极低温环境下立方相和四方相Nb_(3)Sn超导晶体力学及力-电耦合行为分析

Nb_(3)Sn超导相转变中的力电耦合效应给超导磁体装备的电磁性能指标和安全运行带来不利影响。鉴于Nb_(3)Sn具有立方相和四方相两种相结构,建立了Nb_(3)Sn立方相、四方相和混合相晶体力学模型,以及考虑变形-临界温度退化和变形-正常态电阻率变化的力电耦合响应模型。研究结果表明,相结构会导致单晶体弹性力学性能有所区别,但静水压作用下不同相结构的Nb_(3)Sn多晶体,其局部应力状态与相结构无关,仅取决于晶粒形貌和取向。由于不同的相结构在外载下的费米面上电子态密度的演变规律基本一致,使得变形诱导的临界温度退化行为对相结构没有依赖性。对于混合相Nb_(3)Sn正常态电阻率变化而言,温度低于马氏体相变温度时,可以采用基于电子-电子散射假设得到的T_(2)规律来描述;当温度高于马氏体相变温度时,由于四方相向立方相的转变,需要考虑电-声子耦合作用对正常态电阻率的贡献,可以采用拓展的Woodard-Cody电阻率模型来描述宏观电阻率的应变效应。研究结果提高了对不同相的临界性能退化机理的认识。

热-力-电耦合下天线罩电性能仿真及分析

在实际飞行工况下,热力载荷会改变高速飞行器天线罩原有的电磁特性,从而影响制导性能。提出了一种基于六面体网格划分的热-力-电耦合模型及仿真方法,可准确表征高速飞行工况下天线罩介电温漂和结构变形对电性能的影响。基于天线罩热-力-电共享网格模型,首先通过瞬态热仿真得到天线罩响应温度场,通过静力分析得到天线罩结构变形场。然后,将天线罩介电温漂和结构变形准确传递到其电磁仿真模型中,并采用三维射线跟踪法计算其电性能。最后通过一个典型算例对高速飞行工况下天线罩电性能的变化进行仿真和分析,结果表明电性能变化非常明显,也进一步说明了所提方法的可行性和研究的必要性。

压电俘能结构力-电耦合特性有限元仿真分析

基于有限元方法对压电悬臂梁进行力电特性数值仿真,研究了不同截面形状压电悬臂梁的力-电特性,发现相比于矩形压电悬臂梁,梯形压电悬臂梁有较高的输出电压和一阶共振频率。进一步分析了梯形压电悬臂梁的压电片长度、压电片位置、基板-压电片厚度比对其性能的影响。结果表明,当压电片长度越短,且位置越靠近固定端时,梯形悬臂梁的输出性能越好,但一阶共振频率随着压电片长度的减小和与固定端距离的增加而降低;当基板-压电片厚度比为1.6时,梯形悬臂梁的电学输出特性最佳,一阶共振频率随着厚度比的增大而增大。

基于渐进均匀化的力-电-热耦合光滑有限元法研究

针对基于微观结构的力-电-热多物理场耦合压电复合材料的力学特性分析问题,基于压电复合材料的基本方程和力-电-热多物理场耦合效应,结合渐进均匀化方法预测的压电复合材料有效性能参数,提出基于渐进均匀化的力-电-热耦合光滑有限元法;推导力-电-热耦合光滑有限元的动力学控制方程,并运用Wilson-θ法对压电复合材料结构动力学问题进行求解,研究温度变化对结构固有频率和动力学响应的影响,并将其结果与有限元法的求解结果进行对比,验证该方法的正确性和有效性。研究结果表明:本文方法所得结果与有限元法所得结果较一致,且具有较好的收敛性和较高的精度;该方法对分析压电复合材料元器件的多物理场耦合力学特性具有广阔的应用前景。

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。

小周期结构磁-力-电耦合问题的高阶双尺度渐近分析

磁-力-电材料在工业和工程领域有广泛的应用,文章通过高阶双尺度方法分析了磁-力-电耦合问题的高阶双尺度渐近展开式,得到了问题的均匀化常数与均匀化方程,并构造了其二阶双尺度近似解,最后利用双尺度方法形式地分析了近似解的渐近误差估计。

煤岩电磁辐射的力-电耦合模型

基于煤岩电磁辐射的力-电耦合机理和统计损伤力学理论,建立了煤岩电磁辐射的力-电耦合模型,并通过对Weibull形态参数m值的模拟研究,修正了煤岩电磁辐射力-电耦合模型,使其更具有准确性和实用性。运用修正后的煤岩电磁辐射力-电耦合模型对不同煤岩试样的m值及电磁辐射进行了模拟,煤岩电磁辐射的模拟结果与实验测试结果一致。

