弹塑性比例叠加的锥压入半解析模型与试验方法

基于能量密度等效,考虑圆锥压入(锥压入)过程中线性律纯弹性和幂律纯塑性的应变能比例叠加,提出了弹塑性应变能比例叠加的锥压入载荷-位移模型(Load vs.Displacement Model based on Proportional Superposition of elastoplastic-energy under conical indenting,LDM-PS),进而提出了获取材料Ramberg-Osgood律(R-O律)应力-应变关系的锥压入试验方法。针对80种设定材料,通过LDM-PS预测的载荷-位移曲线(正向预测)与有限元分析结果密切吻合,并且以有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)所得载荷-位移曲线作为试验模拟曲线,采用两种锥角圆锥压头分别对平滑材料表面进行两次单锥压入加载(双锥压入),可通过对双锥压入的两个载荷-位移曲线的加载阶段按抛物律(Kick律)回归可实现R-O律参数的求解。由LDM-PS预测的R-O律应力-应变关系曲线(反向预测)与FEA的条件关系曲线密切吻合;针对8种金属材料完成了双锥压入试验,通过锥压入试验新方法预测的应力-应变关系、弹性模量和强度与传统单轴拉伸试验结果吻合良好。

考虑电流谐波的永磁同步电机电磁振动和噪声半解析模型

提出了一种永磁同步电机快速半解析计算模型,可以分析常见的电流谐波对振动和噪声的影响,并提高了计算效率。首先通过解析和有限元相结合的方法计算了永磁体磁通密度和气隙比磁导,并建立了考虑任意电流波形的电枢磁通密度的解析模型,通过麦克斯韦应力张量方程计算径向电磁力,与有限元计算的电磁力吻合较好。其次通过二维傅里叶变换得到了特定空间阶数电磁力的频率成分,并基于壳体振动和声辐射模型分别计算了定子表面振动和噪声,计算结果能够反映实测振动噪声的主要峰值和分布。最后分析了电流谐波引起的振动噪声的阶次特征和峰值变化。该文提出的半解析模型为在设计阶段考虑电机的振动和噪声提出了一种有效分析方法。

基于半解析模型的花萼状涡流传感器损伤监测灵敏度分析

针对金属螺栓连接结构的孔边疲劳裂纹监测需求,介绍了一种具有柔性平面特点的花萼状涡流传感器,构建其损伤监测半解析模型,并通过半解析模型分析激励频率和传感器结构参数对监测灵敏度的影响,最后利用柔性电路板工艺制备出传感器,并进行2A12铝合金中心孔板试样疲劳损伤监测试验验证花萼状涡流传感器的疲劳裂纹监测能力。损伤监测灵敏度分析结果表明在不同提离距离下传感器具有最优灵敏度频率点,且随提离距离的增大,最优灵敏度值减小,最优频率点降低。传感器线圈厚度越小灵敏度越高,且感应线圈与激励线圈之间的水平间距越大则传感器的损伤监测灵敏度越大,而感应线圈与激励线圈宽度比值对传感器的损伤监测灵敏度影响较小。监测试验表明,除第一个通道以外,传感器其它感应通道归一化跨阻抗幅值随疲劳载荷次数变化曲线的拐点对应的即为裂纹扩展到相应通道下方的疲劳载荷次数,而第一个通道的拐点可以初步确定试件的累积损伤起始点。

涡流阵列传感器半解析模型的直接FFT构建方法

针对分布式激励源涡流阵列传感器半解析模型的构建问题,提出了传感器半解析模型的直接FFT构建方法。该方法首先通过虚拟采样和FFT得到传感器导线界面处线电流密度的傅里叶变换系数,然后根据层状介质空间中场量傅里叶变换系数传递关系,经反FFT得到场量的空间分布。建模过程和数值计算结果表明此方法不仅简化了半解析模型的建立过程,而且直接将激励源导线宽度考虑在建模过程之中,提高了建模精度;建立了该传感器的应用物理模型,数值仿真结果表明该传感器对其周围介质空间的电磁属性较为敏感,可望将该类型的传感器运用于金属结构的在线监测之中。

电容式微加速度计的刻度温漂的半解析模型

针对电容式微加速度计的刻度温漂,根据微加速度计的检测原理及热变形的分析结果,建立了刻度温漂的半解析模型,并在此基础上分析了刻度温漂的主要影响因素。分析结果表明,刻度温漂由两部分组成,第一部分主要由单晶硅的弹性模量的温度系数决定,可以通过高掺杂降低;第二部分由微加速度计的热变形引起,它的大小与封装胶的弹性模量、梳齿的宽度、大电容间隙与小电容间隙的比值以及固定梳齿锚点的位置相关;第一部分和第二部分分别是正数和负数,因此相互补偿。基于MEMS体硅微加工工艺,制造了微加速度计的实验样品,刻度温漂的测量结果验证了理论分析结果的正确性。

