冷铜表面上水滴冻结时的变形

研究了水滴和花生油液滴在冷铜表面的冻结过程. 实验中观察到水滴冻结时与冷表面接触的底面形状不变, 但在垂直于底面的方向上发生明显生长. 冻结的末尾阶段水滴顶部出现小的突出, 但花生油冻结时几乎不发生形状变化且无突出产生. 提出了对此现象的解释, 认为形状变化和突出的形成是冻结过程中相变造成的体积膨胀和表面张力共同作用所致. 采用这一理论建立了相应的数学模型, 计算出的水滴冻结后的形状与实验结果能够很好地吻合. 对实验中观察到的液滴突出部霜的生长快于其他位置的现象进行了分析.     

三圈冻结法在淤泥质土深基坑工程的应用

以往的冻结法在淤泥质土及特殊工程土体中,由于所需的冻结温度低、冻结扩展速度慢、形成冻结壁的强度低等原因,在施工时容易出现片帮、底鼓、突水、涌砂等事故.轻则影响工程进度,重则造成严重的经济损失.针对此类问题,提出了用三圈冻结法优化淤泥质土深基坑开挖的方案,并应用大型数值模拟软件ADINA进行模拟分析.对普通冻结法、连续桩及三圈冻结法等围护结构的位移进行了对比,得出三圈冻结法围护结构不仅最大位移小,而且位移随深度变化平稳.     

一种从X射线血管造影图像中自动分割冠状动脉的新方法

针对X射线造影（XRA）图像的分割,首先分析了血管图像的基本特征和先验知识,提出血管结构的多特征模糊识别（MFFR）算法;然后提出基于先验知识引导的概率跟踪算子（PTO）,该算子能够迅速地跟踪动脉血管树,并能够跨过因干扰或预处理导致的血管局部消弱和断裂区域.另外,跟踪过程中同步地进行了血管中心线和宽度的精确测量.为正确评价该方法,分别利用真实造影图像和二维仿真动脉树进行实验评估,结果表明该方法较传统方法高效,一次选定跟踪的起点,平均92.7%的可见血管段或分支可以自动提取出来,结构识别正确率平均达到90.0%.     

基于修正最大切向应力准则的含中心直裂纹混凝土圆盘断裂行为研究

采用一种含中心直裂纹的混凝土圆盘试件,对其进行准静态径向压缩测试,通过改变中心裂纹倾角和混凝土的配比,得到了不同情况下混凝土试件的裂纹初始扩展角和断裂阻力.基于Ayatollahi等人修正的最大切向应力准则(MMTS),通过联立理论公式求解得到不同配比、不同裂纹形式(II型和I-II混合型)混凝土试件的裂纹初始扩展角和断裂阻力的预测值,并将其与实验值进行了比较分析.其中MMTS准则是同时考虑了裂纹尖端应力场中奇异项和非奇异项(即Williams级数展开项中的T应力、A3和B3阶项,并忽略了更高阶项)的最大切向应力准则,使用超确定有限元法(FEOD)对Williams级数展开项的无量纲参数进行计算,并采用考虑了A3阶项的Schmidt模型计算断裂过程区的大小.研究结果表明,与传统MTS准则、GMTS准则相比,MMTS准则能够更好地预测混凝土试件裂纹初始扩展角和断裂阻力,特别是针对II型载荷占主导地位时的情况.     

一种用于柱面压缩实验并设有两级内翅式换热器冷屏的液氦温区低温靶

通过低温技术实现物质的高密度状态并进行冲击压缩实验是获得物质高能量密度状态方程的重要途径.本文介绍了一种用于柱面压缩实验的设有两级内翅式换热器冷屏的液氦温区低温靶.该低温靶通过设置两级内翅式换热器冷屏和在低温下可脱落的折叠冷屏结构,实现了液氦的高效存储,成功研制了应用于柱面压缩实验的液氦温区低温靶.在停止外界液氦供给和关闭真空泵的条件下,可获得4.77 K的样品室稳定温度,样品室的降温时间和维持稳定时间均满足柱面压缩实验的要求.本文还介绍了低温靶的结构设计、利用ANSYS Steady-Static Thermal模块对低温靶进行的热分析与实验结果.仿真计算结果与实验结果吻合较好.     

