环状SMP复合结构屈曲形貌调控和实验表征

环状形状记忆聚合物表面失稳形成微屈曲结构的实现难点之一,在于屈曲特征的控制,即屈曲波数与波长的调控.首先选取椭球模型,推导出环状基底上薄膜屈曲的特征公式.然后,应用有限元软件,模拟研究薄膜厚度、曲率半径、模量比等特征参数对环状基底上薄膜屈曲的影响.结果表明:有限元模拟特征参数对屈曲的影响与理论公式基本吻合.最后利用实验室现有条件,制备环状形状记忆聚合物膜基结构,并进行相关的热力学验证实验.     

液体表面非均匀薄膜失稳的力学研究

以液体为基底的膜基系统广泛存在于自然界中,并且在功能表面制备等工程领域中广泛应用。从力学角度对液体表面非均匀薄膜的失稳过程进行研究,建立了几何和材料非均匀性与薄膜失稳模式的关系。采用数值模拟手段,研究了缺陷部分的长度、位置和弹性模量参数对薄膜表面失稳形貌演化过程的影响。通过实验实现带有预制缺陷的聚酯(PET,polyethylene terephthalate)薄膜在水表面的失稳,得到了与数值模拟结果相一致的失稳形貌,进一步利用预先涂覆未固化模具胶的方法,将失稳形貌复制形成模具。研究工作可以为液体表面薄膜失稳形貌的优化设计提供指导,并为特定特殊形貌薄膜的制备提供途径。     

溅射沉积TiO_2薄膜结构及性能的基础研究

采用超高真空反应射频磁控溅射方法,利用高纯Ti靶在光学玻璃基底上制备具有一定厚度的TiO2薄膜样品.通过扫描探针显微镜对其表面形貌进行观测和分析,利用XRD初步探讨了退火对薄膜结构及其透射率的影响,并研究了不同O2/Ar流量比对薄膜沉积速率的影响.     

金属亚波长小孔的光传输特性仿真模型

用三维全矢量有限元时域差分方法计算了亚波长单孔以及二维周期性孔阵列的超透射特性,分析了平面波光源通过金属圆孔点阵后,透射曲线随着点阵周期、孔径、金属薄膜厚度、介质材料和金属材料变化的规律,以及局域表面等离子体和表面等离子体共振对超透射现象的影响.证实了表面等离子共振对透射曲线中透射谷的位置起到决定性作用,而透射峰的位置除了受到介质、金属材料和点阵周期的影响之外,还会随着金属薄膜的厚度的减薄和亚波长圆孔孔径的增大出现红移.用聚焦粒子束刻蚀制备了金/氧化硅演示结构,实测与仿真结果具有较好的一致性.     

弹性薄膜裂纹的应力强度因子分析

对裂纹垂直于薄膜与基底交界面,且尖端达到了交界面的情形进行分析.基于Beuth理论,把模型简化为平面应变问题,并通过有限元分析程序评价了具有裂纹的薄膜-基底结构的断裂机理,得到了薄膜与基底的不同弹性错配及不同厚度比率对薄膜裂纹的应力强度因子的影响.结果表明：对于β=0和β=α/4的条件下,应力强度因子的幅值随着α值（-1＜α＜＋1）的增大而减小,其误差小于5%.     

偏压对电弧镀TiN薄膜结构和机械性能的影响

采用SA-6T电弧离子镀设备在抛光后的W18Cr4V高速钢表面沉积TiN薄膜,在其他参数不变的情况下,考察偏压对薄膜结构和机械性能的影响.通过扫描电镜观察了TiN薄膜的表面形貌,采用X射线衍射仪对结构进行物相分析,利用XP-2台阶仪测试了薄膜的厚度,并用纳米压痕仪和多功能表面测试仪分别对薄膜的硬度和膜基结合力进行测量.结果表明：随着负偏压的增加,具有面心立方结构的TiN薄膜沿（111）密排面的择优生长明显加强;薄膜厚度（沉积速率）呈现先增大后减小的趋势,在负偏压为100V时达到最大;薄膜综合力学性能在负偏压为200V时达到最佳.     

膜厚对柔性ZnO∶Ga透明导电薄膜结构和电学性能的影响

室温下采用直流磁控溅射法在PI衬底上制备出具有优异光学性能的ZnO∶Ga透明导电薄膜.研究结果表明,制备了具有C轴择优取向的六角纤锌矿结构的多晶GZO透明导电薄膜.讨论了薄膜厚度对PI衬底上制备ZnO∶Ga薄膜的结构、表面形貌和电学性质的影响.实验数据表明,一定同质缓冲层可有效降低薄膜应力,改善薄膜性能,所得GZO薄膜厚度为129nm时,电阻率具有最小值3.2×10-4Ω.cm.     

