锂离子电池的劣化:力-电化学耦合机理与模型

锂离子电池在充放电循环过程中会不可避免地发生容量衰减,这种性能劣化现象普遍存在,且符合人们的日常认知.然而,显而易见的电池劣化现象背后的机理则是相当复杂.本文首先分别从颗粒尺度和电极尺度入手,对锂离子电池的多尺度-多场-多过程的力-电化学耦合劣化机理进行了梳理,其中对固态电池的劣化进行了单独的讨论.进一步地,本文梳理了用以描述锂离子电池力-电化学耦合劣化行为的劣化模型.需要指出的是,由于电池劣化机理的复杂性和外部可测量的稀缺性,建立劣化模型是具有挑战性的,且目前仍存在巨大的研究空白.基于此,本文提出了一种双向劣化模型的设想,融合物理模型和数据模型,以具有一定物理意义的内变量为纽带,建立围绕内变量的“力学行为-内变量-劣化行为”完整映射,为客观、准确地描述和预测电池劣化行为提供新思路.

随机复合材料结构非线性热-力耦合模拟的统计高阶多尺度方法

对于具有复杂随机细观构造的复合材料结构的非线性热-力耦合问题的随机多尺度建模和计算仍是一个具有挑战性的问题。本文发展了一个新的统计高阶多尺度方法,克服了随机多尺度问题直接模拟时巨大的计算量,实现了具有随机复合材料结构非线性热-力耦合问题的数值模拟。借助统计多尺度渐近分析和泰勒级数方法,本文严格推导了可以精确分析随机复合材料结构宏-细观尺度非线性热-力耦合响应的统计高阶多尺度计算模型。然后,通过局部误差分析证明了统计高阶多尺度计算模型中高阶校正项在保持计算模型局部能量和动量守恒的重要意义。进一步,建立了可以高效模拟随机复合材料结构非线性热-力耦合行为的具有离线和在线两阶段的时空多尺度算法。最后,通过数值实验验证了统计高阶多尺度方法的计算高效率和高精度。

基于耦合水化模型的超高掺粉煤灰混凝土性能研究

为通过数值手段模拟高粉煤灰掺量的水工混凝土的性能演化过程,探讨超高掺粉煤灰混凝土的应用价值,以相关试验成果为基准,采用热-化-力耦合方法模拟粉煤灰掺量为35%,80%的水工混凝土的水化放热过程,建立热力学参数与水化度的关系。在此基础上,引入流固共轭传热方程模拟大坝浇筑及通水冷却过程,并比较了两种混凝土在大岗山高拱坝施工中的温控特性。结果表明:耦合模型可准确模拟混凝土在不同外部环境下的性能演化过程;采用超高掺粉煤灰混凝土可有效降低温控费用和人力成本。

混凝土热-水-化-干湿应变多场耦合模型

为了准确研究水工混凝土在服役环境中因湿度变化引起的应变应力特性,从基本理论出发,建立修正的热-水-化-干湿应变(THCD)多场耦合模型.在已有模型的基础上,引入优化的化学亲和力函数和吸附等温线方程,实现对水化过程和湿度多阶段演变的准确模拟,进一步建立湿度和应变之间的关系,使模型可以对湿度变化引起的应变应力特性进行描述.基于模型对不同水灰质量比及养护条件下的自干燥、自收缩、单轴扩散干燥试验进行模拟验证,并进行干湿循环试验的数值模拟.结果表明,所提模型具有较好的适应性,可以准确模拟试验中湿度和应变的演变过程,在干湿循环试验中由湿度引起的应变应力特性符合一般规律.该模型可以为水工混凝土结构的安全评估和寿命预测提供支撑.

力-化耦合作用下水化坍塌周期研究

在钻井过程中,钻井液与泥页岩相互作用所引起的水化应变,改变了井周应力分布,减小了泥页岩岩石强度,使得岩石力学参数也出现了改变,最后的结果导致井壁失稳,发生井壁坍塌。作者基于前人针对水化作用对于岩石力学参数影响的研究,以弹性力学和岩石力学等理论为基础,通过室内实验得出吸水扩散系数,同时考虑水化作用产生的弱化影响和附加水化作用所产生的应力,建立了力-化耦合作用下坍塌压力预测模型,绘制了水化坍塌周期图版。研究结果表明,含水量与吸水处距离成负相关关系,与吸水时间呈正相关关系,同时水化作用也会对岩石力学参数造成影响。南海目标储层在使用密度为1.12 g/cm^(3)的水基聚合物钻井液的条件下坍塌周期在10 d左右;当钻井液密度为1.13 g/cm^(3)时,坍塌周期为21 d。最终从水化坍塌周期图版可以看出,在钻开泥页岩地层后,将泥浆密度逐渐提升至1.14~1.15 g/cm^(3)之间,有益于长时间维持井壁稳定,防止井壁坍塌。该研究成果丰富了泥页岩井壁稳定研究内容,为安全钻井周期的设计提供了理论依据。