基于半解析模型的涡流传感器优化设计与实验研究

针对飞机金属螺栓孔连接结构疲劳裂纹的特点与实时监测的需求，提出了一种基于柔性平面的涡流阵列传感器，设计了疲劳裂纹扩展实时监测方案，构建了传感器损伤监测半解析模型，搭建了基于涡流阵列传感器的疲劳裂纹扩展实时监测平台。通过对涡流阵列传感器的仿真和基于涡流阵列传感器的疲劳裂纹扩展实验研究，确定了传感器的监测灵敏度，优化了传感器的特征参数。研究结果表明：传感器基材层阻碍了感应线圈与激励线圈的耦合，基材层应尽量薄。当涡流阵列传感器导电层厚度为0．12—0．18mm，激励线圈的最优宽度为0．8min，感应线圈的最佳厚度为0．5mm时，传感器的损伤监测灵敏度最高。

CFD-半解析模型混合的管束结构流弹失稳预测方法

横向流作用下管束结构传统流弹失稳模型的建立或多或少需要获取实验流体力参数作为输入条件.因此非常需要开发一种不依赖实验数据的管束结构流弹失稳模型.该文提出了一种改进的CFD仿真与半解析方法混合的管束结构流弹失稳预测方法.采用CFD仿真方法获取半解析模型中关键的相位延迟函数,并根据速度将其表示为简单的分段函数.最终预测了横向流作用下间距比为1.375的平行三角形与正三角形管束结构的流弹失稳阈值,预测结果与文献中的实验结果吻合良好.该文提出的CFD-半解析模型混合方法同样适用于其他管束结构的流弹失稳预测,为蒸汽发生器传热管流弹失稳现象的研究提供了一种时间成本较低的预测方法.

全耗尽SOI MOSFET亚阈值表面势的二维半解析模型

根据SOI MOSFET的工作原理,在SOI MOSFET的氧化层、耗尽层和埋氧化层分别引入矩形等效源,提出了电势二维分布的定解问题.再通过半解析法、傅里叶级数展开法和积分法相结合对每个区域的定解问题进行求解,得到了定解问题的二维半解析解,解得结果是无穷级数形式的特殊函数.计算和仿真结果表明,提出的模型求解时精度高,运算量较小,可用于的电路模拟程序.

太阳电池阵组合基板模态参数分析的半解析模型

基于分布参数系统传递函数方法的基本理论,针对空间结构太阳电池阵的特殊结构形式,通过将太阳电池阵基板划分为条形单元,将基板间连接铰链副简化为均匀梁单元,并利用条形单元与梁单元公共结点间位移连续与力平衡条件,建立了空间结构太阳电池阵动力学特性分析的半解析计算模型。得到了太阳电池阵单块基板和多块组合基板的模态参数计算值,并将其计算结果与有限元结果进行了比较。

致密砂岩气井气水两相产能预测半解析模型

致密砂岩气井产能预测受气水两相流特征和裂缝渗流参数影响大,相比于数值模拟,基于解析模型的产能预测计算快、应用较广,但传统的解析模型在处理两相渗流方程非线性问题时简化过大,造成动态分析结果误差较大。针对这一问题,考虑了储层和裂缝中的气水两相流动特征,利用三线性流模型表征压裂缝及储层应力敏感性,建立了致密砂岩气井气水两相产能预测模型。将流动物质平衡方程与牛顿迭代法结合,利用平均地层压力逐步更新渗流模型非线性参数,并通过逐次迭代将气水两相模型线性化,获得了模型的半解析解。通过与商业数值模拟软件结果对比以及矿场实例应用验证了模型的准确性,并绘制了气水两相产能预测曲线,分析了敏感性参数对产能的影响规律。研究结果表明,所建立的半解析求解方法能够高效地处理气水两相非线性渗流问题,快速准确地获取致密气井产能预测曲线;致密储层产水严重影响了气井产能,合理的裂缝参数对提高气井产能至关重要;气藏开发过程中应合理控制生产压差,降低应力敏感效应对致密气井产能的影响。