Cr缓冲层对SmCo/Cu薄膜结构及形貌的影响

研究了不同厚度SmCo薄膜的结构以及Cr缓冲层对SmCo/Cu薄膜结构、形貌及性能的影响.结果表明,对于较厚的SmCo薄膜,延长退火时间可有效提高样品的结晶度;Cr缓冲层能够提高样品表面的平整度,降低SmCo平均晶粒尺寸,增强SmCo（002）衍射峰与Cu（111）衍射峰强度之比（R）,从而提高样品的磁性能.同时发现,SmCo/Cu薄膜的磁性能可以通过调节Cr缓冲层厚度进一步得到优化,其中通过调控缓冲层厚度提高R值,形成Cu（111）与SmCo（002）织构,是提高SmCo5/Cu薄膜磁性的关键所在.     

掺铬类石墨薄膜摩擦学性能研究

采用非平衡磁控溅射离子镀技术,以电流控制方式在高速钢和硅基底上制备了不同C r含量的C/C r类石墨薄膜,测量了类石墨膜的显微硬度、膜基结合强度、摩擦系数和比磨损率,分析了薄膜的相结构,观察了薄膜的表面和断面形貌。结果表明:所制备的类石墨薄膜随C r含量的增高,硬度逐渐降低,结合强度先增后降,摩擦系数和比磨损率则先降后升;类石墨膜是含有多种纳米晶的非晶结构;金属元素C r含量影响了类石墨碳膜的表面形貌和组织结构。当C r含量在0.5%~2.5%时,薄膜表面光滑而结构致密,摩擦系数小且比磨损率低,膜基结合强度高,具有良好减摩耐磨性能。     

凸型加筋锥柱结合壳深水爆炸失稳特性研究

为研究凸型加筋锥柱结合壳结构在深水爆炸载荷作用下的动力学响应以及在此过程中伴随的失稳特性，采用ABAQUS有限元软件中的声固耦合算法开展了300 ~500 m水深条件下深水爆炸数值模拟研究，基于结构挠度变化的失稳判据，分析总结了加筋锥柱结合壳的失稳模式，获得了加筋锥柱结合壳临界失稳载荷和临界失稳挠度随水深和壳体结构参数的变化规律. 结果表明，水深条件、壳体半径、壳体厚度以及结构锥角对结构稳定性有较大影响，而腹板厚度对结构的稳定性影响不大. 在此基础上，运用量纲分析的方法结合模拟得到的临界失稳数据建立了结构在常见失稳模式下结构临界失稳判据的计算公式.      

弹性薄膜—基底结构界面裂纹的能量释放率

为研究弹性薄膜与基底交界面的薄膜裂纹问题,基于Beuth理论,将薄膜—基底结构的三维模型简化为平面应变模型,利用有限元分析程序计算薄膜裂纹断裂能量释放率Gs,并分析薄膜与基底的弹性错配及厚度比率对Gs的影响。结果表明：β=α/4时,Gs的幅值随着α（-1〈α〈1）的增大而增大。当α为负值时,Gs具有稳定性;反之,Gs具有不稳定性。Gs随着薄膜厚度的增加而增加,当hs/hf〉2时,其变化较小。该研究为工程实践提供了理论参考。     

双复合材料结构基底厚度对薄膜裂纹的影响

针对薄膜-基体双复合材料结构的薄膜裂纹问题,研究了薄膜材料的力学行为,进行了裂纹垂直于薄膜与基底交界面,且尖端未达到交界面情形下问题的分析.基于Beuth理论,把模型简化为平面应变问题,并通过有限元分析程序评价了具有裂纹的薄膜-基底双复合材料结构的断裂机理,得到了薄膜与基底不同的弹性错配及薄膜与基底的不同的厚度比率,对薄膜裂纹应力强度因子的影响.结果表明:随着hs/hf的减小,应力强度有很大幅度的提高,当hs/hf≥10时,基底的厚度对薄膜裂纹的影响较小,可以忽略不计;当薄膜-基底结构退化为单一材料时,应力强度因数趋向于1.     

膜基组件的微硬度量测与膜体力学参数的顺序辨识

本文采用量纲分析得到膜基组件微硬度量测的若干标度律,并在分阶段辨识模型下应用轴对称弹塑性有限元计算对膜体的力学参数(弹性模量、屈服应力)进行了顺序辨识。     

薄膜表面粗糙度对内应力测量的影响初析

薄膜表面粗糙度对内应力的测量产生复杂的影响。文章通过理论分析和计算 ,得到如下结论 :表面粗糙度使得内应力的测量值小于其真实值 ;当表面粗糙颗粒可以用球体描述时 ,粗糙度对内应力测量值的影响仅取决于球状颗粒与表平面之间的接触角 ,而与颗粒的半径大小无关 ,若颗粒恰为半球体 ,内应力测量值与实际值之比为 0 .785 4;当粗糙表面轮廓线可以用正弦曲线表示时 ,上述影响则取决于正弦波的波幅和波距之比。     