饱和土体热-水-力-化全耦合一维溶质运移模型

基于孔隙流体质量守恒、能量守恒和溶质质量守恒,综合考虑力学固结、热固结与化学渗透固结对土体结构的影响,并结合黏土颗粒对溶质吸附、半透膜效应作用及耦合流、耦合扩散效应,建立了单一溶质在饱和土体中运移的热-水-力-化全耦合分析模型,采用COMSOL软件重点模拟了渗滤液环境温度对溶质运移行为的影响.数值结果表明,温度会显著影响溶质浓度随时空的分布,热扩散作用加速溶质运移进程,热渗透与热固结机制对溶质运移具有阻滞作用,模拟时间为50年时黏土垫层上下边界温差70 K比无温差工况溶质运移深度减缓87.6%.所建全耦合模型能够为填埋场防渗隔污屏障优化设计及服役性能评估提供理论参考.

圆坯凝固传热-应力耦合模型的建立与优化分析

为了解决37Mn5连铸圆坯皮下裂纹问题,采用FCA方法和全程间接耦合法建立了连铸圆坯热力耦合模型,并结合现场数据,模拟分析了铸坯传热行为和应力分布,揭示了铸坯缺陷产生的原因,提出了相应的改进措施,为优化生产工艺提供了理论依据。结果表明,将原二冷各段水量分配比例调整为18∶28∶30∶24后,铸坯表面最大回温由原来的185℃降至8℃,铸坯表面的最大总应变较优化前降低了0.00067,消除了连铸坯皮下裂纹缺陷,铸坯质量得到明显改善。

热-力耦合作用下混凝土劣化特性及其损伤本构模型的研究

为研究热-力耦合作用下混凝土损伤特性,对预设30%极限应力的混凝土进行实时升温至800℃,而后进行单轴压缩试验,并利用AE21C声发射检测仪进行全程监测。研究发现:400℃后C-S-H凝胶的高温脱水和Ca(OH)_2的分解对于混凝土在热-力耦合作用下升温过程中性能劣化影响较大;在750℃后混凝土自身劣化严重导致热应变下降。通过对比掺入聚甲醛纤维、钢纤维及聚甲醛纤维与钢纤维混杂的混凝土热应变,发现掺入纤维以后可以有效的降低混凝土因温度产生的热膨胀应变。其中,聚甲醛纤维与钢纤维混杂混凝土热应变最小。同时利用声发射参数对试验加载段混凝土的损伤程度进行表征,建立了与试验结果较为吻合的损伤本构模型。

高速电主轴角接触球轴承热-力耦合特性研究

在高速电主轴转子系统中,角接触球轴承的工作特性受温升的影响显著,极易产生胶合。为了得到更加精确的角接触球轴承瞬态温度场,建立了考虑自旋的角接触球轴承生热及传热模型,并利用MATLAB软件得到了轴承的生热量,随后建立了轴承的三维参数化模型,并基于显示动力学理论在LS-DYNA平台上进行了热-力耦合有限元仿真分析,且对影响轴承瞬态温度场的主要因素进行了研究。研究结果表明:转速与温升呈非线性正相关;高转速下轴承温升对预紧力更加敏感;生热量随预紧力的增加逐渐增大,当施加的预紧力大于最小预紧力时,温升随预紧力增加而变大。研究可为高速电主轴轴承的设计和稳定性分析提供理论参考。

