基于体散射场的纸张质量测试方法研究

激光束透过纸张后体散射场的场强大小和分布与纸张的厚度、白度和均匀度有着密切关系。体散射场分布能够直接反映纸张的质量情况,是检测纸张质量的理想参考标准。在蒙特卡罗测试法的基础上,提出一种简单实用的纸张质量检测技术。利用He-Ne激光器发出的激光束透过纸张后测量其体散射场,通过实验计算得到的模拟曲线能够很好地描述纸张的光学质量,与理论计算的体散射场曲线有很高的吻合度。     

微系统粗糙表面的多峰黏着弹性接触分析

在微系统中,粗糙表面间的黏着力是影响微尺度对象能否成功装配的主要因素。为研究微尺度对象粗糙表面的接触机理,将Maugius理论和分子作用的Kim物理接触理论相结合,建立了微尺度对象的多峰黏着弹性接触模型,应用三维分形几何进行黏着力的求解,并对Kim物理接触黏附半径做近似计算,且将新建模型与不考虑分子作用力的Morrow模型进行比较。分析结果表明:微凸体两粗糙表面的物理接触距离越小,对黏着影响越大;分形维数增加,微凸体物理接触的黏着作用显著增加;随着分形粗糙度减小,Kim物理接触的微凸体数目明显增多,黏着力显著增加。     

基于分形理论的结合面微观接触特性分析

为了研究结合面微观接触特性,基于分形理论,建立粗糙表面轮廓模型,进行结合面接触趋近耦合研究。通过二维粗糙表面与光滑表面微观接触趋近过程的仿真分析,研究分形维数、表面粗糙度、位移载荷对结合面接触状态的影响机理。提出利用激光声表面波检测粗糙结合面接触的方法,并进行了实验验证。研究结果表明,粗糙表面微凸体形貌是决定材料接触性能的关键因素;微凸体接触形成的真实接触面积远小于名义接触面积。工程问题中,通过名义接触面积计算出的载荷与材料表面实际承受的载荷存在较大差异。     

三维分形粗糙表面的修正接触模型

基于分形理论,建立了粗糙表面的接触行为预估模型,采用了包含弹性、弹塑性和塑性全状态的微凸体接触模型并将其扩展到粗糙表面接触问题,实现了对传统二维分形粗糙表面接触模型的修正,构建了三维分形接触模型。通过计算结果与实验数据的对比可知:修正后的三维分形接触模型(修正Y-K模型)的计算结果与实验测试值比较接近,而Y-K模型的计算结果则与实验值相差甚远,尤其是在载荷较大时。修正Y-K模型的结果虽然与实验值有一定差距,但相较Y-K模型已有了相当的改善,为分形接触计算提供了更为准确的理论方法。     

基于真应力-应变关系的粗糙表面法向接触模型

提出一种粗糙表面的法向弹塑性接触分析的建模方法。基于微凸体的弹塑性有限元接触模型,分别研究了40Cr、45和Q235三种钢材料的微凸体与刚性平面的法向接触特性。有限元模型中采用三种材料的真应力-应变关系,考察了不同强化特性对微凸体接触性质的影响。建立了微凸体在弹性、弹塑性、塑性变形阶段统一的接触变量变化规律的表达式。在此基础上应用概率统计理论建立粗糙表面法向弹塑性接触模型。所建立的接触模型中微凸体接触变量的变化规律完全基于弹塑性有限元模型的计算结果,无需将微凸体的变形过程区分为不同的变形阶段,避免了接触变量在各阶段采用不同函数表达式带来的连续性和光滑性问题,以及在弹塑性阶段采用插值函数的随意性问题。通过与其他接触模型的计算结果相比较,证明了所提出接触模型的合理性。     

微凸体分布计算方法对曲面接触预测的影响

为借助Greenwood-Williamson(GW)接触模型开展粗糙表面接触分析，基于微凸体识别的参数定义法和基于随机过程理论的谱矩法都被广泛用于微凸体分布参数计算。为厘清应用不同计算方法产生的接触求解差异，针对粗糙曲面接触，利用快速傅里叶变换重构获得不同统计分布下的粗糙表面随机样本，由三点定义法和谱矩法分别计算仿真样本的微凸体峰点分布参数，对样本开展GW接触分析，得到两种计算方法下接触预测结果，对结果进行了对比讨论，分析了样本表面统计分布参数、高通滤波常数、曲率半径和载荷的影响。最后，通过试验数据对谱矩法的计算偏差进行了检验，对微凸体分布参数计算给出了建议。     

渐开线微齿轮磨损仿真分析

为了进一步研究微齿轮齿面磨损机理,采用经典Archard磨损公式,结合JKR(Johnson K L,Kendall K,Roberts A D)理论与GW(Greenwood and Williamson)表面粗糙模型,首次建立了微齿轮粗糙齿面仿真模型,并提出了减轻微齿轮齿面磨损的方法。进行了考虑表面吸引力、齿面粗糙度、微凸体顶点曲率半径、材料性能等单一因素和齿面粗糙度、微凸体面密度、微凸体顶点曲率半径等多个因素对齿面磨损影响的仿真。结果表明,适当增加齿面粗糙度;增大齿面微凸体顶点曲率半径;选用描述粗糙表面的参数乘积ηβσ值较大的齿轮;增大微齿轮的弹性模量等可以提高微齿轮的耐磨性能。     

