X型超轻点阵结构芯体（I）：概念的提出、材料制备及实验

提出一种新型的超轻点阵芯体结构,在此简称为X型芯体.针对该结构提出一种钢板网冲压-钎焊技术,制备出周期性的X型点阵芯体夹层板.通过压缩和剪切性能测试表明,与具有相同密度的金字塔结构比较,X型点阵芯体结构的压缩和剪切峰值强度均提高约30%,以及更高的幅度的plateau平台.研究表明金字塔点阵中的四根杆通过俩俩交错形成X型芯体结构,杆交错形成的二维结点能有效地提高单元体在压缩和剪切变形中的非弹性屈曲抗力.     

结构随机响应计算的一种数值方法

摘要应用降维数值积分和C型Gram．Charlier级数展开方法，基于有限元理论讨论了随机结构响应概率分布的计算问题．首先依据正交多项式权函数与随机变量概率密度函数的关系，给出了随机响应统计矩计算的降维数值积分公式；进而应用C型Gram—Charlier级数逼近获得了随机响应的概率密度函数；提出了基于有限元方法求取结构随机响应概率分布的计算流程．数值算例中介绍了平面十杆桁架结构最大位移的概率分布、由随机参数表征的某型车架固有频率计算和弯管结构随机VonMises应力分析问题，所得结果同蒙特卡罗数值模拟结果进行了对比验证．结果表明：文中计算流程能够获得较为准确的随机响应概率分布，特别是对概率分布尾部的估计精度达到10^-44-10^-3数量级，为机械结构安全性分析与设计打下基础；同时，算法的计算效率较高，与传统的数值模拟方法相比通常能够节约计算资源消耗两个数量级以上；第三，算法流程实现简单，不需要计算结构响应对基本随机参数的梯度和二阶灵敏度信息，也不需要对结构有限元矩阵的修改，因此可以充分发挥现有成熟有限元程序的优点，在个人计算机上实现工程随机问题的分析与计算．     

采用流体网络与气热耦合方法的涡轮叶片复合冷却结构改型设计

将流体网络方法应用于高性能涡轮叶片复合冷却结构的设计中，开发了气热耦合数值计算方法，并对其进行了可靠性验证．对采用复合冷却方式的某型高压动叶内部冷却结构进行基于流体网络分析的快速预测，评估其气动与传热特性．针对网络分析结果，提出3种改进措施，即调整不同冷却通道冷却气体流量、减小通道转弯结构流阻、以及调整局部高温区的内冷几何结构．通过全三维燃气．固体叶片一冷却气流耦合计算验证，指出改型设计降低了叶片表面最高温度，整体温度分布更加均匀，冷气入口参数匹配合理．结果表明，计算方法大大缩短了涡轮叶片复杂冷却结构的设计周期．     

高速铁路用水泥乳化沥青浆体的物理结构

基于硬化硅酸盐水泥浆体的Powers理论和水泥乳化沥青浆体的配合比,通过理论计算和X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线谱仪(EDAX)等相分析方法,分析了硬化水泥乳化沥青浆体的物相组成与微结构.结果表明,硬化水泥乳化沥青浆体的物相组成与微结构取决于沥灰比和水灰比.提出了表征硬化水泥乳化沥青浆体物理结构的两种结构模型,以沥青为连续相、水泥相为分散相的有机-无机复合胶凝体结构模型—I型模型;以水泥相为基体、沥青嵌入其中的无机-有机复合胶凝体结构模型—II型模型.为深入分析高速铁路板式无砟轨道结构中水泥乳化沥青砂浆的微结构参数和力学性能及其衰变规律奠定了基础.     

TCVI工艺制备C／C复合材料的多物理场耦合模拟

采用2D轴对称瞬态模型对热梯度化学气相渗积（TCVI）22艺制备高性能C／C复合材料过程进行模拟．模型包括对流、热传导、扩散、沉积反应和孔隙演变等物理化学过程．采用有限元方法实现了多物理场迭代耦合计算，得到了各时刻流场、温度场和密度分布规律，研究表明对流对温度场分布具有重要影响．对于采用TCVI工艺致密化100h的C／C复合材料，对比实验测得的预制体平均密度径向分布，计算结果与实验结果符合一致规律，验证了模型的可靠性和模拟计算的预测能力．     

RNA二级结构预测的模糊模型

基于模糊集合理论，提出了RNA二级结构预测的模糊模型．该模型通过状态空间的模糊分割以及模糊目标的引入等，可有效利用模糊动态规划算法给出该模糊模型的最优决策序列，并进而获得待预测RNA最优与次优的二级结构．基于模糊模型的方法具有许多优点，如计算复杂性的降低，最优与多个次优二级结构的一并获得，以及定性先验知识的有效融入等．完整地给出了RNA二级结构的模糊模型及其计算方法，并进行了具体的实现．将一个具体的BJK模糊模型结构实际应用于tRNA及tmRNA的数据集中，并与基于最小自由能的mfold工具以及基于SCFG的BJK文法模型进行了比较研究．实验结果表明该模型的有效性，相应的预测精度得到了进一步的提高．     

能够实现芯区均匀场的几种三层平板波导结构

通过对非线性包层三层平板波导典型实例的理论研究和数值计算，发现存在5种波导结构，当光功率合适时，芯区场能够实现均匀分布，此时包层场分布呈指数衰减. 分别给出5种结构的场分布曲线. 波导芯区中存在均匀场分布，对于波导、光电子及光子器件具有潜在的应用前景.     