岩石损伤过程中的热-流-力耦合模型及其应用初探

岩石损伤过程热-流-力(THM)耦合问题的研究对于深部采矿等许多工程领域都具有重要的理论意义。以岩石的损伤为主线,在多场耦合分析方程中引入损伤变量,基于质量守恒和能量守恒原理,提出岩体损伤过程中的THM耦合模型。通过把均匀弹性介质THM耦合响应的模拟结果与理论分析结果进行对比,验证了程序及有限元实施的正确性。然后,用该耦合模型进行了不同地应力条件下流固耦合过程的数值模拟,探讨了水压力对于岩石损伤过程的作用机制。数值模拟表明,水压力导致了拉伸损伤范围的扩大和损伤程度的加剧,同时亦对剪切损伤具有抑制作用。

基于细观结构表征的岩石破裂热-力耦合模型及应用

岩石热破裂的研究只有考虑各种矿物组分造成的岩石的非均匀性,才能更客观地反映岩石热破裂的本质。利用数字图像处理技术数字化表征岩石内部矿物颗粒的几何形态,充分考虑岩石真实的细观结构,结合细观损伤力学和热弹性理论,建立能更客观的分析岩石热-力耦合作用下破裂过程的数值模型。以花岗岩为例,运用数值模型研究花岗岩在温度和压缩荷载共同作用下的力学行为和破裂过程。研究结果表明,温度对岩石的力学性质和破裂演化过程影响显著,热破裂裂纹多发生在矿物颗粒边界处,并沿颗粒边界扩展,局部会形成闭合多边形,其热破裂演化过程与试验结果基本相符,从而验证了数值模型的合理性和有效性,该数值模型为细观尺度定量研究岩石热破裂提供一种新的方法。

多年冻土路基水-热-力耦合理论模型及数值模拟

在建立多年冻土地区路基非稳态温度场控制方程、水分迁移的有限元控制方程和路基变形场及应力场计算模型的基础上,提出水热力耦合模型。以青藏公路唐南段K3393+950的冻土路基为计算对象,得出了1月份路基温度场、水分场及应力场(变形场)的分布规律:路基温度场内部存在着未冻土核;水分场在温度梯度的作用下有向冻结冰锋线迁移的趋势;在负温条件下,土体的体积含冰量超过临界值时,将产生冻胀现象。研究结果表明,多年冻土地区路基的温度场、水分场及应力场一直处于动态变化中,路基的热状况、水分状况与变化规律及由此引起的应力重分布是引起道路冻害的主要因素。

机床主轴-轴承系统热-力耦合模型及其动态性能研究

为了研究机床主轴系统在高速运转情况下的动态性能变化,建立了一种主轴-轴承系统的热-力耦合模型,该模型包括了主轴转子和轴承模型.采用有限元法得到主轴转子模型,该模型考虑了主轴的离心效应、陀螺力矩和轴承刚度软化效应.通过对Jones非线性轴承模型进行改进获得了轴承模型,它考虑了主轴与轴承的初始装配过盈量、离心力、温升等因素导致的轴承内圈径向变形及预紧力的变化.理论仿真结果表明:轴承内圈离心膨胀以及内外圈热膨胀会导致轴承刚度增大,而对于背靠背的轴承配置形式,热诱导预紧力会导致轴承刚度减小.此外,主轴离心效应比轴承的刚度软化对主轴-轴承系统动态特性的影响更明显.

挤压铸造凝固过程热-力耦合模拟 Ⅰ.数学模型及求解方法

开发了模拟挤压铸造凝固过程中铸件温度、应力及形状变化的有限元模型.该模型包括了凝固过程中潜热的释放和体积收缩效应、界面传热和变形的相互作用以及凝固壳在冲头压力下的变形等.应力场模拟中采用热弹粘塑性本构模型描述凝固壳的变形,并对液相和糊状区进行了特殊处理.利用接触算法处理铸件与模具界面,并且采用一种特殊的迭代法来模拟冲头的运动.该模型可以用来研究模具设计和工艺参数(如模具温度及冲头压力等)对铸件质量的影响.

基于水-热-力耦合模型的钻孔灌注桩承载力影响因素分析

针对广大寒区普遍存在的冻胀-融沉影响桩基承载力问题,以清水河大桥灌注桩为例,基于建立的饱和冻土水-热-力三场耦合模型及研发的3G2012软件系统,深入研究了温度变幅、桩和地基土的传导系数、导水系数、回冻时间等因素对其承载力的影响,揭示了其承载的内在热力学机理.结果表明:钻孔灌注桩承载力随温度发生波动变化,冬季桩基的极限承载力近似为夏季的1.2倍;地基的导水系数提高一个数量级,加剧了地基土中的水分迁移及冻胀融沉变形,进而影响桩基承载力;冻土回冻时间对桩基承载力也有较大影响.以上结论为寒区岩土工程的设计与施工提供量化的科学依据.

