锂离子电池真空烘烤箱内通气管道结构优化设计

在锂电池注液前须对锂电池电芯进行真空环境下的烘烤, 热氮气作为烘烤介质, 通过管道进入烘烤罐内。现有的通气管具有一个进气总管和若干个小出气管, 但实际烘烤工作中发现, 烘烤罐内的同批锂电池电芯烘烤后一致性很差, 这会对电芯以后的注液等工序造成不能挽回的影响。根据流体力学等知识重新设计罐内通气管, 通过详细计算罐内的各种能量损失, 并运用CFD仿真软件对优化前后的通气管进行内部流体仿真分析。通过绘制管道的能量水头线, 可详细观察罐内各位置的流体与能量等的参数大小及变化情况。结果表明, 当进气管热氮气流速为10 m/s时, 优化后的通风管的各出气管流出速度一致性较之前改善97.7%;涡流能量损失减少84%。此法可针对不同型号的锂电池尺寸进行各个出气管的位置与管径设计, 并根据热氮气流速初步计算烘烤所需时间, 避免了对现有烘烤时间的盲目性。对相似的真空烘烤工艺具有重要指导意义。     

地效翼的颤振特性研究EI北大核心CSCD

地面效应是指当机翼贴近地面飞行时,由于受到地面的干扰作用而引起升力增加和阻力降低的现象。研究地面效应对颤振的影响规律。建立基于计算流体力学/计算结构力学耦合的颤振计算方法,采用标模AGARD 445.6机翼对颤振计算方法进行验证。在此基础上,以贴近地面的三维机翼为研究对象开展颤振分析,研究指出地面效应增强了非定常气动力的幅值,而且离地越近这种效果就越明显,从而导致颤振速度随着离地高度的降低而减小。然后重点讨论了攻角对地效翼颤振的影响,与不考虑地效的经典线性颤振理论不同,指出地效翼的颤振速度与攻角有关,在地效区域内,增加机翼的攻角会使发生颤振时的静变形变大,导致机翼抬起和离地高度增加,地效减弱,使得颤振速度随攻角的增大而提高。     

锂离子电池厚电极结构设计的研究进展EI北大核心CSCD

为了满足储能系统和电动汽车市场对于高能量密度和快充的需求,兼具高能量和高功率密度的锂离子电池得到了广泛的关注。厚电极结构设计能够显著提高电池的能量密度并降低成本,且能与各种电极材料相兼容,是发展高能量密度锂离子电池的研究热点之一。厚电极通常面临着力学性能差和反应动力学慢等问题,因此构建力学性能良好和完善的锂离子及电子传输网络的厚电极至关重要。本文首先分析了厚电极的电化学特性和关键科学问题,然后梳理了目前构建厚电极的各种策略及其优势,最后探讨了厚电极的设计原则和发展方向。     

聚合物锂盐在锂离子电池电解质中的应用EI北大核心CSCD

锂盐是获得安全性能良好的锂离子二次电池的重要因素。聚合物锂盐具有高电导率、宽电化学窗口、良好热稳定性和电化学稳定性,以及在全固态锂离子电池中的应用引起了国内外研究者的关注。文中分析了聚合物锂盐的结构与电池性能之间的关系,包括结构对材料的热稳定性、力学性能、锂离子迁移数、离子电导率和电化学窗口等的影响。总结了聚合物锂盐的合成方法,综述了均聚物型、共聚物型和离子液体型等具有代表性的聚合物锂盐在锂离子电池电解质中的应用研究进展,并对未来新型锂盐的研究方法及发展方向进行了展望。     

