增量变形理论,分析了圆柱状生物软组织的三维形貌失稳.结果表明,在圆柱外边界自由时,系... 详细信息

生物软组织生长失稳的研究,有助于理解生物组织各种形貌的形成机制,并为某些疾病的诊断和治疗提供参考.本文基于连续介质力学方法,利用体生长模型和增量变形理论,分析了圆柱状生物软组织的三维形貌失稳.结果表明,在圆柱外边界自由时,系统可能出现三种失稳形式——欧拉失稳、轴对称失稳和四方失稳;而当圆柱外边界固定时,系统可以发生轴对称失稳和四方失稳.通过有限元模拟,给出了在上述两种边界条件下圆柱状生物软组织失稳形貌的相图.进而采用伪动力学方法,研究了形貌的后屈曲演化特征.

关键词：生物软组织生长管腔结构稳定性

熵产最小化理论在传热和热功转换优化中的应用探讨

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物理学报 2016年第18期65卷 234-240页

作者：程雪涛梁新刚清华大学工程力学系北京100084

针对传热和热功转换系统的优化设计,分析了熵产最小化理论的优化方向和适用条件.熵产直接度量系统可用能或做功能力的损失,因此熵产最小化理论的优化方向为将系统可用能或做功能力的损失降到最低,从而使系统保有最大的做功能力.然而,在... 详细信息

针对传热和热功转换系统的优化设计,分析了熵产最小化理论的优化方向和适用条件.熵产直接度量系统可用能或做功能力的损失,因此熵产最小化理论的优化方向为将系统可用能或做功能力的损失降到最低,从而使系统保有最大的做功能力.然而,在工程应用中,设计目标各有不同.因此,并非所有设计目标均能与熵产最小化的设计方向一致,这就使得熵产最小化并不总是与优化目标相关联.针对传热速率、输出功率等可与熵产建立关联的优化目标,讨论了熵产最小化理论的适用条件.当这些条件不能得到满足时,最小熵产并不一定对应最优性能.对一维传热过程、换热器等传热系统和以输出功率、热功转换效率、热经济性能等为优化目标的热功转换过程进行了分析,结果验证了理论分析所得的结论.

关键词：熵产最小化优化分析传热过程热功转换过程

前后排列柔性细丝在黏性流体中自主推进的稳定形态及动力学机制

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科学通报 2017年第19期62卷 2094-2103页

作者：谢春梅黄伟希清华大学工程力学系北京100084

鱼类集群运动行为蕴含着复杂的水动力学机制.针对一种简化的鱼类集群运动模型,利用浸没边界方法对黏性流体中做自主推进运动的两个前后排列柔性细丝进行数值模拟,对其稳定运动时的排列形态以及相应的涡相互作用模态开展研究.为保证进行... 详细信息

鱼类集群运动行为蕴含着复杂的水动力学机制.针对一种简化的鱼类集群运动模型,利用浸没边界方法对黏性流体中做自主推进运动的两个前后排列柔性细丝进行数值模拟,对其稳定运动时的排列形态以及相应的涡相互作用模态开展研究.为保证进行长时间的自主推进运动,本文将流体和固体运动方程写在非惯性系下,通过基于投影思想的隐式动量力实现流固耦合,避免了自主推进运动对计算域尺寸要求过大的问题,可以有效节省计算量.通过改变前后细丝的初始水平间距和垂向偏移距离,发现了3种稳定排列形态:远距离前后排列、近距离前后排列和并行排列.对于远距离前后排列形态,后排细丝受垂向偏移距离的影响较小,始终会穿过前排细丝脱落的涡;对于近距离前后排列形态,前排细丝表面的剪切层在脱落成涡之前和后排细丝表面的剪切层合并,脱落成较强的涡,推进速度较快,前后细丝的运动和受力会有一定的相位差;当垂向偏移距离增大,后排细丝受前排细丝的影响减小,最终稳定于并行排列同步运动,上下细丝两侧的同号剪切层合并脱落成较强的涡,但由于迎风面积增大而推进速度变慢.

关键词：自主推进柔性细丝鱼类聚集运动浸没边界方法非惯性系稳定排列形态涡相互作用