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[硕士论文] 张爽
工程力学 沈阳理工大学 2016(学位年度)
摘要:航天器太阳能电池阵在轨道运行期间会遭受大量空间碎片的撞击。为了开展航天器太阳能电池阵的防护工作,利用ANSYS/LS-DYNA软件对超高速碰撞航天器太阳能电池阵进行数值模拟并进行实验验证。主要工作如下:
  进行了不同位置处,超高速碰撞航天器太阳能电池阵毁伤的数值模拟,得到了不同碰撞时刻玻璃盖片的应力云图及有效应力曲线。研究结果表明:a)碰撞后航天器太阳能电池阵玻璃盖片上出现放射性裂纹;b)当碰撞在航天器太阳能电池阵的几何中心位置时,航天器太阳能电池阵的4块玻璃盖片均出现裂纹;c)当碰撞在航天器太阳能电池阵的2块玻璃盖片交界的中心位置时,只有被撞击的2块玻璃盖片上出现裂纹,其余玻璃盖片未受到影响;d)当碰撞在航天器太阳能电池阵的单个玻璃盖片的中心位置时,只有被撞击的玻璃盖片出现裂纹,其余3块未受影响。
  进行了30°入射角度超高速碰撞太阳能电池阵铝衬板的数值模拟,得到了碰撞速度与穿孔尺寸的关系及不同碰撞时刻铝衬板的应力云图和有效应力曲线。研究结果表明:a)当碰撞航天器太阳能电池阵的中心位置时,碰撞产生椭圆形穿孔,穿孔尺寸在椭圆的长轴和短轴方向上均随碰撞速度的增加而增大,最后趋于稳定;b)当碰撞航天器太阳能电池阵的2块玻璃盖片交界的中心位置时,产生椭圆形穿孔,穿孔尺寸在椭圆的长轴和短轴方向上均随碰撞速度的增加先增大后减小,最后趋于稳定。
  进行了碰撞角度对航天器太阳能电池阵的毁伤特性研究,得到了斜碰撞时碰撞角度与航天器太阳能电池阵毁伤面积的关系曲线及正碰撞后电池阵的碎片云的飞溅模拟图。研究结果表明:当弹丸进行斜撞击时,航天器太阳能电池阵的毁伤面积随碰撞角度的增加先增大后减小;当进行正碰撞时,航天器太阳能电池阵上出现圆形穿孔,玻璃盖片出现放射性裂纹。
  进行了实验总体方案设计,开展了30°入射角度碰撞航天器太阳能电池阵中心位置和2块玻璃盖片交界位置及正碰撞航天器太阳能电池阵中心位置的实验;通过数值模拟与实验结果对比分析,两者基本一致。
[硕士论文] 袁健飞
火炮、自动武器与弹药工程 沈阳理工大学 2016(学位年度)
摘要:为了研究超高速碰撞铝靶、铜靶及白云石靶的光谱辐射特性,利用二级轻气炮弹丸加载系统并结合高温计数据采集系统和光谱仪测量系统搭建实验平台,进行2A12铝靶、铜靶及白云石靶的超高速碰撞实验。根据原子能级跃迁规律碰撞激发原理,得到不同靶板在不同实验条件下光谱辐射演化特性。
  1)基于超高速碰撞2A12铝靶板、铜靶板、白云石靶板的闪光辐射特性实验结果分析表明:
  a)对于同种靶板,碰撞速度对闪光辐射强度、温度演化持续时间不影响,随着速度的增加,闪光辐射强度、温度都增加;对与不同靶板,碰撞铝靶板、铜靶板和白云石靶板的闪光辐射强度演化持续时间分别为40μs、50μs和100μs。
  b)对于相近碰撞速度,碰撞白云石靶板的辐射温度大于碰撞铝靶板的辐射温度大于碰撞铜靶板的辐射温度。
  2)碰撞物质光谱中的波长、强度可以准确地反映碰撞物质的成分及各成分的比例。通过对碰撞过程中物质光谱的采集,可以在微观层次上揭示超高速碰撞过程中物质的元素信息。2A12铝靶板、铜靶板和白云石靶板的超高速碰撞实验得出的碰撞光谱的元素组成与弹靶的物质组成基本一致。
  3)基于原子能级跃迁规律,对铝靶、铜靶及白云石靶的光谱辐射特性研究,结果表明:
  a)2A12球形铝弹丸碰撞2A12铝靶板时,对于相同速度,不同角度的碰撞,30o的碰撞光谱强度大于45o的碰撞光谱强度;相同碰撞条件下,铝元素的光谱辐射强度大于镁元素的光谱辐射强度,铝、镁元素随碰撞速度的增加,光谱辐射强度都增加。
