基于非均匀光滑有限元法的功能梯度压电梁自由振动分析

为了提高求解功能梯度压电材料动响应的精度,克服有限元系统刚度偏硬的缺点,提出非均匀Cell-based光滑有限元法。基于单元的梯度光滑操作,考虑材料物性沿宽度方向呈梯度连续变化,推导非均匀Cell-based光滑有限元法的基本公式,分析功能梯度压电悬臂梁的材料物性参数遵循不同梯度分布规律时结构自由振动的固有频率与振型,并与FEM求解结果进行对比。研究结果表明:光滑梯度操作可降低有限元系统的刚度,非均匀Cell-based光滑有限元法的数值解更加接近真实解,从而可为功能梯度压电材料的进一步应用提供参考。     

力电湿多物理场耦合Cell-Based光滑有限元法研究

为了解决压电结构在实际工程应用中受到空气湿度影响的问题，基于压电材料的本构方程、几何方程和平衡方程提出了力电湿多物理场耦合Cell-based光滑有限元模型.建立了一种新型压电俘能器，并对其简化模型的静力学性能进行求解，对比了不同湿度变化对结构性能的影响.与有限元法的计算结果对比，Cell-based光滑有限元法采用较少的网格就能够达到与有限元法采用较多的网格相同的精度，验证了本方法的正确性和有效性.研究发现，较小的湿度变化给结构的广义位移带来了较大的影响.压电结构在潮湿环境下的性能研究为复合材料产品化过程提供了理论依据.     

基于Node光滑有限元的机电虚拟裂纹闭合法

为提高求解压电材料断裂参数的精度,提出EVCCT压电单元,推导了含裂纹压电材料的机电虚拟裂纹闭合法.将基于Node光滑有限元法和机电虚拟裂纹闭合法引入到含裂纹平面压电材料问题中,建立了含裂纹压电材料的NSFEM-EVCCT,对不同载荷和裂纹长度下含中心裂纹的压电材料的能量释放率进行了求解,并与FEM-EVCCT和理论解做了对比,数值算例结果表明:NSFEM-EVCCT改善了FEM-EVCCT的刚度,具有高精度、继承了VCCT的优点,只需一步数值分析;可分别求解机械应变能释放率和电能释放率,且求解表达式简单、编程容易实现,是压电材料含裂纹问题的有效数值计算方法.     

界面裂纹的Cell-Based光滑有限元法研究

为提高求解含界面裂纹结构断裂参数的精度,基于界面断裂力学和Cell-Based光滑有限元法,提出了求解双材料界面裂纹断裂参数的Cell-Based光滑有限元法,给出了求解应力强度因子的光滑子域交互积分法,对含中心界面裂纹双材料无限板进行了模拟,并与FEM计算结果和解析解进行了对比,讨论了光滑子元数和单元个数与正则应力强度因子的关系及其收敛性.数值算例结果表明该方法具有很好的收敛性和精度,可为研究人员和工程师设计制造多层材料提供必要参考.     

含裂纹压电材料的扩展无网格伽辽金法

为提高含裂纹压电材料结构分析的求解精度,基于压电材料断裂力学理论,在传统无网格伽辽金法近似函数中引入扩展项来描述裂纹处不连续位移场及电场,提出了含裂纹压电材料的扩展无网格伽辽金法.该方法能很好地模拟裂纹尖端奇异性,并且节点影响域的连续性不受裂纹线的影响,无须引入可视准则与衍射准则,易于编程实现.讨论了不同节点分布、不同裂纹长度对强度因子计算结果的影响,与解析解、常规无网格伽辽金法及有限元法的计算结果进行了比较,数值算例结果表明本方法正确可行且具有较高的精度.     

基于随机场正交展开理论的Cell-based随机光滑有限元方法

为解决工程结构中随机参数大变异问题,提出基于正交展开理论的Cell-based随机光滑有限元方法.该方法采用Karhunen-Loève级数将随机场分解为不相关随机变量,再使用混沌多项式将位移随机响应展开,将展开后的随机场及位移响应引入到Cell-based光滑有限元中.详细推导了基于正交展开理论的Cell-based随机光滑有限元平衡方程,进一步给出了结构位移均值与协方差矩阵的计算公式,具有对网格要求低、计算精度高的优点,并对材料特性具有随机性的带孔方板的随机响应问题进行了分析,数值算例结果表明该方法是正确有效的.     

