基于声子水动力学方程分析全环绕栅极晶体管的瞬态热输运过程

相较于经典的傅里叶定律,声子水动力学模型在描述纳米尺度超快声子热输运中已经展现出显著优势.全环绕栅极晶体管(GAAFET)通过三维沟道设计极大优化了电学性能,但其纳米尺度特征也导致自热问题和局部过热的挑战.基于此,本文针对纳米尺度GAAFET器件内的声子热传输特性开展理论和数值模拟分析.首先,基于声子玻尔兹曼方程严格推导了声子水动力学模型和边界条件,建立了基于有限元的数值求解手段,针对新型的GAAFET器件,分析了表面粗糙度、沟道长度、沟道半径、栅极电介质、界面热阻等因素对其热传输特性的影响规律.研究结果表明,本文构建的连续介质框架下基于声子水动力学模型及温度跳跃条件的非傅里叶热分析方法能够精确预测GAAFET内部非傅里叶声子导热过程,并揭示声子阻尼散射和声子/界面散射的作用机制.这项工作为进一步优化GAAFET的热可靠性设计,提高其热稳定性和工作性能提供了重要的理论支持.

新型半埋入式地震超材料超低频带隙机理及性能研究

针对破坏力极强的地震表面波中瑞利波的振动控制,提出一种新型半埋入式地震超材料屏障.相比于传统的地震超材料屏障,这种新型半埋入式超材料屏障将单胞的内外柱体分别单独半埋入土壤中,结构稳定性强且具有低频宽带隙特性.采用有限元法计算了新型半埋入方式下地震超材料屏障的带隙特性,并结合其振型分析了带隙的形成机理,当内外柱体分别单独半埋入时,振子和振动模态各不相同,打开了不同的低频带隙.进一步分析了埋入深度、连接体杨氏模量的变化对带隙机理的影响,其中,埋入深度是影响带隙的主要因素,随着埋入深度的增加,屏障稳定性增强,系统的主导刚度会发生改变,引起了局域共振模态的转变,从而拓宽带隙的宽度.最后,对有限周期模型屏障的振动传输特性进行了计算,并通过EI-Centro地震波对屏障进行了时程分析,加速度幅值衰减超过70%.结果表明:新型半埋入式地震超材料屏障对20 Hz以下的瑞利波具有良好的衰减作用,为地震超材料在减震隔震方面提供新的设计思路和方法.

新型环状谐振径向弹性超材料结构低频带隙机理研究

针对具有低频减振带隙的径向弹性超材料结构不易加工,且不能满足工业需求的问题,提出了一种由单一材料构成的新型环状谐振径向弹性超材料结构。相比传统径向弹性超材料结构,这种新型结构由外部八边形以及内部结构通过连接块相连接而构成。有限元计算结果表明,其能带结构图中存在的两个完全带隙与有限周期结构的频响函数曲线中带隙吻合,其中第一带隙位于2171.9~2716.9Hz之间,第二带隙位于4747.5~9067.5Hz之间。通过分析带隙边界处特殊点的本征位移场,可知第一与第二带隙分别是由于内部结构和八边形基体的局域共振所形成。进一步研究了结构参数对带隙位置和带隙宽度的影响,结果表明内部结构半径与连接块宽度参数会影响内部结构的质量以及连接块的等效刚度,进而影响所有带隙的变化,而八边形基体宽度仅对高频带隙影响较大。本研究中径向弹性超材料结构所产生的低频带隙对于工业设备有潜在的应用。

“工”字型径向弹性超材料零频起始带隙特性研究

为了得到零频起始带隙,提出"工"字型径向弹性超材料,并研究了其不同约束状态下弹性波的传播特性。通过对色散关系,频响函数和本征模位移场计算研究,发现在双面约束状态下可产生0~16 849 Hz的零频起始宽频带隙,主要由约束作用引起的模态转变产生。进一步,通过研究有限周期结构的方向振动位移场,发现零频起始带隙产生的机制为局域共振机制。最后,分析了结构参数对零频带隙位置及带宽的影响。研究结论可以应用于超低频减振等工程领域。