  b)超高速碰撞铜靶板时,聚碳酸酯弹丸可以消除弹丸本身对实验的干扰。弹丸种类对光谱辐射强度的峰值有影响,相同弹丸碰撞铜靶时,铜元素的光谱辐射强度的峰值不变。
  c)超高速碰撞白云石靶板时,光谱辐射强度的峰值不变,都是硅元素和铂元素。随着碰撞速度的增加,铂元素谱线辐射强度基本不变;硅元素谱线辐射强度有较大的提高。弹靶光谱辐射的主要元素为铝元素和镁元素,且铝元素的辐射强度大于镁元素。镁元素的光谱辐射强度对碰撞速度不敏感,曲线基本平缓;铝元素的光谱辐射强度对碰撞速度敏感,呈现正相关关系。
[硕士论文] 张立佼
工程力学 沈阳理工大学 2016(学位年度)
摘要:人类对太空地不断探索导致空间环境日渐恶化,太阳能电池阵作为航天器的主要动力来源,同时也是航天器最大的暴露装置和部件,时刻都有可能遭到空间微小碎片的超高速撞击。特别是微小碎片超高速撞击太阳能电池阵产生的放电将会对其造成严重毁伤,为了更好地指导太阳能电池阵的防护设计和材料选择,开展了超高速碰撞供电太阳能电池阵产生等离子体的放电特性研究。取得的主要研究成果如下:
  a)建立了超高速碰撞供电太阳能电池阵实验系统,瞬态等离子体特征参量诊断的Langmuir三探针诊断系统,在碰撞角度为30°时,等离子体的电子密度和电子温度随着碰撞速度的增加而增大,这为分析超高速碰撞供电太阳能电池阵产生的放电特性打下了坚实的基础。
  b)超高速碰撞供电太阳能电池阵产生的放电与碰撞角度、碰撞速度、供电电压等有着密切的联系,在供电电压较低时不易发生二次放电,并且在碰撞角度为30°时,初级放电电流的峰值随着碰撞速度的增加而增大,初级放电是由压电效应以及超高速碰撞产生等离子体的诱发而瞬间产生的。
  c)初级放电是二次放电的必要条件,超高速碰撞供电太阳能电池阵产生的等离子体是不断运动的,在发生初级放电后,膨胀的等离子体云做减速运动,静止瞬间由于外加电压的作用,产生的等离子体加速向靶板方向运动、集聚,当等离子体累积到一定浓度时会诱发二次放电,二次放电的电流峰值较初级放电的电流峰值大,并且持续时间较长,将会对太阳能电池阵造成严重地碳化和烧蚀;
  d)超高速碰撞对太阳能电池阵最直观的毁伤是穿孔和在基板后面形成碎片云,当弹丸斜碰撞时,穿孔为椭圆形,并且随着碰撞角度的增大,椭圆形穿孔的长径比减小,直到碰撞角度为90°时,穿孔的形状是一个较规则的圆形;碎片云在膨胀过程中向长轴方向膨胀较明显,最后碎片趋于均匀分布。
[硕士论文] 徐名扬
工程力学 沈阳理工大学 2016(学位年度)
摘要:通过开展超高速碰撞2A12铝靶过程产生闪光的物理机制的研究,对提高我国航天器的防护、深空探测能力、实验验证相关天体物理领域、反导弹系统的建立和穿甲武器有着重要的应用价值,对提高我国在超高速碰撞领域的研究水平以及促进冲击动力学学科的发展意义重大。本文通过理论推导、实验和数值模拟相结合的方法进行了超高速碰撞产生闪光的物理机制研究,获得的主要研究成果如下:
  1)在总结前人关于超高速碰撞过程能量分配的基础上,将超高速碰撞厚靶过程中弹丸的动能分配归纳为靶板的变形能、弹丸与靶板作用过程应力波传播使靶板内能的增加、碰撞产生碎片的崩溅能和产生电磁波辐射(闪光)的辐射能,并将上述能量进行了定量关系推导。通过理论推导、实验和数值模拟相结合的方法对2A12铝弹丸以2.61km/s的速度正碰撞2A12铝靶的能量分配进行了定量计算。研究结果表明:无论在弹坑的形貌、尺寸还是辐射温度等方面,实验测量、理论推导与数值模拟的结果均基本吻合。同时表明闪光辐射能量所占比重较小,该实验条件下的闪光辐射能约为0.262J。