不同条件下硝基苯在水-冰体系中的分配研究

对硝基苯浓度分别为1.7, 8, 17, 170和1700 μg/L的水体进行冻结和融化试验. 试验制作了不含有机材料的不锈钢和玻璃专用水槽, 并能够模拟流动水体. 实验室冻结的冰具有同天然冰类似的晶体结构. 说明该冰内的硝基苯的行为也与天然冰的类似. 在此基础上, 得到水体中硝基苯浓度越大, 其结冰速率越小; 结冰速率越大, 冰内残留硝基苯的百分比越高. 另外, 冰体融化过程中, 冰内的硝基苯不发生迁移, 只随冰的融化排泄到水体中.     

单壁碳纳米管拉伸试验的分子动力学模拟

采用Brenner势函数描述碳纳米管中碳原子间的相互作用，通过分子动力学方法对几种单壁碳纳米管进行轴向拉伸试验研究，得出其Young模量为4．2TPa，强度极限为1．40～1．77TPa．在对碳管拉伸过程中，发现只要应变不达到断裂极限，卸载时的应力．应变沿加载曲线返回，表明在碳纳米管的拉伸过程中没有塑性应变；对碳纳米管的拉伸断裂过程进行了仿真，从能量和结构变化方面对碳纳米管断裂机理进行了分析．     

颗粒强化氧化铝基复合陶瓷断裂特性的预测

计算了颗粒强化的氧化铝／碳化硅和氧化铝/莫来石复合陶瓷的残余微应力．结果表明，这两种复合陶瓷基体中的微应力与颗粒含量成线性关系．分析了应力状态对裂纹扩展和晶界强化的影响．从微应力作用的角度计算了氧化铝／碳化硅和氧化铝／莫来石复合陶瓷基体晶界与晶粒韧性比，并进一步得到断口的穿晶断裂百分比，从而建立了这两种复合陶瓷微观结构及成分、基体微应力、穿晶断裂百分比三者的对应关系．这样根据颗粒强化复合陶瓷的微观结构、第二相含量及分布可以预测复合陶瓷的断裂特性．     

低温保护剂微液滴在液氮表面冷冻过程中的结晶度及其影响因素分析

借助非等温结晶动力学理论模型,较为系统地研究了低温保护剂微液滴在液氮表面冷冻过程中的温度和结晶度分布.研究结果表明,微液滴在经历相变温区时,呈现出表面区域结晶度最高,中间次之,中心区域最低的变化规律;且浓度越高,温度和结晶度分布越不均匀,如50%甘油微滴表面区域与中心区域温差为8K,但前者的结晶度大约是后者的41倍,而对于微水滴,两个区域的温差为1.10K,结晶度则相差6倍;微液滴体积对低浓度溶液的最终结晶度没有影响,只是延长了其冻结相变持续时间,如2和8μL20%甘油的相变时间分别约为14.48和19.82s;而对于高浓度溶液,没有明显的冻结相变温区,但呈现出体积越大,结晶度越高的变化规律,如2和8μL50%甘油的结晶度分别约为0.29×10~(-6)和0.80×10~(-6);随着低温保护剂浓度的增大,其相变温度会明显降低(水为273K,20%甘油为250K,50%甘油为225K,Vs55为158K),其最终结晶度也会显著降低,如20%和50%甘油溶液的最终结晶度分别为1和5.61×10~(-7),而Vs55仅有5.70×10~(-16).     

局部热载荷诱导热障涂层界面分层断裂问题

以激光辐照对热障涂层面层进行局部加热, 模拟超燃冲压发动机燃烧室热障涂层服役的高热流、高温度梯度载荷环境, 研究热障涂层的可能破坏模式. 首先给出了YAG 激光局部加热试验方法、过程和界面破坏的典型形貌; 然后, 基于理论分析与有限元模型化研究, 计算了表面局部受热时热障涂层体系的温度场、变形场和应力场, 分析了热障涂层破坏的力学机制. 研究结果表明, 在这种局部迅速加热的载荷条件下, 热障涂层将由于陶瓷层-粘接层的界面分层断裂而失效. 参数化模型研究发现热障涂层体系的关键结构参量、性能匹配对界面分层断裂驱动力具有显著影响且存在优化区间.     