田字形地震超材料甚低频宽带隙机理

在地球中传播的地震波主要有体波和表面波,而表面波中Rayleigh波对建筑物造成的破坏最为强烈。针对Rayleigh波的振动控制,提出一种田字形超材料结构。相比于传统的地震超材料,这种超材料屏障是由外部口字形框体内部嵌套十字形柱体组成,形成4个可填充区域,其外部框体采用部分埋入的方式,具有高强度、强稳定性、填充方式灵活的特点。应用有限元法计算了田字形超材料的能带结构和传输特性,并通过分析带隙边界处模态振型可知,带隙的打开是由于柱体的局域共振。结合带隙机理可知,柱体结构中土壤填充量不同可改变柱体的质量,形成不同的谐振频率,产生甚低频带隙。为进一步拓宽带隙,设计研究了正、负梯度的质量填充方式,均可得到3.3~13.1 Hz甚低频宽带隙,在谐振频率范围内两者的隔震方式分别为Rayleigh波彩虹捕获和Rayleigh波到体波的转化。最后,采用EI-Centro地震波对填充屏障进行了时程验证,加速度最大幅值衰减超过80%,为地震超材料在减震隔震方面应用提供了新的设计思路和方法。

基于社会力模型的地铁站微观人群传染与防控

目的以典型的地铁站内行人出站过程为例,探究公共场所内微观人群运动对感染过程的影响。方法在新型冠状病毒肺炎疫情背景下,基于社会力模型,对行人出站过程中的感染传播情况进行模拟,验证相关防控措施的有效性。结果在研究参数设置和假设条件下,合理设置楼梯隔挡最多能够降低约23%的感染人数,增大行人间距最多能够降低约25%的感染人数,增大行人的移动速度最多能够降低约50%的感染人数。结论合理的隔挡设施以及较大的行人间距与期望速度能够降低感染人数,但出站总人数的增加会降低措施的有效性。

纳米流体液滴内的光驱流动实验及其解析解

在光透过性的流体介质中添加具有高光响应特性的纳米颗粒,可以形成光驱动纳米流体,实现对光能的高效利用.本文针对光驱纳米流体流动行为开展实验观察和理论分析研究,这是实现光驱纳米流动精确调控的理论基础.首先利用粒子图像测速技术对液滴中直径为300 nm的Fe3O4颗粒在不同光源照射下受Marangoni效应诱导的运动进行了实验观测,研究光能向动能的高效转化机制.实验结果表明,当颗粒浓度大于临界数密度时,可诱导出垂向具有对称结构的涡,在液滴底部颗粒由四周向中心运动,顶部则由中心向四周运动,光源频率和颗粒数密度是这一过程的主导因素.随后,针对光强高斯分布的紫外光驱动下大颗粒数密度、特征流速约mm/s的光驱纳米流体,通过Stokes方程和表面张力梯度边界条件实现了其流场分布的解析求解,理论获得的流场分布解析解与实验测量结果保持一致,证实定量理论分析的有效性.最后,讨论了引入表面张力与在液滴底部引入表面压力及体相中集中引入光辐射力的不同驱动模式之间的相关性.这一研究成果为光微流控系统中流动行为的精确调控及光能的高效转化等提供了理论支持.

欧拉弹性线问题的Maple数值模拟

基于现代信息技术与教学手段,在材料力学的课程教学中,开展了课程育人的探索与实践。通常的材料力学只讲小挠度梁的变形,本文对于弹性梁的欧拉方程,采用Maple编程求解了这个数学模型,并对集中载荷作用下大挠度悬臂梁的挠曲线形状进行了计算机仿真。分析计算了自由端转角,挠度和水平位移与载荷的力学特征,并与精确解进行了比较。拓宽了材料力学的教学范围。