动荷载作用下沥青路面的表面裂缝扩展研究

【目的】研究沥青路面表面裂缝在动荷载作用下的扩展行为,分析完整沥青路面结构和含表面裂缝结构的负荷响应,探讨应力强度因子K₂随着荷载变化的规律,以及表面裂缝在扩展过程中K₂的敏感性,为公路工程中路面结构抗裂设计提供一定理论依据。【方法】应用有限元软件ABAQUS建立沥青路面表面裂缝结构模型,基于动力学理论对交通荷载作用下沥青路面结构进行数值计算。【结果】动荷载作用下,完整沥青路面的表面弯沉较静态荷载有所减小,随着裂缝扩展深度的增大,弯沉值会逐渐增大; 动应力强度因子K₂的变化曲线较荷载变化曲线具有一定的滞后性,且最大值大于静态荷载下K₂的值; 表面裂缝向下扩展过程中,K₂在扩展前期增长速率较快,扩展至面板厚度一半后,K₂的增长速率逐渐放缓; 减小面层模量、增大基层模量和厚度,能够较好地抑制表面裂缝的扩展,其余参数则影响较小; K₂随着行车荷载的增大呈线性增长趋势,裂缝扩展越深K₂增加越显著。【结论】延长含表面裂缝的沥青路面结构的使用寿命,较好的方法是减小面层动态模量,适当增大基层的动态模量以及增大基层的厚度。     

高等级公路路面沥青层剪应力分布研究

采用实测轮胎接地有效面积和接地压力,通过编写Fortran程序将交通荷载转化为移动均布荷载,对三维多层的沥青路面进行有限元动态分析,得到路面沥青结构层剪应力沿深度方向的分布规律.结果表明,不同荷载条件下路面沥青层剪应力的差异明显,水平力对剪应力亦有较大影响;路面面层回弹模量、泊松比及基层回弹模量对剪应力的影响均比较显著.     

PEMFC边框密封结构的仿真与优化

质子交换膜燃料电池的边框一般通过黏结剂黏接在质子交换膜上，在保护质子交换膜的同时，还起到密封作用。燃料电池长期工作在复杂的环境下，边框和黏结剂的性能均会发生疲劳衰减，导致被剥离或破坏，进而影响燃料电池的气密性。因此，以边框和黏结剂的搭接试件为对象，结合内聚力模型和有限元软件设计了多种边框结构，研究了新结构对黏结性能的影响。结果表明：在低弹性模量的边框表面做三角形或梯形的凸形结构，将有效提升黏结结构的分离位移，但对于高弹性模量的边框，新结构反而会降低黏结性能；此外，优化结构的尺寸、形状对搭接模型黏结性能也有影响，当凸三角形底边长为1.5 mm时，搭接模型有最好的黏结性能。     

型钢混凝土结构施工过程时变效应计算

基于型钢混凝土(SRC)构件实际受力机制,引入主从约束方法推导了型钢混凝土组合构件子结构单元模型,解决了徐变效应下钢和混凝土的协同工作问题.采用有效模量法(AEMM)与有限元法相结合的徐变计算理论,以Visual C++和ObjectARX为工具研发了高层型钢混凝土组合结构施工过程分析软件(SRCCM),并与通用有限元软件进行对比分析,验证了软件的正确性.算例表明:采用主从约束方法的子结构单元模型能够合理地反映型钢混凝土构件实际受力机制,基于该模型所编制的高层型钢混凝土组合结构施工过程分析模拟软件能够在工程实际中应用.     

地铁车站端头井施工数值模拟参数的确定

数值模拟能够有效分析深基坑开挖引起的围护结构变形和地表沉降问题,但模拟时所用主要参数目前还没有公认的确定方法。以上海市某地铁车站新建深基坑工程端头井段为例,使用有限元软件ABAQUS对施工过程进行模拟,使用正交试验方法研究了数值模拟所用土层参数的重要性,分析了不同土层参数对围护结构水平位移影响的敏感性,使用反分析方法提出了基坑开挖过程有限元数值模拟时参数的确定方法。结果表明：有限元数值模拟时对连续墙水平位移影响最大的参数为弹性模量、泊松比;数值模拟时,淤泥质黏土和淤泥质粉质黏土的模量比（弹性模量与压缩模量的比值）可取3.25～3.35,黏土和粉质黏土的模量比分别可取3.67,5.69～5.81,粉土、粉砂的模量比分别可取6.14,6.17～6.44,模量比取值从小到大对应的土层分别是黏性土、粉性土、砂性土;淤泥质土泊松比与勘察所得泊松比的比值为1.05～1.12,其他土层的泊松比与勘察结果的比值为0.90～1.05。