高镍三元锂离子电池低温放电性能研究进展EI北大核心CSCD

随着新能源汽车产业的迅速发展,消费者对电动汽车续航里程的要求不断提高。高镍三元锂离子电池因其比能量高成为电动汽车中最具应用前景的动力电池,但该电池体系依然面临着低温性能差的问题。本文综述近年来高镍三元锂离子电池低温性能的研究进展,重点总结高镍三元锂离子电池低温性能的影响因素,一方面从热力学角度分析低温下高镍三元正极材料和石墨负极材料的结构变化、电解液相态和溶剂化结构变化以及黏结剂玻璃化转变对电池低温性能的影响;另一方面从动力学角度分析高镍三元电池低温放电过程中的速率控制步骤。归纳目前高镍三元锂离子电池低温性能的主要改善措施,其中低温电解液的设计包括优化溶剂、改善锂盐及使用新型添加剂三个方面,对电极材料低温性能的改善主要是通过体相掺杂、表面包覆及材料颗粒粒径降低的方式。总结电池中低温性能研究中存在的对电池低温热力学特性研究不够明确、对电池低温动力学过程研究方式单一以及对电池中的反应顺序存在的影响认识不足等问题。     

扁平钢箱梁风屏障防风效果的数值模拟研究EI北大核心CSCD

为研究扁平钢箱梁风屏障的防风效果,在验证数值模型准确性的基础上,针对扁平钢箱梁上分离障条直线型风屏障,研究了风屏障对桥面风场分布的影响,采用神经网络模型建立了风屏障风速折系数的代理模型,考查了风屏障高度与透风率的影响,给出了风速折减系数随风屏障高度和透风率变化的等值线曲线。结果表明:当风屏障高度增加到一定程度后,再增加高度对风屏障防风效果的提高有限;风速折减系数随风屏障透风率的增加,在迎风侧车道和背风侧车道位置处呈现不同的形态;在风屏障透风率大于20%,高度小于3.5 m的情况下,上游车道的风速折减系数大于下游。风屏障风速折减系数神经网络模型可用于预测和评估风屏障的防风效果,研究结果为风屏障参数的选择提供参考。     

基于改进神经网络和遗传算法的真空灭弧室优化设计北大核心CSCD

提出一种基于人工神经网络和遗传算法相结合的电器电场均匀度优化设计方法,以12 kV真空灭弧室为研究对象,对其内部电场进行场影响因素分析与电极型面优化,以实现均匀场设计。建立了以悬浮屏蔽电极长度和端部型面曲率、动静触头电极端部曲率为输入变量,灭弧室内部电场均匀度为输出变量的改进神经网络模型结构;并以灭弧室内部电场均匀度为优化目标,采用遗传算法对灭弧室结构参数进行寻优,以提高灭弧室静态绝缘性能。     

真空密封圈气密性研究北大核心CSCD

主要就真空马桶中密封圈的气密性进行了仿真研究,并建立了相应的几何模型,利用橡胶的单轴拉伸实验验证出符合的本构模型,在将本构模型运用到workbench中对其进行有限元分析,模拟了在不同的真空度、摩擦系数、几何公差下接触应力大小。发现不同的条件下密封圈的密封效果存在差异,密封圈与球阀接触面之间的应力情况,接触间隙都有一定范围变化,运用MATLAB分析模拟所得数据得出最优的设计参数。在结合相应的设计手册,对比模拟结果,验证接触应力是否符合相关标准,进行样机的实验测试,所设计的真空密封圈符合密封要求。     