填埋气体迁移气-热-力耦合动力学模型的研究

基于连续介质力学 势弹性力学原理 ,运用多场耦合理论建立了填埋场中可压缩垃圾气体迁移耦合的动力学模型 ,并采用摄动法及积分变换法对该强非线性数学模型进行拟解析求解。通过算例对比分析 ,探讨了耦僵动力场中气压、温度和应力变化对可压缩气体迁移的影响 ,得出了垃圾气体迁移过程中的孔隙压力分布规律。结果表明 ,三场耦合作用与非耦合作用相对差别较大 ,耦合效应不能忽略。这为定量化研究垃圾气体在填埋场中的扩散状况以及污染气体的排放和收集、防止二次污染提供了可靠的理论依据。

考虑THM耦合的地热能源桩热-力行为分析

地热能源桩除了可以承受建筑物的上部结构荷载,还能提供低碳、环保和可持续的制冷/制热功能,因此在土木与能源等行业受到广泛关注。热-水-力(THM)三场耦合效应显著影响能源桩和土体的相互作用及其承载变形特性。利用多孔介质混合物理论推导了THM全耦合的基本控制方程,并通过与饱和非等温固结问题的理论解对比,验证了该耦合问题基于COMSOL有限元分析方法有效性。在此基础上,考虑流体性质随温度的变化和不同的桩土接触模型,开展了基于THM耦合的能源桩二维有限元模型的数值分析,并与离心数值模型和现场试验数据进行对比。计算结果表明该耦合模型不但能预测能源桩中应力、应变和位移场分布与演化规律,还能较好地模拟桩土多场耦合行为。研究结果表明,THM耦合效应对土工分析具有重要影响,研究成果可为能源桩设计、施工及使用过程中所涉及的多场耦合问题提供参考依据。

Boom黏土热-力耦合弹塑性损伤模型研究

黏土的热-力耦合本构模型研究在许多工程领域,尤其是核废料地下处置方面有着十分重要的工程意义。根据Boom黏土的在不同温度下的三轴与固结试验的结果,综合考虑了温度对黏土的强度与弹性模量的影响,在Drucker-Prager(简称D-P)帽盖模型的基础上,引入了硬化方程和热损伤、力学损伤的演化方程,建立了适用于黏土的热-力耦合弹塑性损伤本构模型。将模型在ABAQUS中进行了二次开发,根据试验结果反演得到了Boom黏土的模型参数。利用所建立的本构模型,对比利时HADES试验室中的ATLAS III现场试验进行了数值仿真,计算结果表明,模型的计算结果与现场实测的结果能较好地吻合,证明了模型的合理性。

混凝土中化学-热-湿-力耦合过程的数值方法

提出了一个火灾下混凝土中化学-热-湿-力耦合过程分析的两级数学模型．混凝土模型化为充满两种非混溶孔隙流体的非饱和变形多孔多相介质．数学模型基于控制干空气、湿份及基质溶解物的质量守恒、混凝土介质混合体的动量守恒和焓(能量)守恒的耦合偏微分方程组．模型中特别考虑到了高温下的脱盐过程．构造了一个用于数值模拟化学-热-湿-力耦合行为的有限元求解过程的混合弱形式．并且针对其中具有非自伴随算子特性的双曲线控制方程的空间离散进行了特殊考虑．数值结果例题显示所发展的数学模型和数值方法在重现火灾条件下的混凝土中化学-热-湿-力耦合行为的有效性．

热-水-力耦合作用下岩石损伤力学模型与验证

为了探讨高温、高孔隙水压、高围压对岩石损伤破坏的影响,基于损伤力学基本理论,并结合应变等价性原理,建立热-水-力耦合作用下的损伤力学模型,构建表征岩石损伤演化的表达式,通过水-力耦合作用下热损伤花岗岩室内试验验证了该模型的合理性,并根据室内试验确定了模型参数。试验结果表明:提出的模型能较好地反映热-水-力耦合作用下岩石应力-应变过程,且能表征上述作用下岩石损伤演化规律;高温损伤会导致岩石由脆性逐渐向延性转变,而孔隙水压会进一步加剧岩石损伤演化。