星系形成的半解析模型研究进展

基于目前流行的冷暗物质等级成团理论的星系形成的半解析模型取得了很大进展。在引入一系列合理的关于重子物质物理过程的假设,如气体冷却、恒星形成率、超新星能量反馈以后, 结合N体数值模拟,星系形成的半解析模型一方面能较成功地预言许多与观测符合的近邻星系的性质,如光度函数、星系的两点相关函数、Tully-Fisher关系、星系团中椭圆星系的颜色-星等关系等;另一方面还能较成功地预言宇宙的恒星形成历史,以及一部分高红移星系的性质,如Lyman-Break星系的数目随红移的分布。但是最近一些观测表明,半解析模型在高红移预言的大质量星系较少,且红星系数目也较观测少。重点讨论半解析模型成功与不足之处,并指出解决这些问题可能的途径。

星系中原子和分子气体的半解析模型

星际气体是星系中重子物质的重要组成部分,其中的分子气体(主要是分子氢H_2)以及原子气体(主要是中性氢HI)对于星系中发生的各个物理过程至关重要。本文在前人的星系形成和演化的半解析模型基础上,加入了描述星系盘中分子气体和原子气体成分的物理模型,来研究分子气体和原子气体对于星系形成和演化所起的作用。我们主要使用了马普天体物理所Munich Group的L-Galaxies半解析星系形成模型,并借鉴了星系化学演化模型的方法,把半解析模型中的每一个星系盘分成了多个同心圆圈,然后在每个圈中分别追踪气体下落、分子气体和原子气体转化、恒星形成、金属增丰、超新星爆发加热冷气体等发生在星系盘上的物理过程,并且每个同心圈都是独立演化的。在我们的模型中,一个基本假设是每个时间步内气体都是以指数形式下落到星系盘上,并且直接叠加在已有的气体径向面密度轮廓之上,其中指数盘的标长r_d正比于星系所在暗物质晕的维里半径r_(vir)与旋转参量λ的乘积。我们的模型使用了两种描述分子气体形成的模型:一种是基于Krumholz等人解析模型的结果,其中分子气体的比例与局域气体面密度以及局域气体金属丰度相关;另一种是分子气体比例与星际压强相关的模型,根据Obreschkow等人的近似,分子气体的比例与气体面密度以及恒星质量面密度相关。由于恒星形成过程发生在星际巨分子云之中,并且根据Leroy等人的观测结果,恒星形成率面密度近似正比于分子气体的面密度,因此我们在模型中使用了与分子气体面密度相关的恒星形成规律。

短沟道MOSFET源漏寄生电阻的二维半解析模型

根据金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的工作原理,在MOSFET的源/漏区域引入了矩形等效源,提出了源/漏电阻的二维定解问题。通过用分离变量法、傅里叶展开和积分方程相结合建立MOSFET源/漏电阻的二维半解析模型,得到了源/漏电阻与几何尺寸之间的关系。该模型避免了数值分析时的方程的离散化,且具有较高的精度。计算和仿真结果表明,模型计算出的源/漏电阻阻值接近于Silvaco的仿真值。

考虑弹性误差的渐开线圆柱齿轮半解析接触模型与传动精度分析

在弹性和误差作用下,齿轮接触的高效、精准建模是研究齿轮传动精度的重要基础。为准确分析渐开线圆柱齿轮的弹性和误差对传动精度的影响,提出了一种考虑弹性误差的齿轮半解析接触模型。以渐开线斜齿圆柱齿轮为例,首先,结合齿轮的齿面方程与齿廓误差建立误差齿面模型,得到了误差齿面方程。然后,将解析法和有限元法相结合,建立了弹性误差作用下的齿轮半解析接触模型,并推导了其变形协调方程和力平衡方程。最后,建立齿轮的完整和局部有限元模型,通过提取接触齿面的柔度矩阵来计算齿轮的传动误差。应用所构建的半解析模型分析了齿廓误差和弹性变形对齿轮传动精度的影响规律,并与有限元仿真结果进行对比,验证了该半解析模型的高效性和精准性。研究结果可为渐开线圆柱齿轮在工程中的应用提供理论指导。

采用Laplace空间源函数方法的复杂离散缝网半解析试井模型

分段压裂水平井的常规试井模型仅考虑主要的水力裂缝,忽略了在压裂过程中产生的大量次级裂缝。为了更准确的描述包括次级裂缝在内的复杂缝网对压力动态的影响,采用源函数方法建立了描述复杂离散裂缝网络的地层压力半解析模型。该模型由地层模型和裂缝模型两部分组成。地层模型将裂缝视为直线源,采用格林函数法累加多条裂缝的影响。裂缝模型将单条裂缝离散化,在每个小单元上使用Laplace空间的条带源函数,在考虑单个裂缝的压力动态时避免了繁琐的累加过程。使用该模型计算了单一裂缝、多条裂缝、复杂缝网三种情况下的压力动态。在单一裂缝情况下,考虑裂缝对称分布和不对称分布两种情况,计算结果与文献中的已有结果基本一致。在多条裂缝和复杂缝网情况下,计算结果显示次级裂缝的存在会使得压力动态偏离典型的双线性流或线性流。与现有模型的对比表明,考虑复杂缝网的模型能够更准确的描述导数曲线早期段。