制备血管支架表面涂层超声波喷涂工艺研究

本文从理论推导、流体力学仿真、喷雾粒径检测分析以及支架喷涂试验四个方面研究超声波喷涂技术并成功应用于血管支架喷涂工艺的优化.首先基于超声波雾化物理模型推导建立超声雾化粒径方程,其次利用计算流体动力学模拟超声雾化微观过程,定义超声雾化过程的三种雾化模式：亚雾化模式、理想雾化模式以及射流雾化模式,并建立了超声雾化临界振幅方程以及理想雾化模式下的雾化体积和功率方程.然后设计超声喷雾粒径检测实验,研究功率、气体压力、表面张力等工艺参数对雾化粒径的影响,结果表明超声波喷雾运动过程中少量粒子碰撞合并,但喷雾质量总体稳定,粒径尺寸在10m左右.在粒径尺寸分布方面,利用Rosin-Rammler分布拟合超声喷雾粒径均匀度指数在7.11～11.48之间,相比传统喷雾技术雾化均匀性、可控性大大提高.最后,在上述研究基础上制定血管支架超声喷涂工艺参数并进行了优化,消除了常见的血管支架涂层表面各种缺陷,为制备性能优良的血管支架表面涂层提供了理论和技术支撑.     

复合钙钛矿型弛豫铁电体的介电机理研究

通过分析复合钙钛矿型弛豫铁电体中极化微区之间相互作用的性质，建立了等效相互作用的参数服从Ｇａｕｓｓ分布的物理模型。利用平衡态和准平衡态中的Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ模拟，研究了这类材料介电特性产生的机理，通过计算偶极子翻转的弛豫时间分布，提出了冻结偶极子和慢偶极子的概念，系统地解释了弥散相变，频率色散和极化行为等现象，提出由晶体结构不均匀性导致的连续遍历性破缺，是这类材料弛豫特性产生的根本原因。     

动态碎裂过程中的最快速卸载现象

固体在高应变率加载作用下常常断裂成多个碎片.Grady针对韧性碎裂和脆性碎裂提出了一个同样形式的碎片尺度预测公式,对韧性碎裂结果预测较好,而对脆性碎裂结果的预测相对较差.是否存在一种物理机制可以同时阐述韧性碎裂和脆性碎裂过程呢?本文借鉴Grady解决绝热剪切问题时提出的最小集中化时间的思想,认为固体的动态碎裂过程中存在着最快速卸载现象.对韧性碎裂过程和脆性碎裂过程从理论和数值计算上进行分析,发现最快速卸载理论得到的平均碎片尺度和目前文献报道结果均吻合较好.     

膜换湿过程吸附热对传热过程的影响分析

对膜换湿过程中吸附热对传热过程的影响进行了理论研究，建立了考虑吸附热的传热过程的数学物理模型．通过分析得到了一个控制吸附热对膜过程中传热影响的无量纲数ψ=JLλ／δ（T10-T20），并分析了ψ对换热过程的影响．结果表明：温度梯度与传质方向相同时，有效热流方向会在ψ=1时发生变化．ψ〈1时，热量将由高温侧向低温侧传递，此时传质通量越大或两侧温差越小，总热阻就越大；而ψ〉1时，热质传递的综合效果是有效热流由低温侧向高温侧传递，此时传质通量越大或两侧温差越小，总热阻就越小．而传热方向与传质方向相反时，吸附热的存在会强化热量由高温侧向低温侧的传递，使得总热阻减小．传质通量J越大或温差越小，总热阻也就越小．     

钢筋混凝土断裂全过程声发射特征辨识及相关参量影响

以声发射参量为切入点,通过开展带预制裂缝混凝土三点弯曲梁试件声发射试验,采用振铃计数率-时间曲线、累计振铃计数-时间曲线、能量-时间曲线和累计能量-时间曲线等,研究了不同设计强度等级和不同配筋率混凝土三点弯曲梁试件断裂破坏过程声发射参量基本特性.研究结果表明:通过振铃计数-时间曲线和能量-时间曲线相互结合,可以更加准确地判断三点弯曲梁试件的起裂荷载和失稳荷载;初始设计强度对混凝土和钢筋混凝土断裂过程声发射参量具有一定影响;配筋率不同,钢筋混凝土三点弯曲梁试件断裂破坏过程也不相同,其对应的声发射信号也存在有一定差别.为进一步研究混凝土三点弯曲梁断裂破坏过程提供了一定的试验依据.     

基于J2摄动的人工冻结轨道控制方法研究

自然情况下, 由地球非球形摄动J₂项形成的冻结轨道的倾角必须等于某临界倾角, 限制了冻结轨道的应用范围. 文章提出仅在横向或者在横向以及径向2 个方向均施加连续常值小推力的2 种控制策略, 在非临界倾角条件下, 实现“人工”冻结效果. 对控制策略进行了优化设计, 在确保不会对其他轨道要素的长期变化产生影响的前提下, 使得燃耗最小. 进一步从理论上证明了横向控制比径向控制更节省能量. 仿真算例表明, 相比已有的2 种研究方法, 本文提出的能量最优控制策略相同条件下可分别节省54.6%或86%的燃料.     