含裂纹复合材料的Cell-based光滑扩展有限元法

为克服有限元法(FEM)某些固有的缺陷,提高计算精度,将Cell-Based光滑有限元法(CSFEM)与扩展有限元法(XFEM)相结合,提出光滑扩展有限元法(CS-XFEM).用该方法对含中心裂纹和斜裂纹的正交各向材料板进行模拟,并与FEM,XFEM和BXFEM(bimaterial extended finite element method)计算结果进行对比.数值算例结果表明,CS-XFEM兼具CSFEM和XFEM两者优点:单元网格与裂纹面相互独立,裂尖不必是单元节点,裂尖处网格也不需要加密,域内积分可转化为边界积分,形函数不需求导,对网格质量要求低;因此是分析断裂问题的简洁高效的数值计算方法.     

基于ABAQUS平台的机电虚拟裂纹闭合法

为提高求解含裂纹压电体的能量释放率的计算效率和精度以及减少程序编写与调试的工作量,针对四节点平面压电单元提出了机电虚拟裂纹闭合法计算公式.基于通用商业有限元软件ABAQUS,开发了哑节点断裂压电单元,编写用户自定义子程序UEL,该单元可独立求解总能量释放率分量,对不同材料和裂纹长度的含裂纹压电体的能量释放率分量进行了求解,与理论解作了对比,讨论了不同形式网格对求解精度的影响.数值算例结果表明,哑节点断裂压电单元具有精度高、简单方便和对网格尺寸不敏感等优点.     

基于分层法功能梯度压电材料单裂纹的受力分析

功能梯度压电材料是材料属性连续变化,各向异性的力电耦合材料。基于功能梯度压电材料的本构关系、几何关系和边界条件,利用软件ABAQUS建立了通用有限元模型。采用分层法进行材料的梯度仿真模拟,求解出含单裂纹的功能梯度压电材料板的断裂力学问题,表明功能梯度压电材料能够缓解材料的应力集中。详细讨论了当功能梯度参数增大时,裂纹周围应力变大;椭圆形裂纹应力集中程度要大于圆形裂纹;裂纹几何尺寸越小,裂纹周围应力越大,结构更加容易破坏。在今后功能梯度材料结构设计中,功能梯度参数不应太大,同时结构中应当避免出现尖锐的拐点或者微裂纹的出现,这对功能梯度压电材料结构设计及其实际应用起到了借鉴作用。     

磁电弹结构多场耦合分析的 稳定Node-based光滑径向基点插值法

为提高磁电弹结构分析的精度,提出稳定Node-based光滑径向基点插值法（SNS-RPIM）. 基于传统Node-based光滑径向基点插值法（NS-RPIM）,引入与场变量梯度方差有关的稳定项,消除不确定参数,推导了多场耦合问题的SNS-RPIM方程,求解了磁电弹结构静力响应问题,并与有限元法计算结果进行比较. 数值算例结果表明,SNS-RPIM能够得到更加接近真实解的结果,有效解决了有限元系统刚度偏硬的问题;在精度与收敛性方面,SNS-RPIM比有限元法表现得更加出色,从而为磁电弹材料的进一步应用提供了有效的分析方法.     

基于光滑有限元的含裂纹复合材料的虚拟裂纹闭合法

为提高求解断裂参数的精度和效率,将光滑有限元法与虚拟裂纹闭合法相结合,提出光滑有限元-虚拟裂纹闭合法.对含不同长度和角度的倾斜裂纹复合材料圆板的断裂参数进行了求解,并与有限元-虚拟裂纹闭合法计算结果进行了对比.数值算例结果验证了该方法具有高精度,裂纹尖端处单元不需特殊处理,对网格尺寸要求低等优点,是分析断裂问题简洁高效的数值计算方法.     