  2)由于2A12铝合金材料中93%是铝元素,那么闪光辐射中主要是铝元素光谱辐射。本文基于2A12铝弹丸超高速碰撞2A12铝靶产生的闪光为研究对象,研究碰撞过程中的原子光谱辐射,原子中电子在能级间跃迁发射和吸收光子(电磁波辐射)。与此同时,超高速碰撞过程还会出现等离子体蒸气云,即原子发生了电离。超高速碰撞铝原子电离产生铝离子,闪光辐射也包含离子光谱。在玻尔理论的基础上,计算铝原子的能级,根据原子能级跃迁理论计算铝原子和铝离子的辐射光谱。通过二级轻气炮加载实验,利用ESA4000光谱仪测量闪光的光谱辐射强度,利用朗缪尔三探针测量等离子体蒸气云的特征。对闪光辐射的光谱和等离子体的电离度及其之间的关系进行了分析。得到如下研究结果:
  a)理论计算了Al元素的能级,验证了玻尔理论提出的能级计算方法对Al元素的能级确定是有效的。同时探究了Al元素光谱的计算。 b)利用量子力学对Al原子周围能级进行描述。结果表明:在球形壳层中发现电子的相对几率22πr4R随相对原子中心的距离r变化的图形是波动的,电子在能级及其附近运动。原子核周围的电子在能级轨道出现的几率最大,能级轨道周围出现电子的几率较小。电子能级跃迁释放或吸收能量的几率也是随原子中电子的位置波动变化的,体现在Al元素的原子光谱都有一定的展宽,量子力学的结论与实验结果基本符合,有理由认为该理论可以基本反映原子的情况。
  c)实验结果表明了随着超高速碰撞速度增大,光谱的波长较小谱线的辐射强度增加很快,波长较长的谱线的辐射强度增加缓慢。
  d)2A12铝弹丸超高速碰撞2A12铝靶产生了等离子体,表明原子发生了电离,说明光谱仪采集到的光谱图中包含了铝的离子辐射闪光。实验结果表明,随着超高速碰撞的速度增加,等离子体蒸气云的电子密度快速增加,然而等离子体蒸气云的电子温度几乎没有变化。试验中2A12铝弹丸分别以速度2.75km/s、2.95km/s、3.2km/s、3.3km/s和300的入射角度(弹丸弹道与靶板平面的夹角)超高速碰撞2A12铝靶,通过采集实验中等离子体的特征参量相关信息结合数据处理,拟合得到了等离子体的最大电子密度与碰撞速度的关系,拟合结果近似为:Ne=1.07033×10-17×v9.34226。
  e)2A12铝弹丸超高速碰撞2A12铝靶板产生的等离子体的温度对其电离度影响较大,等离子温度和电离度间近似满足指数关系D=1.81911×10-38×T9.17024。
  f)2A12铝弹丸超高速碰撞2A12铝靶的过程中,弹丸速度为3.30km/s(弹丸弹道与靶板平面夹角为30°)时产生了等离子体。计算结果表明:原子的电离度为D=5.76×10-5,该电离度很小,说明电离产生的铝离子含量很小,所以闪光中由铝离子产生的闪光辐射强度很小,该结论已被实验中采集到的光谱证明。
[博士论文] 仇虎
力学(纳米力学) 南京航空航天大学 2013(学位年度)
摘要:纳米受限空间的物质输运和构象变化等动力学行为涉及复杂的物理、化学和生物学过程,是分子物理力学研究的前沿热点问题。虽然纳米受限空间的拓扑构型种类有很多,但从维度上看,主要可分为一维和二维受限空间两大类。其中,一维受限体系的两个平动自由度受到约束,而二维受限体系中只有一个平动自由度被约束。
  作为一维受限空间的典型代表,离子通道等膜蛋白的直径为纳米级的一维传输孔道承担着特定离子和小分子的跨越细胞膜的输运等重要功能,是神经信号传递的分子基础。随着纳米科技的发展,各种人工合成的具有一维中空结构的纳米材料不断涌现,包括碳纳米管和氮化硼纳米管等,为研究一维纳米孔道中受限分子、离子的动力学行为提供了简化模型,也为人们从仿生的角度出发在人造通道中实现生物通道的快速输运等特性提供了可能。基于这些体系广泛开展受限系统的研究除了有助于揭示生物通道的结构-功能关联机制外,在新型纳米流体器件设计和高效海水脱盐过滤膜等方面也具有广阔的应用前景。此外,当一维受限空间的自由方向被压缩到单个原子厚度时,便产生一种独特的纳米受限空间,例如单层石墨烯和六方氮化硼片层上的纳米级孔洞。