周期和随机分量叠加而成粗糙表面的激光散射

研究了机械加工时由周期分量和随机分量叠加形成的粗糙表面的激光散射特性.基于Helmholtz-Kirchhoff积分定理并结合统计学相关理论,推导得到了上述粗糙表面的散射场强空间分布理论计算公式.根据推导得到的计算公式,计算了不同周期振幅和不同随机粗糙度情况下的散射场强空间分布,并分析了散射场空间分布的特征和形成原因.理论计算结果表明:在随机性粗糙度远小于激光波长时,周期振幅越大,散射场空间分布的“衍射条纹”现象越明显;而在随机性粗糙度和激光波长可比拟时,周期振幅在波长范围内的变化对散射场空间分布特征影响较小,不再有“衍射条纹”出现.在这种情况下,周期振幅的变化所产生的效果相当于是对散射场空间分布进行了调制.     

光学表面X射线异常散射现象

研究了用掠入射散射法测量光学表面散射分布实验中存在的异常散射现象。首先,介绍了实验装置,并用原子力显微镜(AFM)测量了样品的表面粗糙度, 给出了工作波长为0.154 nm时不同样品在不同掠入射角下的表面散射分布。然后,分析了异常散射角与临界角的关系。最后,对影响散射强度的因素进行了分析。实验结果表明：当掠入射角大于临界角时能观测到光学表面的异常散射现象。在波长一定的情况下,异常散射角与样品材料有关,与掠入射角和表面粗糙度无关;异常散射角略小于临界角,误差变化为-8.6%~-0.9%。另外,镜像反射强度随着入射角和表面粗糙度的增大而迅速减弱,但异常散射强度与镜像反射强度的比值（峰值比）反而随着掠入射角或表面粗糙度的增大而增大,其比值在0.012~2.667变化。结果证明样品的材料和表面形貌是影响异常散射分布的两个重要因素。     

粗糙体变形特性对接触过程的应力与应变的影响

运用W-M函数生成分形粗糙表面,建立一个新的双粗糙体接触模型,采用有限元方法模拟仿真了在粗糙体不同变形特性条件下的接触过程,并分析了接触表面的应力分布及不同接触位置的塑性应变随深度的变化规律．结果表明双粗糙接触表面的应力主要集中在个别的较高微凸体上,其应力最大值出现在微凸体肩部区域的位置;等效塑性应变在不同位置沿深度的变化,呈现出不同的规律,微凸体顶部区域沿深度方向的最大等效塑性应变均发生在次表层,材料表层下的塑性应变将会导致材料表层中的夹杂或微观缺陷周围萌生微孔和裂纹源,对比不同变形特性的模型,得出弹塑性一刚体模型的最大应力及应变值都大于弹塑性一弹塑性模型。     

基于红外锁相法的热波检测技术及缺陷深度测量-1

红外锁相法热波检测技术（Lock-in Thermography）是一种基于热波处理的主动式红外热成像检测技术,适用于复合材料及复杂结构构件的无损检测,已广泛应用于航天航空、汽车、机械、电力等领域。本文着重介绍了阐述了红外锁相法热波检测技术的原理、缺陷深度测量及在蜂窝夹层结构及焊接构件检测中的应用。采用有限差分法计算了强度按正弦规律变化热流引起试件表面温度变化历程,并采用锁相法提取了有缺陷与无缺陷处的稳态温度变化和计算二者相位差,与试验结果接近。建立了热波在试件中传导的热—电等效模型,利用该模型对红外锁相法热波检测技术进行了仿真研究,得到了缺陷深度和反射热波与入射热波相位差之间的关系,该模型计算结果与试验结果基本一致。采用红外锁相法热波检测技术对模拟缺陷的蜂窝夹层结构试件和实际的焊接构件进行了无损检测试验研究,结果表明,采用红外锁相法热波检测技术能够快速、准确的获得缺陷大小、位置等,该技术对具有复杂曲面结构的构件也十分优越。     

红外快速缺陷检测的数值模拟

为了定量研究红外无损检测中缺陷深度和形状的问题,首先对带有内部缺陷的平板试件建立了热传导的物理和数学模型,并对不同深度缺陷的情况进行了仿真分析和理论计算,得出了缺陷深度的理论计算方法;然后在已知缺陷深度的情况下利用ANSYS对内部具有不规则缺陷的试件进行了仿真试验,并采用共轭梯度法来定量计算内部缺陷的形状.研究结果表明...     

