残余应力对压头诱导的硬质薄膜断裂机制的影响

近年来,随着制备工艺的革新,硬质薄膜作为保护涂层已有了广泛的应用.在实际使用过程中,硬质涂层经常承受接触载荷作用.薄膜在接触载荷下易产生环形裂纹,从薄膜的表面起裂并扩展到界面,从而影响材料的可靠性和稳定性.同时,硬质薄膜中的残余应力的存在也将直接影响薄膜的服役周期.基于内聚力模型,采用有限元方法模拟来探究残余应力对压头诱导的硬质薄膜/韧性基底中薄膜本身断裂的影响规律.给出在不同残余应力下薄膜发生环形裂纹的起裂半径、裂纹间距、临界压入深度以及临界载荷,进而对运用压痕法测量薄膜的断裂韧性和工程应用提供指导.     

颗粒表面粗糙度对纳米压痕特性影响研究

对复合涂层的颗粒进行纳米压痕过程中,从最大压入深度计算出的接触面积受到颗粒表面的最高处以及最低处的影响.建立颗粒与基体的纳米压痕有限元模型,计算分析颗粒表面形貌对压痕结果的影响.结果显示:利用颗粒压痕载荷深度曲线计算出的弹性模量与硬度误差随着颗粒曲率的增大而加大.采用一种简单的模型对接触深度的公式进行了相应的修正,最后与有限元分析得到的结果进行比较,所得弹性模量和硬度的误差相对降低,验证了该模型的可行性.     

热机载荷作用下拐折裂纹问题的通用权函数法分析

根据Betti互易原理,推导出二维拐折裂纹问题通用权函数法的普遍表达式,并利用虚拟裂纹扩展技术以及刚度阵导数法,将通用权函数法与有限元法直接耦合,给出了二维拐折裂纹问题通用权函数法的有限元格式。通过实例计算比较,验证了此方法的可靠性和准确性。分析结果表明:通用权函数法可以极大地简化计算过程,具有极高的计算效率。在此基础上应用此方法讨论了拐折裂纹长度、拐折角度对应力强度因子过渡过程的影响。     

随机粗糙微通道内部流动与传质特性

为了研究微通道壁面随机粗糙度对流体流动和传质特性的影响,采用随机排布准则构建具有典型粗糙元类型的随机粗糙微通道壁面,利用有限元方法分析壁面随机粗糙度对流速、压降、流动阻力和传质性能的影响,并给出粗糙微通道内部Poiseuille数和分子传质扩散的近似变化规律。结果表明,流体在粗糙微通道近壁面区域和主流区的流速差异较大,近壁面区域流动分离现象明显;与光滑微通道相比,粗糙微通道内部各位置的压降和Poiseuille数沿着流动方向呈近似线性增大趋势;微通道壁面粗糙度的存在可以强化流体分子的传质扩散速率,但受粗糙度类型和相对粗糙度的影响较大。     

电子束物理气相沉积制备Ni-19.3Cr-20Fe-0.8Al高温合金箔的恒温氧化行为

在空气条件下对电子束物理气相沉积制备的Ni-19.3Cr-20Fe-0.8Al高温合金箔于800℃和900℃恒温氧化100h,通过扫描电子显微镜及附带的能谱仪、X射线衍射仪对氧化后试样的物相组成及氧化行为进行了研究。结果表明:合金箔在800℃恒温氧化的动力学曲线遵守三次方规律,100h的平均氧化速率为1.7×10-10 g·m-2·h-1,氧化膜的外层为致密的Cr2O3,内层为准连续的Al2O3;在900℃恒温氧化的动力学曲线遵守抛物线规律,100h平均氧化速率为5.2×10-10g·m-2·h-1,氧化膜由致密的Cr2O3组成,内部伴有少量的内氧化物Al2O3。     