碳纳米材料构建高性能锂离子和锂硫电池研究进展EI北大核心CSCD

碳作为单一元素可形成像零维碳纳米球、一维碳纳米管、二维石墨烯等多种碳纳米结构,它们在锂离子和锂硫电池中的表现也有所不同。需要阐明的是,碳纳米管和石墨烯由于具有以下缺点不适合直接作为锂离子或锂硫电池电极材料:(1)第一次不可逆容量大,首次充放电效率低;(2)在充放电曲线中电压滞后现象严重;(3)缺少稳定的电压平台;(4)容量衰减快。科学家们一直在为获得具有更高能量密度和更广阔应用前景的锂离子电池和锂硫电池而努力,由于可充电电池的性能主要取决于阴极和阳极的性能,因此,设计先进的电极材料以及制备具有特定成分和结构的电极成为近年来的研究热点。本文综述了碳纳米材料在构建高性能锂离子、锂硫电池电极材料和特定电极方面的作用。首先,从促进电子和离子传输、固定多硫化物位置以及缓冲体积膨胀三个方面讨论了碳纳米材料在修饰电活性材料的作用;其次,从作为导电添加剂、电流集流体和导电中间层三个方面讨论了碳纳米材料在最优化非活性组分的作用;然后,从作为非导电基体上的导电相、柔性电流集流体和自支撑复合电极三个方面讨论了碳纳米材料在柔性电池设计的作用。最后,本文对碳纳米材料的未来发展趋势作了概述,兼具多种功能的碳纳米材料被认为是今后的研究重点。     

聚合物光伏电池结构调控的研究进展EI北大核心CSCD

聚合物太阳能电池作为一种新型的清洁能源,因其具有质轻、柔性、可穿戴、与环境兼容等突出优势而备受各国政府、企业和科研人员的重视。经过三十多年的发展,聚合物太阳能电池的能量转换效率已经突破10%,体现出良好的应用前景。聚合物光伏电池效率的提高不仅归功于对器件光物理过程的认识,还取决于高性能给、受体材料的合成和器件结构的调控优化。为了梳理近年来聚合物光伏电池所取得的研究进展,文中将从聚合物光伏器件的结构出发,综述活性层形貌调控、界面修饰以及器件构型等方面的研究进展。最后对聚合物光伏器件的发展趋势进行了展望。     

真空磁浮组合材料管道梁结构设计

针对现有钢结构真空管道梁造价高、运输条件受限且安装不便等问题,本文探讨了一种适用于未来长距离运输和车辆条件的组合材料管道梁结构,开展了三种常用跨度管道梁结构的试设计,分析了一联多跨方案对结构刚度和变形的影响。获得研究成果:(1)分层设计方案可充分发挥结构各自特点,降低施工和运输难度;(2)通过试设计获得了常用跨度管道梁的关键参数取值,并以某试验线为例,分析了合理跨度选取的各项因素,获得最优经济跨度;(3)一联多跨方案比选表明联长和跨数的增加可有效提高结构的横、竖向刚度,减小活载变形,对于提升结构运营性能、减少养护工作量有直接作用,但是随着联长的逐渐增加,结构的刚度提升效果将逐渐保持不变;(4)联长的增加会显著加大纵向温度变形,对轨道结构受力影响较大。研究成果可为真空磁浮高架桥梁的设计提供参考。     

真空高温热解炉多均匀化温度优化设计北大核心CSCD

真空高温热解炉是一种研究基元反应的实验装置,其炉内的高温使分子分解成不同的小分子自由基等中间体,中间体再继续反应生成复杂的反应产物。传统热解炉的恒温区只有整个加热区长度的三分之一左右,且炉管末端温度下降过快,导致小分子自由基等中间体在温度的变化下继续发生反应,不利于反应动力学测量。通过COMSOL仿真软件对热解炉内部加热情况进行有限元仿真模拟,并通过热解装置对仿真结果进行实验验证。采用改变主要加热区的电阻丝缠绕密度,以及增加炉管末端出口额外后加热区的方法,实现热解炉内大比例恒温区占比,恒温区比例甚至可以达到加热区长度的80%,以及入口升温迅速、出口降温缓慢可控的效果,大大改善了热解炉内部加热情况,利于在炉管末端取样测量,便于研究基元反应动力学。优化后的新型热解炉也可以应用于其他领域,例如一些材料的热处理、加工、制备、烧结、焊接和镀膜等方面,温度分布的优化对其同样具有重要意义。     