Numerical analysis of Nd:YAG pulsed laser polishing CVD self-standing diamond film

Chemical vapor deposited(CVD) diamond film has broad application foreground in high-tech fields.But polycrystalline CVD self-standing diamond thick film has rough surface and non-uniform thickness that adversely affect its extensive applications.Laser polishing is a useful method to smooth self-standing diamond film.At present,attentions have been focused on experimental research on laser polishing,but the revealing of theoretical model and the forecast of polishing process are vacant.The paper presents a finite element model to simulate and analyze the mechanism of laser polishing diamond based on laser thermal conduction theory.The experimental investigation is also carried out on Nd:YAG pulsed laser smoothing diamond thick film.The simulation results have good accordance with the results of experimental results.The temperature and thermal stress fields are investigated at different incidence angles and parameters of Nd:YAG pulsed laser.The pyramidal-like roughness of diamond thick film leads to the non-homogeneous temperature fields.The temperature at the peak of diamond film is much higher than that in the valley,which leads to the smoothing of diamond thick film.The effect of laser parameters on the surface roughness and thickness of graphite transition layer is also carried out.The results show that high power density laser makes the diamond surface rapid heating,evaporation and sublimation after its graphitization.It is also found that the good polish quality of diamond thick film can be obtained by a combination of large incident angle,moderate laser pulsed energy,large repetition rate and moderate laser pulse width.The results obtained here provide the theoretical basis for laser polishing diamond film with high efficiency and high quality.     

光学法确定石英晶体的光学轴

为了确定位于石英晶体入射面内光学轴的位置,采用自然光沿石英晶面以一定的入射角斜入射,并根据自然光在石英晶体内的传播特性,测量出o光和e光出射光线间的垂直间距以及界面上两出射光点的间距,运用几何作图法,通过计算给出光学轴位于石英晶体入射面内的情况下的理论一般公式,且以实验得以验证,从而提供了一种可用光学法确定光轴位置的方法。     

OPTICAL BIOSENSORS FOR LABEL-FREE DETECTION OF BIOMOLECULAR INTERACTIONS

Biosensors are important tools in fields of biophysics, biochemistry, and biomedical engineering because they provide a platform for the detection of various analytes. Currently, fluorescence-based detection methods have been routinely used for their high sensitivity and diverse selections of labeling agents. However, tagging extra molecules (such as dyes) on to one of the binding pair might change the intrinsic binding affinity of that reaction. To do away with this drawback, label-free biosensors based on optical techniques have drawn more and more attention recently because they are non invasive to the biomolecules under investigation. This article reviews some modern optical biosensors including surface plasmon resonance, oblique-incidence reflectivity difference, interferometry, resonant cavity, and resonant waveguide grating. Some of these techniques have already been commercialized for biological applications. While surface plasmon resonance is the most sensitive and commonly used method, oblique-incidence reflectivity difference provides comparable sensitivity with additional advantages in throughput as well as compatibility. It is believed that in the future, optical techniques will still lead the way in the development of label-free biosensors for biological applications.     

Quantitave Alternative Method of Determining Hardness of Carburized Steel Annealed or Quenched by a CO2-Laser on the Basis of Carbon-Dependent Correlation Between Hardness and Thermal Diffusivity

A quantitative nondestructive testing method is proposed for imaging thermally treated steel. A theoretical model and experimental data on visualizing an optical beam deflected by a metal sample heated by a Gaussian beam are given. An analytic solution of heat equations obtained in the corresponding approximation gives a theoretical expression for the surface temperature, important for understanding the experimental process. Attention is concentrated to measurements which make it possible to clarify correlation between mechanical parameters and local thermal characteristics of the sample. For the purpose of establishing a simple theoretical correlation between the steel microhardness and the thermal diffusivity in accordance with variations of the structure and composition of steel, a theoretical procedure of inverting the dependence between the thermal diffusivity and the photothermal de ection observed experimentally is proposed and a methodological comparison of the results is carried out.     

基于弹光调制的偏振态测量方法

偏振编码是利用光信号的偏振态承载信息进行编码,旨在解决高速光纤通信中非线性效应和偏振模色散等问题。本文提出了基于弹光调制器的偏振态测量方法,该方法不仅保留了原有弹光调制器偏振测量的优点,并且克服了现有方法无法用阵列探测器有效采集信息及调制频率高等缺点,同时给出了Matlab模拟仿真及实验验证方案。理论分析、模拟仿真及实验验证了该方法的可行性。测量结果的误差分析表明,该方法能满足测量要求,这为偏振编码在高速光纤通信中的应用创造了条件。     

针对不连续带洞结构的声发射源定位方法研究

由于兰姆波在舷窗等带孔结构表面的传播路径不再是线性路径,传统方法难以解决撞击的声源定位问题。 本文针对该 问题,提出了一种基于声发射的网格映射概率成像定位方法。 该方法通过建立网格映射模型解决了信号传播的非线性路径难 题,并通过对网格节点的信号最快传播路径计算得到相应的理论时间差值。 之后利用自适应能量阈值方法与 AIC 方法计算信 号的实际到达时间差,通过比较理论值与实际值的偏差构建概率图像以实现定位解算。 通过有限元模拟分析了带洞结构对兰 姆波传播路径的影响,给出信号传播路径的确定依据。 通过对 32 个撞击点的定位实验验证了定位方法的可行性,平均绝对误 差为 1. 15 cm。