高室压发动机系统适用性研究

应用Gibbs自由能法和喷管冻结流动模型,时双组元液体发动机推力室进行了热力气动计算;以系统总质量为目标函数,建立了姿轨控推进系统仿真模型,分析了推力室压强对系统性能参数的影响. 结果 表明：在空间尺寸受限条件下,提高推力室压强,可有效缩小推力室尺寸,增加喷管面积比,提高发动杌比冲和系统总体性能.但当推力室压强较高时,这种效果减缓,同时推进系统总质量增幅较大,设计时应综合权衡.     

基于流向特征熵和测地线距离的粘连血管型肺结节聚类分割

肺癌计算机辅助诊断(lung cancer CAD)是辅助医生定量判别结节良恶性的新技术.倍增率是临床上判断结节良恶性的指标,而精确地分割结节又是计算倍增率的前提.因为结节和血管的CT值相近,所以难以正确分割粘连血管型结节.血管里充满着流向同一方向的血液,使得大部分血管像素梯度的法向量(流向特征)都指向同一方向,流向特征熵值小;而结节上的像素梯度法向量方向杂乱无章,流向特征熵值大.大部分血管像素到结节中心的测地线距离比结节像素到结节中心的距离大.基于上述血管与结节差异,文中提出了一种基于流向特征熵和测地线距离的K均值聚类算法来分割结节.针对132个临床CT影像的肺结节(104个孤立型和28个粘连血管型),12个LIDC集合1的肺结节(4个孤立型和8个粘连血管型)和182个LIDC集合2的肺结节(25个孤立型肺结节和157个粘连血管型肺结节),评估实验结果和影像科医生手工绘制的金标准相比较,孤立型肺结节分割正确率分别为100/104(96.2%),4/4(100%),24/25(96.0%),粘连血管型分割正确率分别为26/28(92.9%),7/8(87.5%)和149/157(94.9%).实验表明,该方法能在短的时间内正确地分割孤立型结节和粘连血管型结节且具有好的鲁棒性.     

纳米线断裂行为的统计分布特征与初始微观结构的关系

利用分子动力学方法模拟考察了单晶金属纳米线的断裂行为.基于大量模拟样本,纳米线的断裂位置和断裂应变表现了分布特征.其中约95%的样本符合高斯形式的概率分布,其余无明显分布规律的可归结为偶发样本.相比较可以预测的概率事件,偶发事件的行为特征更具研究价值.本文追踪了在纳米线中间断裂的一个偶发样本,详细考察了以其8个不同应变时刻为初始构型,共计2400个样本的断裂位置分布特征.初始构型处于屈服区时,尽管体系已产生系列滑移面,但断裂位置和断裂应变的分布与单晶相同.以塑性形变初期为初始构型,虽总体分布与单晶相似,但断裂应变分布峰向更大的断裂应变方向移动.以塑性形变中期为初始构型,原偶发样本的断裂位置附近出现分布,即偶发事件逐渐演化为概率事件.以塑性形变末期的纳米线为初始构型,原概率分布消失,原偶发样本的断裂位置出现了一个半峰宽极窄的分布,即此时该偶发事件已经转化为必然事件.本文所提出的大数据分析方法为纳米材料或器件寿命的评估提供参考.     

冲击载荷下弹体材料断裂破坏的数值模拟研究

高强钢作为弹体结构设计中最常用的一种材料,针对其在冲击载荷下断裂破坏特性的数值模拟研究一直以来都受到研究人员重视.此类问题通常涉及材料在高温、高压、高应变率环境下的动态响应与破坏.因而本文提出了一种Euler网格与Lagrange标志点相耦合的局部标志点映射算法.该算法在Euler网格中添加带正六面体影响域的标志点,根据标志点与网格的拓扑关系,通过影响域加权将网格物理量映射到标志点上.基于MPI标准编写了三维并行程序代码,在程序中引入Johnson-Cook本构关系与等效应变断裂判据,对钢板在爆炸载荷作用下的破坏行为进行了数值模拟.与实验结果的对比表明,本文提出的算法结合了Euler方法和Lagrange方法的优点,能很好地处理材料的大变形及破坏过程,同时保证了计算精度和效率,可以更好地应用于各类冲击问题的数值模拟研究.