节段模型二元端板合理尺寸估算方法EI北大核心CSCD

节段模型风洞试验作为研究桥梁结构的风致振动响应的主要手段,为了保证节段模型周围流场满足二元流动特性,需要设置二元端板减少端部效应,二元端板尺寸的设置以往大多依靠经验,缺乏定量依据,因此提出一种估算节段模型二元端板合理尺寸的方法。采用数值模拟计算试验断面的二维流场,得到断面不同位置无量纲动压差分布函数F(x,y),同时引入修正系数K考虑位置距离对端部效应的影响,在此基础上得到参数P(x,y),P(x,y)反映(x,y)位置处空气展向流动产生的三维绕流对模型气动力的影响。该值越大,端部绕流的影响越严重。由风洞试验和数值模拟结果得到模型宽度方向P值为10,当模型高度方向P值为15时,所得到的端板尺寸即可有效抑制端部效应。由此值可以反算出二元端板的合理尺寸,并通过风洞试验检验了该方法的有效性。该方法可以为定量确定二元端板的合理尺寸提供借鉴。     

新型高效真空电子束焊机北大核心CSCD

因真空电子束焊机具有焊接能量利用率高、焊接质量好等优点,但目前真空电子束焊机存在辅助工作消耗时间长、消耗能源多的缺点,直接影响着产品的成本和价格。本文针对一空心轴盘形齿轮的焊接,通过对两个关键问题的解决,提出了一种新型真空电子束焊机。首先,实现了全时真空工作仓系统;然后,实现了真空工作仓内的上、下料工作;最后,通过实验,对比了新型焊机和普通焊机的生产效率。实验结果表明,该新型焊机应用于批量生产中,优势明显。对真空电子束技术的发展提供了有价值的参考。     

纳米颗粒的自组装及其在锂离子电池中的应用EI北大核心CSCD

在简要介绍纳米颗粒的基本物理-化学性能及其制备现状的基础上,着重论述了纳米颗粒自组装的类型及原理,总结了纳米颗粒自组装在锂离子电池上的应用研究进展,并指出该应用中存在制备效率低、污染较大等问题,提出今后工作将集中在开发合适组装单元、揭示自组装基本原理、简化制备程序等方面,认为纳米材料合成过程中实现多层次/功能电池结构调控是未来发展的重要方向之一。     

穿越平移断层海底埋地管道屈曲失效分析EI北大核心CSCD

长输海底管道常不可避免地穿过地震断层,地震断层活动可能导致管道发生扭曲、皱折甚至断裂,极大威胁管道安全。采用创新性的向量式有限元方法 (VFIFE)分析穿越地震断层海底管道屈曲失效行为,首先推导考虑材料非线性的VFIFE空间壳单元计算公式,提出适用壳单元的非线性管土耦合模型,然后重点解决了海底管道屈曲及屈曲传播过程中存在的内壁自碰撞接触问题,编制了Fortran计算程序和相应后处理程序。通过文献对比证明了模型的正确性。开展了平移断层作用下空载状态海底管道屈曲失效过程模拟,分析了穿越角度、土体性质和水压大小对海底管道屈曲失效行为的影响,结果表明:海底管道径厚比小,用钢等级高,周围土体强度低,具有更高的抵抗断层位移载荷能力;较低外压和平移断层联合作用下,管道变形呈S形,屈曲失效由断层位移引起的过度弯曲主导,失效模式是第二个弯曲处或者两个弯曲处的受压侧出现明显内陷,截面变形呈椭圆形;穿越角度越小,屈曲失效的临界断层位移越小;周围土体强度越高(砂土>黏土>淤泥夹砂),管道弯曲变形越严重,屈曲失效的临界断层位移越小;较高外压和平移断层联合作用下,屈曲失效由外压主导,主要模式是第一个弯曲处或者第二个弯曲处首先出现压溃,然后发生屈曲传播现象;不同水压和平移断层位移组合下海底管道破坏程度不一,压溃位置、屈曲传播方向和范围、截面变形呈现不同模式。结果可用于指导穿越地震断层海底管道抗震设计和止屈防护研究。     