功能材料力-电耦合问题的几个基本解——(Ⅰ)悬臂梁受力偶作用

采用半逆解法 ,本系列工作中研究了功能材料悬臂梁力 -电耦合问题的几个基本解 ,考虑了梯度效应对基本解的影响。本文是该系列工作的第一部分 。

双自由度压电振动能量采集器的力-电输出特性分析

在单自由度悬臂梁压电振动能量采集器模型基础上增加一个弹性放大器,构造形成了具有双自由度的压电振动能量采集器。利用ANSYS有限元软件建立了双自由度压电能量采集器的有限元力-电耦合模型,数值分析了模型中各参数(如质量比、阻尼比以及负载电阻等)对系统力特性(速度、加速度等)和电输出特性(电压、电流、输出功率等)的影响。研究结果表明:大的质量比和小的阻尼比能够提高压电悬臂梁能量采集器的输出功率,并能拓展其工作频带;短路谐振状态下的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电流,而开路谐振状态的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电压。研究结果还表明:对于尺寸为50.8mm×31.8mm×0.26mm的悬臂梁基板和50.8mm×31.8mm×0.14mm的压电晶体构成的双自由度系统,在基础加速度40m/s2、频率38Hz的外界振动激励下,系统在负载电阻短路和开路状态下的最大输出功率分别达到4 386.5和4 263.4mW,是单自由度系统的10倍。双自由度系统的频带宽度达到10Hz,是单自由度系统的5倍。

离体人下颌骨力-电电位的响应

目的 测量下颌骨离体试件受力后产生的应变和力-电电位 ,得到它们之间初步的定量关系曲线 .方法 通过 2 0～ 5 0岁正常人尸体 2 0个下颌骨悬臂梁弯曲实验来实现 .结果 不同人体的下颌骨 ,其力 -电电位是不同的 ,但具有相同的规律性 .即力 -电电位与应变间具有一定相关关系 .在生理变形范围内 ,下颌骨力 -电电位随应变增大而呈非线性增加 ,同一下颌骨 ,不同位置 ,相同应变下 ,电位不同 ,中切牙位置电位最大 ,向两侧逐渐减小 .结论 下颌骨力

连续递增负荷条件下肌肉活动的力-电关系

目的:观察非疲劳状态下肱二头肌在静态连续递增负荷下sEMG信号的线性和非线性指标变化规律,探讨非疲劳状态下肌肉活动的力-电关系。方法:记录11名男性受试者肱二头肌在完成为时5s连续递增负荷等长收缩过程中的sEMG信号,观察线性分析指标AEMG、MPF、MF与非线性分析指标C(N)和DET%的变化规律。结果:AEMG由第1s的112.14μV逐渐上升到第5s的1277.18μV,与负荷水平呈明显线性相关;DET%从第1s的74.95下降到第5s的46.78,呈单调递减变化;MPF、MF和C(N)在本试验条件下未发生明显改变。结论:在连续递增收缩过程中,线性分析指标AEMG呈线性递增性变化,而MPF和MF无显著改变;非线性分析指标DET%随用力程度的连续递增而递减,而C(N)则保持相对稳定。

直流电激励下的IPMC弯曲大变形力-电耦合模型

为了描述离子聚合物金属复合材料(ionic polymer metal composites,简称IPMC)悬臂型驱动器在直流电激励下的非线性大变形行为,采用数字图像相关法(digital image correlation,简称DIC)获得的IPMC应变梯度与激励电压间的关系,与修正后的IPMC电极分布式电阻电容(resistor-capacitor,简称RC)电路模型相结合,提出了一种具有解析解的IPMC弯曲大变形力-电耦合模型,并采用Pt电极和Ag电极两种IPMC试样对该模型进行了实验验证。结果表明,该模型能够准确地反映IPMC悬臂型驱动器在直流电激励下的整体弯曲变形现象,且适用于采用沉积法制备电极的IPMC驱动器。

功能材料力-电耦合问题的几个基本解——(Ⅱ)悬臂梁梁端受轴向集中力作用

本文是本系列工作的第二部分 ,研究了功能材料悬臂梁梁端受轴向集中力作用的情况。采用半逆解法 ,分别求解了无体力悬臂梁、常体力悬臂梁以及密度梯度悬臂梁中的力 -电耦合问题 。

功能材料力-电耦合问题的几个基本解——(Ⅲ)悬臂梁梁端受横向集中力

本文是本系列工作的第三部分 ,研究了功能材料悬臂梁梁端受横向集中力作用的情况。采用半逆解法 ,分别求解了无体力悬臂梁、常体力悬臂梁以及密度梯度悬臂梁中的力 -电耦合问题 。