3D-不对称菱形被动式微混合器混合特性

提高微混合器雷诺数的适用范围和混合强度是微混合器设计的发展趋势。本文基于非对称分离重组混合原理设计、制作了一种3D-不对称菱形被动式微混合器,并借助数值分析方法和可视化实验对混合强度和混合状态的变化进行了研究。研究发现:在低Re(0.01~10)范围内,两组分间的混合以扩散混合为主,随着Re的增加,流速对混合强度的影响有一定下降;在较高Re(10~200)范围内,受流速增加的影响,流体间不平衡微流惯性碰撞逐渐成为影响混合的主要因素。此时,混合强度随流速的增加逐渐增强并趋于平稳。对Re在0.01~200内的微混合器展开研究,分析了宽缝比Ws/S、分合角θ、宽厚比H/S等结构尺寸对混合强度的影响。通过综合考虑流体混合强度和通道压降的变化情况,确定最佳通道结构尺寸为Ws/S=0.2、θ=45°、H/S=0.5,此时微混合器的混合强度可维持在78%以上。与传统平面对称分合式混合器相比,设计制作的3D-不对称菱形被动式微混合器混合强度有较大的提高,验证了本文设计结构的有效性。     

反对称铺设的单曲率椭圆形壳结构双稳态性能研究

通过垂直于圆柱壳方向的圆柱截取反对称铺设的双稳态圆柱壳结构的方法,可得到一种新型 的单曲率椭圆形双稳态壳结构,此结构具有伸展和卷曲两种稳定状态．通过最小势能原理对双稳态 椭圆形壳结构进行理论研究,得到其卷曲半径理论解,并与有限元模拟结果进行对比来研究不同参 数,包括截取半径、圆柱壳的初始半径、铺设层数和铺设角度等对椭圆形壳结构的双稳态特性的影 响．在研究双稳态椭圆形壳结构的过程中,通过对截取半径、圆柱壳的初始半径、铺设层数和铺设角 度等参数的不同设计,可以得到其不同的双稳态形状,可指导新型的双稳态椭圆形壳结构的制备及 应用．     

界面裂纹和印章材料性能对转印技术的影响

转印技术是多种高性能柔性电子器件的制备过程中常用的技术,主要过程是通过印章将微纳 米材料从源基体转印组装在目标基体上．转印过程中,印章、微纳米材料和基体组成三明治结构,包 括印章／微纳米材料和微纳米材料／基体两个界面,两个界面竞争分层,直接决定转印的成败．基于 有限元方法计算界面裂纹尖端能量释放率,探究两个界面竞争分层机制,确定界面裂纹及印章材料 性能对转印的影响,提出利于转印的方法,为柔性电子器件的制备提供技术指导．     

双稳态结构驱动的可变形机翼模型研究

探讨可变形机翼中使用双稳态复合材料层合壳结构驱动其变形的潜力。基于最小势能原理,采用有限元法对不同铺层形式、不同材料组分的反对称双稳态复合材料层合壳的力学模型进行了数值模拟和详细讨论,计算确定结构几何尺寸和材料参数对结构卷曲半径的定量影响程度。进而,运用研究得到的层合壳的结构性能,对三种机翼变形方式包括机翼的弯曲变形、平面变化和弦长改变采用双稳态结构驱动进行了分析和讨论,初步探讨其应用于可变形机翼的适用性,并给出一些有益的结果。     

金字塔点阵复合材料结构力学性能分析与优化

金字塔点阵复合材料是一种轻质、高强的新型材料,又具有隔热、隔振和电子屏蔽等多功能可设计性,是极具潜力的先进多功能材料。采用有限元软件ABAQUS建立金字塔点阵结构平压和剪切模型,分析等效平压和剪切性能。进而建立含多层铺层的点阵复合材料力学模型,通过理论值计算其平压模量和剪切模量,用ABAQUS计算等效平压刚度和剪切刚度,得出平压和剪切模量,并与理论解对比验证数值分析的正确性。对于对称铺层的点阵复合材料结构,改变铺层层数、铺层角度,倾斜角等多种几何工艺条件,采用ABAQUS数值分析平压模量和剪切模量,得到相应的优化结果。