过滤强化用极性硅盐粉末的鉴别优选

研究了来自新疆、河北、桂林三个产地的不同粒度提纯后极性硅盐粉末样品对空气过滤材料过滤性能影响，采用压电实验、热释电实验对各种极性硅盐粉末样品进行电极性表征鉴别优选.结果表明:桂林粒度0.074mm提纯品位最高的极性硅盐粉末自发极化性能最佳；将3种极性硅盐最高纯度的粉末分别附着滤料表面进行全尘效率实验，桂林粒度0.074mm提纯品位最高极性硅盐粉末对过滤效率提升最显著；采用Rietveld方法对极性硅盐粉末XRD图谱精修得到晶体结构，通过计算固有电偶极矩证明了极性硅盐自发极化产生的静电吸附作用是其提高滤料过滤性能的主要原因.     

基于PHF-LSM-MT的非均质岩石细观界面与水力压裂数值建模

基于PHF(permeability-based hydraulic fracture)模型，采用水平集方法(level set method，LSM)描述材料边界分布，并用多尺度方法MT模型，对材料有效参数进行均匀化，建立适用于考虑非均质岩石材料细观界面特征分布与水力裂缝动态发展过程的PHF-LSM-MT数值计算模型.该模型解决了已有PHF-LSM模型无法精确描述积分点作用范围内细观尺度材料分布特征的问题.通过比较包裹体几何分布和体积分数影响下的有效弹性参数，验证了采用MT模型均匀化细观特征的可行性;在此基础上，对非均质岩石水力裂缝发展过程进行研究，得到了考虑细观界面特征情况下的裂缝发展过程，探讨了等效开裂区域影响范围内关键位置的水压力变化特征和应力路径发展过程.     

硒化锌协同真养产碱杆菌的杂化光合系统研究

通过传统的生物发酵方式获得PHB(聚-β-羟基丁酸酯)的研究已经趋于成熟，各项生产条件均有学者进行了优化，但是通过传统生物发酵的方式获得的PHB在成本上仍无法和化学合成的PHB或其他石油化工所得到的高分子材料竞争.该研究提出利用水热法合成闪锌矿结构的ZnSe半导体光催化材料与真养产碱杆菌(Ralstonia eutropha)H16构建杂化光合系统，测试系统中PHB含量变化，结合材料的光催化产氢性能来探究光催化材料在生物杂化光合系统中的作用.结果表明，在单纯材料光催化产氢时，材料在短时间虽有不错的产氢性能表现，但是在长时间循环中表现不佳.在结合细菌后，该生物杂化光合系统有着优秀的表现，相较对照组最高可将PHB产量提升至1.87倍，并且在长时间连续工作的条件下系统保持稳定.材料在高浓度下依然对该系统起到正面的作用.并且通过测定底物消耗和计算效率的方式探讨了光催化材料影响该生物光合杂化系统的具体方式.证明了这种方式合成的ZnSe与Ralstonia eutropha H16相结合在光照下能够有效提升PHB的产量.     

碳化细菌纤维素在钙钛矿太阳能电池对电极中的研究

在高效的钙钛矿太阳能电池(PSCs)中，通常采用贵金属对电极(Au、Ag)和昂贵的空穴传输材料(HTM)，导致了高成本和不稳定等问题.该研究使用稳定的无HTM的CsPbBr3纯无机钙钛矿的PSCs，将结构优异的天然纳米生物材料细菌纤维素(BC)经过高温碳化得到具有纳米精细结构、大表面积和孔容的多介孔碳化细菌纤维素(CBC)材料，对该材料进行SEM、XRD、FT-IR、比表面积、电导率测试以证实该材料在PSCs上的应用潜质.根据PSCs对电极的应用需要，将CBC及其与商业导电碳浆(CS)混合物作为PSCs对电极材料，通过J-V、IPCE等测试，发现纯CBC材料的电池效率高于纯CS，在作为PSCs对电极方面具有很大的潜力.该研究不仅扩大了生物质碳材料的应用领域，而且有望将CBC作为低成本稳定高效PSCs对电极材料.     

光滑有限单元法及其应用

对光滑有限单元法进行综述,介绍光滑有限单元法、边界光滑有限单元法、节点光滑有限单元法的基本思想、基本算法、方法特点以及在一些领域的应用.归纳得出:光滑有限单元法将应变光滑化措施引入有限单元法,可以降低网格划分要求,适应不规则网格;光滑有限单元法的算法与有限单元法基本相同,在有限单元法程序基础上进行少量修改即可实现;光滑有限单元法计算结果比有限单元法更精确.