能够实现芯区均匀场的几种三层平板波层结构

通过对非线性包层三层平板波导典型实例的理论研究和数值计算，发现存在5种波导结构，当光功率合适时，芯区场能够实现均匀分布，此时包层分布呈指标衰减，分别给出5种结构的场分布曲线。波导芯中存在均匀场分布，对于波导、光电子及光子器件具有潜在的应用前景。     

基于格子Botlzmann方法的三维多孔介质中多相导热过程的研究

建立了模拟三维多孔介质中多相导热过程的格子Boltzmann模型，结合三维多孔介质重构算法，从孔隙尺度对CPL／LHP毛细芯中的瞬态导热过程进行了模拟，计算了不同条件下毛细芯内温度分布，分析了热负荷、孔隙率等因素对导热过程的影响，并计算了三维多孔介质的有效导热系数．     

基于均匀化理论的缝洞型介质渗透性分析

针对缝洞型介质的特点,提出了离散缝洞网络宏观流动数学模型.该模型将缝洞型介质划分为岩块系统,裂缝系统和溶洞系统,其中裂缝和溶洞嵌套于岩块中,并相互连接成网络,岩块和裂缝系统视为渗流区域,溶洞系统视为自由流动区域.基于均匀化理论对离散缝洞网络宏观流动数学模型进行了尺度升级分析,推导得到了大尺度上的等效Darcy流动方程,并给出了缝洞型介质等效渗透率张量的理论求解公式.通过算例验证了本文方法的正确性,最后分析了不同缝洞结构多孔介质的渗透性.     

平板热管多孔毛细芯等效导热系数预测

本文以平板热管多孔结构毛细芯为研究对象,深入分析了毛细芯等效导热系数的影响因素及变化规律.针对多孔毛细芯微观结构随机分布且固相骨架相连的特点,采用扩散受限聚集模型对多孔毛细芯进行三维重构,对受限空间气体热导率进行计算,并采用有限容积法对模型在稳态导热条件下的传热性能进行了数值计算,研究了在孔隙率和颗粒直径对多孔毛细芯等效导热系数的影响规律.研究表明,受限空间内气体导热系数远低于自由空间内的导热系数,标准大气压下仅为0.00986 W/m K;由于尺寸效应的影响,固体导热系数约为块材导热系数的0.9倍;经计算,毛细芯等效导热系数随孔隙率的增大呈减小趋势,且在颗粒直径越小的情况下变化越显著,如颗粒直径为40μm时,孔隙率0.4情况下的气固耦合等效导热系数为12.14 W/m K,约为孔隙率0.7时对应的导热系数(3.89 W/mK)的三倍;颗粒直径对多孔毛细芯导热系数影响显著,小孔隙率下等效导热系数随颗粒直径的增大而减小,大孔隙率情况下趋势相反.孔隙率为0.5的毛细芯等效导热系数与实验测试值偏差为12.1%,文章提出的模型适应性较好.     

功能驱动的超材料结构数字化设计与3D打印

本文提出了一种以功能驱动的超材料结构数字化设计新方法,以实现电磁波传播方向90°偏折的伊顿(Eaton)透镜为典型应用目标,研究了其介电常数理论分布模型的数字化离散方法,获得了三维90°伊顿透镜介电常数离散化分布工程模型;通过理论计算建立起超材料单胞结构几何参数(木堆单胞结构柱宽ω与单胞尺寸a)与其等效介电常数之间的映射关系,从而实现三维90°伊顿透镜的工程模型向结构模型的转化;以光固化树脂(介电常数为3)、混合液体介质(介电常数从2.2到40)为原材料,采用光固化3D打印工艺,实现了液固耦合的三维90°伊顿透镜宏/微结构一体化制造;通过仿真和实验测试表明,所实现的三维伊顿透镜能够调控入射电磁波的传播方向,实现入射电磁波的90°偏折,且在12～18 GHz频段范围内具有宽频特性.本文所提出的数字化设计方法与3D打印工艺相结合,为实现面向电磁波传播调控的新型电磁波器件提供了一种途径.     

各向异性开孔弹性泡沫的压缩大变形分析与模拟

通过将规则Kelvin模型沿某一方向伸长,而保持与其垂直方向的原有尺寸不变,得到了结构各向异性的胞体模型;然后,利用其在整个空间具有的周期性和对称性得到了简化后的周期性结构单元,并类似于已有文献中的做法,采用半支柱求解单元和弹性挠曲理论来分析其力学行为,获得了沿胞体伸长以及垂直于胞体伸长两个不同方向上的应力、应变的理论表达式和相应的压缩应力-应变曲线;并且,利用有限元模拟方法对上述理论预测结果进行了验证.结果表明:在应变不太大时,理论预测与有限元数值模拟结果非常接近,证明了理论分析的有效性;各向异性比对泡沫材料的力学性能影响显著,随着各向异性比的增加,在相同应变下,压缩应力在胞体伸长方向得到提高,而在垂直于胞体伸长方向则表现为下降.     