船舶中压交流真空断路器结构抗冲击性能研究EI北大核心CSCD

船舶机电设备的抗冲击性能是考核设备战时生命力的重要指标。该研究采用冲击试验机试验和数值仿真方法研究了船舶中压交流真空断路器的抗冲击性能。研究结果表明:原样机在冲击试验后出现了由于结构变形引起的技术特性参数变化(断路器一相超程过小);样机模型的应力危险区域主要存在于底板和支撑底座,对该部分结构采用数值仿真方法(频域载荷)改进模型,改进后模型满足抗冲击性能要求;时域载荷作用下断路器模型的瞬态响应特性呈现为垂向响应较为剧烈,横向、纵向较为缓和,且在0.015 s内响应最为剧烈,于0.15 s趋于稳定;两种载荷作用下的模型响应结果较为接近,其中频域载荷应力值统计结果整体略大于时域载荷,选用频域载荷仿真计算更为保守。     

油气管道封堵机器人封堵过程的振动预测EI北大核心CSCD

以管道封堵机器人(pipeline isolation plugging robot,PIPR)为载体的管道维抢修技术是保障管道安全运输的重要手段。针对封堵作业时PIPR的冲击振动现象,分别从运动过程和封堵操作两个方面对其进行振动分析,建立基于双向流固耦合的PIPR动力学模型,对运动过程中PIPR的轴向、径向和俯仰振动进行仿真分析;进行PIPR不同扰流模型的封堵试验,观察不同模型封堵过程流场变化,并以封堵过程的压力梯度衡量PIPR振动情况;提出改进海鸥算法(improved seagull optimization algorithm,ISOA)优化核极限学习机(kernel extreme learning machine,KELM)法,分别建立不同扰流模型的压力梯度代理模型,以实现PIPR的振动预测。结果表明,提出的代理模型可实现不同扰流模型封堵过程压力梯度的准确预测。这对于保障封堵作业的稳定性具有指导意义。     

云顶风电场风机倒塌对埋地管道的冲击影响EI北大核心CSCD

针对中缅管道工程中面临的风机倒塌砸管的安全性问题,在总结风机倒塌的四种常见失效模式的基础上归纳三种工况,利用侵彻力计算公式,对风机倒塌的冲击力和冲击深度进行估算,并结合管道应变设计理论分析了冲击载荷作用下管道的应力应变等参数的变化规律,给出了安全性评价的结果。结果表明:仅风机倒塌冲击时,管道椭圆度变化较大,管道不被破坏,但难以保证管道正常运行;当风机和叶片或者叶片单独破坏时,下侵力较大,管道直接剪断。因此,建议适当加强管道上方叶片的连接强度,以防管道叶片破坏剪断中缅天然气管道事件发生。     

活塞杆颗粒阻尼器优化设计研究EI北大核心CSCD

为探究活塞杆颗粒阻尼器阻尼性能,该研究基于离散元-多体动力学耦合分析方法(discrete element method-multibody dynamics,DEM-MBD),建立了活塞杆颗粒阻尼器仿真模型。通过数值模拟,研究活塞杆颗粒阻尼器颗粒材料特性、颗粒尺寸、活塞杆埋入深度及振动幅值和频率对阻尼性能的影响规律。研究结果表明,颗粒间摩擦效应、活塞杆埋入深度对阻尼性能影响显著,碰撞恢复系数对阻尼性能无影响,并发现振动位移与颗粒粒径相等时阻尼效果达到局部最优值。基于以上结论,该研究进一步研究了一种弹簧预紧力作用下显著提升阻尼性能的活塞杆颗粒阻尼器模型,并通过试验对仿真结果进行了验证,为活塞杆颗粒阻尼器在实际振动控制应用中提供理论参考。