应压木细胞壁S_(2)层的微纤丝螺旋角对其抗压韧性的影响

【目的】应压木细胞壁S_(2)层中的大微纤丝螺旋角(MFA)是树木管胞对力学环境适应性生长的结果,故它有其特别的力学性能。但目前人们还不了解S_(2)层中大MFA对其抗压性能的增韧机理。基于应压木细胞壁S_(2)层的超微结构建立复合材料力学模型,采用数值模拟方法研究应压木细胞壁S_(2)层中MFA对其抗压韧性的影响,可以探究其中的力学机理,并探索基于数值模型研究木细胞壁压缩韧性的建模与分析方法,进而为仿生材料设计奠定力学基础。【方法】首先将云杉木细胞壁S_(2)层简化为连续微纤丝和基体组成的复合材料,并利用夹杂理论的自洽模型计算木细胞壁S_(2)层基体的等效弹性常数。然后利用HyperWorks建立木细胞壁的纤维增强复合材料有限元分析模型,用Abaqus模拟不同MFA的应压木和正常木细胞壁S_(2)层在压缩载荷下的力学行为,并用所得结果分析其MFA与抗压韧性的关系。在此基础上,对比是否考虑木细胞壁的S_(1)、S_(3)(或S_(2)L,指的是S_(2)层与S_(1)层之间木质素和半纤维素含量高的区域)和MP层(P和ML层)对其受压力学行为的影响,并分析在应压木细胞壁数值模型中考虑各组分材料塑性行为的重要性。【结果】在压力作用下,当木细胞壁S_(2)层的MFA在0°~45°内增大时,其临界屈曲位移增大,临界屈曲压力先减小再增大。45°MFA应压木细胞壁S_(2)层的临界压力与0°MFA正常木细胞壁S_(2)层相当,但前者的临界屈曲位移是后者的3.57倍,屈曲失稳前的应变能是后者的2.95倍。在相同压力下,45°MFA应压木细胞壁S_(2)层微纤丝的von Mises应力低于0°MFA正常木。由于单个应压木细胞壁S_(2)层中螺旋状微纤丝所具有的压−扭耦合变形受到周边管胞对扭转变形的约束,其抗压刚度和抗压韧性得到增强。应压木细胞壁中的S 1、S_(2)L和MP层对其受压屈曲有显著的约束作用,完整应压木细胞壁的临界压力比只考虑S_(2)层的临界压力增大37.6%。压力作用下木细胞壁的破坏模式为塑性屈曲,所以考虑木细胞壁各组分材料的塑性行为对准确地计算其抗压韧性十分重要,忽略其塑性行为会使其临界压力的计算结果增大2.97倍。【结论】在受压状态下,应压木细胞壁S_(2)层中微纤丝的螺旋形貌改变了微纤丝与基体间的应力传递,使得S_(2)层的基体承受更多的压应力,木细胞壁的破坏模式变为局部塑性屈曲。所以在压力作用下,尽管应压木细胞壁的抗压刚度随S_(2)层MFA的增大而减小,但应压木细胞壁的临界屈曲位移随MFA的增大而显著地增大,从而增强了它的抗压韧性。当MFA为45°左右时,应压木细胞壁的抗压韧性最佳,此时不仅它的临界屈曲位移比正常木细胞壁S_(2)层高两倍多,且它的临界屈曲压力也略高于后者。

压电功能梯度层合梁的力-电-热耦合梁单元及最优振动控制

给出了一个压电功能梯度层合梁振动分析的两节点力-电-热耦合梁单元,并将其用于功能梯度层合梁的振动最优控制。在这个多场耦合梁单元中,功能梯度材料的等效力学性能用Voigt或Mori-Tanaka模型表征;梁的位移场用Shi改进的三阶剪切变形板理论描述;压电层的电势场用Layer-wise理论分层表征,且呈高阶非线性电势场的压电层可离散成数个子层。用Hamilton原理推导了压电功能梯度梁的力-电-热耦合单元列式,用拟协调元法给出了多场耦合梁单元的高计算效率的显式单元刚度矩阵,以及采用线性二次型(LQR)最优控制算法进行压电功能梯度层合梁的最优振动控制。使用所得力-电-热耦合梁单元进行了压电功能梯度层合梁的静力和动力分析。数值算例表明,所得力-电-热耦合梁单元可靠、准确和高效,LQR最优控制算法得到最优控制电压可有效抑制功能梯度梁的振动且实现控制系统能量的优化。

大气气溶胶的辐射与气候效应

大气气溶胶的辐射与气候效应是目前全球气候变化研究的一个热点,也是一个难点问题。本文从介绍一些基本概念和科学问题入手,比较全面地回顾了我国,特别是中国科学院大气物理研究所建所以来有关方面的研究工作,重点在于探讨一些有待解决的科学问题。