高k栅MOSFET栅–源/漏寄生电容的半解析模型

文章针对高k栅MOSFET的栅介质层及其侧壁掩蔽层提出了一个二维定解问题,求出了二维电势和电荷分布.文章根据栅极电荷与栅源及栅漏电压关系,提出了MOSFET的栅极和源极/漏极之间的寄生电容的模型,用半解析法计算了这些寄生电容,得到了寄生电容与几何尺寸之间的关系.文章的计算结果表明改变栅极电介质常数可以得到一个寄生电容的最小值,计算结果与CST仿真结果能够很好地符合.

亚90nm沟道MOSFET亚阈值状态下二维电势和阈值电压的半解析模型

本文提出一个亚90nm沟道MOSFET在亚阈值状态下的二维电势和阈值电压的半解析模型.文章首先根据短沟道MOSFET在亚阈值状态下的物理模型提出定解问题,然后用特征函数将由氧化层和空间电荷区衔接条件所得到的超越方程组作正交展开,得到关于未知量的线性代数方程组,求出了氧化层和空间电荷区的二维电势、耗尽层厚度和阈值电压的表达式.该模型不需要适配参数,运算量小,避免了方程离散化,计算精度与数值解精度相同.文章给出了沟道长度为90nm以下MOSFET的电势分布、表面势、耗尽层厚度和阈值电压计算结果,计算值与二维数值模拟值高度吻合.

二元共晶/包晶合金系微观偏析半解析数学模型的研究

基于典型微观控制单元体(通常指二次枝晶臂间距半长)内的溶质质量守恒关系,建立了适用于枝晶凝固方式的二元共晶/包晶合金微观偏析半解析数学模型,模型中充分考虑了固相反向扩散和枝晶结构粗化对液相溶质浓度的稀释效果。在引入适当的假设条件下,通过严格的数学推导,获得了模型的完整核心控制方程。在推导过程中应用了标准的粗化模型、二次方形式的固相溶质浓度分布以及抛物线固相生长方式等重要假设。其中,采用精度较高的四阶经典龙格-库塔数值微分方法,并结合具体的冷却条件,对模型的常微分核心控制方程来进行数值计算。为验证所建微观偏析模型的合理性和适用性,针对Al-4.9wt%Cu二元共晶合金进行模拟研究,通过将模型的计算结果与已有的实验测试数据以及其它特点各异的微观偏析半解析数学模型的预测结果进行对比分析,表明建立的微观偏析半解析数学模型具有相对较高的预测精度和能力,其预测结果最为接近于实测值。

适用于缓变流中罗斯贝波传播的半解析模型

中高纬遥相关主要是通过罗斯贝波来建立的.由于全球环流模式的复杂性,我们建立一个简单的半解析模型来分析缓变流体中罗斯贝波的传播和能量的演变.基于传统的三维位涡方程,本文得到WKBJ近似下自由罗斯贝波的频散关系,由于其能量通过群速度传播,根据射线方法,可以得到缓变流场中任意初始罗斯贝波的发展轨迹及其能量的演变.

半解析中心管控水完井耦合模型求解及其在高含水油藏水平井中的应用

半解析中心管控水完井耦合模型,是在Jansen等人提出的普通中心管完井基础上,将原来的二维渗流模型拓展为三维渗流,并进一步优化中心管结构后得到。改进后的中心管结构更加合理,模型考虑因素(井眼轨迹、渗透率分布、水平井筒变质量流动等)更为全面,突破了普通中心管完井在非均质底水油藏中的应用限制。但是,改进后中心管盲筛结构下的模型求解难度很大,这是因为部分盲管段中存在分流面,无法准确判断流体在环空的分流位置。通过分开讨论流体在盲管与筛管中的流动,并将试算法应用到分流面位置的确定中,利用计算机编程进行模型求解,有效解决了这一难题。现场多个油田的实例施工表明,改进后中心管控水完井成本低廉、操作简便且能有效控水,特别在底水油藏高含水率水平井中有较好的稳油控水效果。