钢纤维-石墨烯导电混凝土受弯过程的力-电效应试验研究

利用石墨烯材料的纳米属性和超强的导电能力,较为领先地对石墨烯导电混凝土进行了初步研究,并针对混凝土材料受弯破坏全过程,研究了石墨烯与钢纤维混杂增强混凝土材料在受弯过程中的力-电效应和受弯机敏性。研究表明,钢纤维导电混凝土在纤维掺量较低时对受弯过程的机敏性较差,而石墨烯的掺入使得钢纤维混凝土的机敏性得到了明显提升,二者在改善导电混凝土的力-电效应方面表现出了明显的正混杂效应。研究发现,可以利用一次线性函数对钢纤维-石墨烯导电混凝土的电阻变化率-挠度曲线进行拟合,电阻变化率与挠度的相关性较好。

蠕动爬行微电机械力-电耦合的致动特性分析

对于以施加电场作为驱动的蠕动爬行微电机构 ,在柔韧薄板理论和电学物理基础上 ,通过考虑驱动元件在电场力作用下的几何非线性变形和与结构变形相关的电荷分布及电场力分布 ,建立了其驱动元件的非线性耦合模型。在此基础上 ,采用矩量法和增量有限元法相结合 。

力-电环境促进骨形成的机制──骨局部因子

应力应变环境及电、磁场刺激骨形成的机理尚不十分清楚，最近研究发现力-电环境可通过诱导骨生成细胞产生各种骨局部因子，如前列腺素E2（PGE2）、胰岛素样生长因子Ⅱ（IGF-Ⅱ）、骨形态发生蛋白（BMP）和β转化生长因子（TGF-β）等参与骨形成及改建。本文介绍了几种重要的骨局部因子以及力-电环境诱导骨生成细胞产生骨局部因子的研究进展。

基于碳纳米管/石墨烯界面修饰的碳纤维增强复合材料中力-电耦合关系探究

碳纤维和树脂基体的界面性能直接决定了复合材料的应用表现。通过电化学沉积法将碳纳米管和石墨烯接枝在碳纤维表面,模拟生物体的神经网络结构形成多尺度的三维碳材料网络。随后对碳纤维复合层压板的力学和电学性能进行测试,研究发现,改性后的界面增强了碳材料与树脂基材的接触面积,有效提高了碳纤维和树脂间的界面结合力。此外,复合材料的电阻随着碳纳米管/石墨烯质量分数的增加而不断减小,并且拉伸后复合材料的电阻率比拉伸前增大,表明层压板的电阻与其表面结构存在直接关系。该研究为拓展酚醛树脂复合材料的功能化和力-电耦合应用领域提供了新思路。

碳纳米管纤维力-电耦合效应的实验研究

CNT纤维是由沿轴向排列的高度取向的数十万根碳纳米管加捻组装而成。以实验方法研究CNT纤维在拉伸载荷与电流共同作用下的力学性质。实验结果表明,电流的引入会使纤维的模量和断裂强度显著降低。纤维在有电流通过时会产生轴向电致收缩力,电流强度越大,电致收缩力越大,在5mA时的收缩力约为2.5mN。将纤维轴向拉伸到2%应变,经过应力松弛使载荷趋于平稳后,首次通入电流或加大电流的强度,发现纤维的张力明显下降,主要原因是纤维模量变化引起的应力下降大于电致收缩力。在一定强度的电流下将纤维轴向拉伸到2%应变,经过应力松弛使载荷趋于平稳,然后改为通入相同强度的交流电流时,发现电致收缩力的响应很敏捷,当交流电流变化400个周期后,电致收缩力依然展现出较好的变化规律,这可使得CNT纤维作为新型电致驱动材料。

力-电-初始取向对液晶凝胶薄膜均匀变形行为影响分析

针对液晶凝胶在电场作用下的多场耦合多尺度力学行为,基于小应变假设,通过反逆法获得了有不同初始液晶指向方向的液晶凝胶薄膜在力-电耦合作用下均匀变形的解析模型.分析表明,电场与拉应力都可使液晶指向转动到与其平行的方向,当施加电场的方向与液晶初始取向垂直时,指向矢仅在超过一个临界电场强度后方会失稳转动,指向矢方向施加拉应力将增大所需阈值;而当液晶初始取向不与外加电场垂直时,电致指向矢转动将立即发生,其在力-电耦合下的指向矢转动和宏观变形行为与初始取向密切相关.因此,液晶凝胶的变形行为不仅可以通过力-电载荷进行控制,也可通过设计所需的初始液晶取向加以调节.