大气臭氧与气溶胶垂直分布的高空气球探测

本文给出了１９９３年９月１２日利用高空科学气球在河北省香河地区探测到的大气臭氧和气溶胶的垂直分布。结果发现：（１）大气臭氧的数密度在整个对流层较低（～１０１２ｍｏｌ／ｃｍ３），并从地面到对流层顶略有下降；对流层顶以上开始快速增加，极值层高度在～２４ｋｍ，其值为４．７８×１０１２ｍｏｌ／ｃｍ３；臭氧分压有类似的分布特征，极值１４６×１０－４Ｐａ，位于同一高度；（２）在平流层低层，臭氧分压有一个次极值６２×１０－４Ｐａ，位于１５～１６ｋｍ；（３）０～３０ｋｍ大气气溶胶数密度呈现出三个峰值：１４３，８和１．１个／ｃｍ３，分别位于近地面、５ｋｍ和２１ｋｍ；（４）气溶胶的数密度谱在对流层为双模态；在平流层，次峰消失。同时，我们还与其他观测结果作了比较分析。

人类活动对气候影响的研究 Ⅱ.对东亚和中国气候变化的影响

系统总结和介绍了20世纪90年代以来作者所开展的有关人类活动对东亚和中国气候影响的一系列研究活动、其中包括温室气体辐射强迫及其气候效应,大气微量气体的全球增温潜能,对流层和平流层气溶胶的辐射气候效应,气候系统外部因子对中国气候影响的总体评估,人类活动对中国和东亚地区未来气候变化的影响,以及20世纪和21世纪东亚及中国的气候变化。同时给出了一系列研究成果,这些研究成果对于正确认识和准确预测东亚地区以及中国气候变化具有十分重要的意义。

沙尘暴研究中的若干科学问题

近年来,中国北方频繁发生的沙尘暴事件引起世人的关注。实际上,沙尘暴不仅影响空气质量、交通,造成土壤风蚀和其他人、畜生命财产等社会、经济损失,作为一种特殊类型的大气气溶胶,沙尘粒子还具有重要的气候和环境效应。作者在简单综述沙尘暴研究的基础上,将重点探讨沙尘暴研究中一些值得注意的科学问题。

沙尘和生物气溶胶的环境和气候效应

沙尘气溶胶对海洋生态系统的影响及其气候与环境效应,以及生物气溶胶对人类健康的影响及其气候效应是近年来大气气溶胶研究的热点问题。沙尘气溶胶和生物气溶胶之间有很强的联系,沙尘可作为空气中微生物的载体,沙尘气溶胶影响海洋生态系统之后又会影响海洋上空生物气溶胶的产生。本文回顾了国内外沙尘气溶胶对太平洋海域生态系统影响的研究进展,以及生物气溶胶的研究历史和气候效应,特别是中国科学院大气物理研究所十多年来的有关工作。

全球年平均人为热释放气候强迫的估算

利用能源经济领域具有权威性的英国石油公司(BP)世界能源统计资料和联合国人口统计资料,通过一些简单的数值计算,初步估算了人为热释放的全球气候强迫。结果表明:当前(2008年)全球年平均人为热释放的气候强迫还不是很大,约为0.031W/m2;但随着人口及能源消费总量的增加,未来人为热释放产生的全球年平均气候强迫将有可能达0.30W/m2。

拉萨上空大气臭氧垂直分布的高空气球探测

用臭氧探空仪于 1 998年 8月和 1 0月测量了在拉萨上空的臭氧垂直分布 ,并与河北香河的观测资料进行了对比。结果表明 ,拉萨上空对流层臭氧浓度较低 ,在 2 5～ 2 6km之间臭氧分压最大 ,在 30～ 34km之间混合比最大。从典型的臭氧垂直分布廓线推算出大气臭氧总含量为 2 61 .6DU。

地球气候变化的米兰科维奇理论研究进展

米兰科维奇理论是从全球尺度上研究日射量与地球气候之间关系的天文理论(以下简称为“米氏理论”)。该理论认为,地球轨道偏心率、黄赤交角及岁差等三要素变化引起的到达北半球中高纬度夏季日射量变化是造成冰期—间冰期旋回的根本原因。详细回顾了米氏理论的发展历程,并以南极东方站过去42万年大气和气候变化的历史资料为例,讨论了经典米氏理论中有待研究的若干问题。

全球二氧化碳循环的一维模式研究

本文用一个全球碳循环的一维模式重建了１８６０年以来的大气二氧化碳浓度。结果表明：（１）模拟结果与冒纳罗亚（ＭａｕｎａＬｏａ）的观测结果之间存在极好的一致性；（２）海洋虽然是人类活动释放的ＣＯ２的最重要的汇，但其作为碳汇的能力受到海洋缓冲效应的限制。海洋吸收ＣＯ２的速率还与某些响应过程密切相关；（３）在全球碳循环中，生态系统的作用是双重的：人类活动对它的破坏使它成为ＣＯ２的源，而其对过量ＣＯ２的响应又使其成为ＣＯ２的一个汇。工业革命以来，人类对生态系统的破坏与其自身的恢复大致是同量级的；