冲泻区水动力特性的数值分析

基于三维非稳态的Navier．Stokes方程，采用有限体积法进行数值离散，在构造高分辨率STACS格式的VOF方法的基础上，建立基于气液两相流的三维自由面流动模型，并基于该模型对三维剪切流场和圆柱水体坍塌进行了三维模拟，检验其数值精度．应用该模型数值研究冲泻区内涌波（bore）在均匀斜坡上的动态传播过程．对上爬水流自由面水位高度与实验数值进行对比，结果显示数值解与实验解吻合较好，模型能很好描述水流的掺气运动．数值分析了涌波崩塌（BoreCollapse）、上冲流（Uprush）和回落流（Backwash）等过程中的自由水面、瞬时流速及床面最大剪切应力的时空分布．结果表明，冲泻区水动力结构时空变化非常复杂，模型能捕捉到高速薄层水流结构，优于前人的数值结果，研究有利于进一步了解冲泻区内的泥沙输运规律及岸滩演变机制．     

基于均匀设计法的有限元网格划分与精度提高

本文首次运用均匀设计法的理论到有限元网格划分与精度提高领域，借助MATLAB程序计算，可以得出网格划分的关键点。运用二次开发的理念，在有限元网格划分时进行二次优化。具体思路是在求解同一个工程问题时，分别用均匀设计的方法计算得出结果（应力最优点），再与有限元方法计算得出结果（应力梯度）比较，应力变化图如果吻合，可以在有限元划分网格时使用MATLAB优化的关键点来加密网格。因为结果相等说明均匀设计得到的优化点等价于变化梯度大的点，加密梯度变化大的点当然精度更高。后面的计算结果证明均匀设计法相对自适应网格划分时的优越性，为全部单元都加密时带来结果失真的问题提供了一种有效的解决方法。     

港口非线性波浪三维耦合计算模型研究

建立了外域用差分求解高阶Boussinesq方程、内域用有限元求解Laplace方程的三维非线性波浪对船作用的时域计算耦合模型.研究了该类三维耦合模型的匹配条件,耦合求解过程和内域、外域公共区域长度的确定,探讨了内域有限元网格的剖分方法.把该耦合模型的计算结果与实验结果、内域用Euler方程的耦合模型计算结果进行了对比,结果表明该耦合模型具有满意的精度,适用于模拟较大区域内波浪对三维船等固定物体的作用,为今后近海岸大区域非线性波浪对三维非规则物体作用的时域计算和三维分区计算提供了参考.     

一种基于证据理论的结构可靠性优化设计方法

针对包含认知不确定性的结构可靠性问题,提出了一种基于证据理论的可靠性优化设计方法.首先,在优化过程中基于代理模型对迭代点处各约束进行可靠性分析,计算其似真度;其次,通过证据变量均匀化方法构造了一种证据理论可靠性的近似梯度计算方法,从而可采用基于梯度的常规优化算法进行优化求解;最后,数值算例和工程算例表明了本方法的有效性.     

倒T型混凝土结构温控防裂措施的运用与探讨

以水闸工程实例为依托,针对倒T型混凝土结构:如地涵、泵站、渡槽、水闸、导墙、挡土墙等在施工期容易开裂的问题,应用三维不稳定温度场有限元仿真计算程序,计算并分析了表面保温及减小底板后期约束对倒T型混凝土结构的温度和应力的影响,提出合理的温控防裂措施,取得了良好的工程效果.     

微生物细胞溶胶-凝胶法磁性化研究

以微生物细胞为模板可制备具有多样形状的磁性或导电微颗粒．本文探讨微生物细胞溶胶一凝胶法磁性化的可行性，以尺寸在微米级的具有天然螺旋形体的微生物材料螺旋藻的细胞为模板进行细胞溶胶．凝胶法包覆磁性材料铁氧体的工艺研究，并通过光学显微镜、扫描电镜、电子能谱、透射电镜、X射线衍射对其细胞形态、表层成分、相结构进行观察与分析．结果表明，螺旋藻细胞经溶胶．凝胶处理后表面能包覆上铁氧体材料；其天然螺旋形体可保持良好，得到的单体表面磁性层厚度、成分基本均匀，在文中试验条件下，细胞表层铁氧体为立方尖晶石结构的Fe3O4；还可观察到细胞内部有纳米颗粒产生，同时细胞间横壁也有沉积．还探讨了微生物细胞溶胶．凝胶法磁性化工艺过程的物理化学反应机理．     

叶轮内部流动分析及结构优化

借助计算流体流动和传热问题的三维流体计算软件FLUENT，对单级离心压缩机模型的叶轮内部流场进行了数值模拟，揭示了其内部流动规律；并找出计算模型结构设计中存在的问题，有针对性的进行结构优化。