大气辐射计算的吸收系数分布模式

全面论述了大气辐射计算中的吸收系数分布（ｋ分布）模式，包括均匀路径的ｋ分布模式以及非均匀路径的相关ｋ分布模式。重点是利用吸收系数重排计算大气吸收气体分布函数和相关ｋ分布函数的方法。某些结果系作者第一次公开发表。

聚能射流长靶距下的侵彻仿真模型

提出了一个用于长靶距下聚能装药的断裂射流侵彻能力预测数值仿真模型。因聚能射流有很大的速度梯度,当它飞行数倍于标准炸高的距离后,射流被拉断为碎段,其穿甲能力大为降低。基于非线性瞬态动力学程序AUTODYN,研究了聚能装药射流的形成和大靶距下的断裂射流对不同靶体的侵彻和贯穿模拟。通过与实验结果比较,给出了一个用于预测长靶距下聚能装药射流侵彻能力的计算模型。与实验数据比较,所给模型可给出准确的预测结果。

CFCs及其代用品的全球增温潜能

本文用一维辐射·对流模式系统地研究了现有含氯氟烃气体(CFCs)及其可能代用品的辐射强迫、比地面增温效应和全球增温潜能(GWP).结果发现:大多数提议的代用品的GWP值明显小于现有的CFCs.这主要归因于:(1)它们所产生的辐射强迫和比地面增温效应较小,一般只有CFCs的50％—60％;(2)其大气寿命比CFCs短得多.

大气辐射传输学

大气辐射传输学是研究辐射能在地球大气中的传输和转换过程的学科,是气象学和大气物理学中一个较为古老近年来又获得新的发展的分支。大气辐射传输学的理论基础建立在分子光谱学和电磁波传播理论之上,其近代应用则主要是大气遥感和气候研究。 从气象学和大气科学发展的初始阶段起,大气辐射及其传输的研究就占有重要地位,因为辐射过程是影响气候和大气环流的一个基本因子。

压电材料的电热函及机-电耦合分析

研究基于电热函的广义哈密顿原理在压电材料的机(力)-电耦合效应分析中的应用。作为应用实例,推导了两个简单压电材料结构的变形及应变致(straininduced)电场的解析解,并与己有的解析解进行了比较并讨论了它们存在的若干问题。计算结果表明,基于电热函的广义哈密顿原理是分析压电材料的机(力)-电耦合问题简单而又精确的模型。它既可准确地计算压电势能而又不必对二维问题和三维问题加以区分;并且这种方法既可用于解析分析,也可作为压电复合材料有限元分析的数学基础。

气候变化国家评估报告(Ⅰ):中国气候变化的历史和未来趋势

中国的气候变化与全球变化有相当的一致性,但也存在明显差别。在全球变暖背景下,近100 a 来中国年平均地表气温明显增加,升温幅度比同期全球平均值略高。近100 a和近50 a的降水量变化趋势不明显,但1956年以来出现了微弱增加的趋势。近50 a来中国主要极端天气气候事件的频率和强度也出现了明显的变化。研究表明,中国的CO2年排放量呈不断增加趋势,温室气体正辐射强迫的总和是造成气候变暖的主要原因。对21世纪气候变化趋势做出的预测表明:未来20-100 a,中国地表气温增加明显,降水量也呈增加趋势。

现代大气物理学研究进展

简要论述现代大气物理学的主要研究内容与发展历史,重点介绍中国科学院大气物理研究所的科技工作者在云和辐射的相互作用、气溶胶的光学特性、气溶胶的辐射强迫、大气辐射传输、大气组分探测等方面的研究进展与成果,特别是创新性的研究成果。

近20年全球总云量变化趋势分析

利用ISCCP月平均云气候资料集的总云量资料,采用趋势分析的方法,得到1983年7月至2001年9月近20年来全球平均总云量的变化趋势,并分析云量变化的可能原因。近20年全球增温幅度加快,研究这期间云的变化,对气候研究和模拟具有重要的意义。结果表明:平均大气环流决定总云量的分布;全球平均总云量的变化趋势在20世纪80年代末发生逆转,即由增加转为减少;全球平均云量呈减少的变化趋势,2000年与1987年相比,减少量约占平均总云量的4%;从地理位置上看,云量的变化存在区域性差异,热带和中纬度地区的总云量减少较多,高纬度地区云量略有增加,其中南极大陆云量增加较多。

LASG全球海洋-大气-陆面系统模式(GOALS/LASG)及其模拟研究

该文扼要介绍了ＬＡＳＧ第一版本全球海洋－大气－陆面系统模式（ＧＯＡＬＳ／ＬＡＳＧ）的发展和结构，及其对气候平均态、季节变化和年际变化的模拟，以及近期发展计划．