这一受限体系的出现为大幅度提高单分子检测技术的分辨率提供了可能。二维受限空间有两个主要的类型:可供液体吸附的平整固体表面以及间隔距离为纳米级的两个固体表面之间的受限区域。二维受限空间中液体的流动性、相行为等动力学特性一直是纳米摩擦学等研究领域的关注焦点。本文采用分子动力学模拟方法,以几种典型的生物和纳米系统的一维和二维受限空间为例,研究其中的分子、离子的特异动力学行为以及在外场作用下的调控,并结合第一原理计算,探索其中蕴含的物理力学机制。本文的主要内容概括如下:
  (1)钠离子通道的一维传输孔道中受限离子的水合特性和离子通道蛋白结构的稳定性研究。钠通道蛋白调节钠离子的跨膜输运,在生命活动中扮演着重要的角色。与钾通道和NaK通道相比,细菌Arcobacter butzleri的钠通道NavAb的选择性过滤器显得“短而粗”,受限在其中的离子几乎处于完全水合状态下。我们通过分子动力学模拟分析了钠离子在过滤器不同位置处的配位状态,发现钠离子在过滤器中大部分区域的水合状态都与溶液中的相同。而在绑定位点处,钠离子偶尔会与通道蛋白进行配位,但是配位的对象仅为组成过滤器的四条肽链中的一条或两条上的残基。例如在HFS绑定位点处,钠离子仅能同时与一个或者两个Glu177残基的侧链进行配位,导致残基侧链发生大幅度偏转,从而使四个Glu177变得不再对称,这一变化可以在过滤器的RMSD曲线中反映出来。此外,我们通过RMSD分析还发现所有不同的初始离子构型的模拟中,包含一个通道中不含任何离子的模拟,NavAb通道蛋白都表现得非常稳定,这与钾通道和NaK通道只能稳定于某些特定的离子构型截然不同。此外,离子传导的一维平均力势自由能分析表明离子在钠通道过滤器中不同位点之间移动所需跨越的能垒较小。
  (2)振动碳纳米管中一维受限水链的单向输运。纳米尺度流体输运的研究有着很多潜在的意义和应用前景,包括设计新颖的流动传感器件和新型过滤膜等。然而,尺度的限制使人们很难将宏观的流体输运所用的水泵等器械的工作原理直接应用于纳米流体的驱动。我们的分子动力学模拟研究发现振动的碳纳米管可以作为一个高效水分子输运器件。当碳纳米管中的受限水链与纳米管一起振动时,水链的连续性几乎不受影响。振动幅值的增大能明显增加水传导的速率,而振动频率只有在增大到一定程度时才会引起流速的降低。此外,这一基于振动碳纳米管的单向输运现象不仅适用于较窄碳纳米管中的受限水单链,还适用于更粗管径碳纳米管中的水柱。前人的报道发现,碳纳米管振动可以由周围环境中的热起伏、噪声和外场等能量进行驱动,我们的这一发现为利用这些环境能提供了一个新颖的途径。
  (3)基于石墨烯纳米孔的单个核苷酸分辨率的DNA检测。传统的用于DNA测序的纳米孔的厚度为几个纳米,会同时被10~15个核苷酸所占据,因此难以实现单个核苷酸分辨率的测序。石墨烯纳米孔的出现为纳米孔 DNA测序分辨率的大幅度提高提供了可能,因为它的厚度仅为单个原子直径。我们的模拟研究发现当用外力拖动DNA单链分子通过直径约为1 nm的石墨烯纳米孔时,DNA分子的运动会呈现棘齿状特征。通过监测所得力谱信号峰值的高低,能够实现单个核苷酸分辨率的碱基识别。而通过较大孔径的纳米孔时,受到的阻碍非常小,因而无法获得可分辨的力谱信号。这一发现表明,尺寸选择对纳米孔的测序分辨率影响非常大。
  (4)外电场作用下两平行平板间二维受限单层冰的融化。我们用分子动力学模拟研究了电场对二维受限单层冰的结构和动力学特征的影响,发现超过3.8 V/nm的垂直电场能够促使单层冰转化为液态水,我们将之命名为电致融化(electromelting)。这一明显不同于“电场总是能促使水固化”(electrofreezing)的主流观点的反常电致相变,是由于单层冰的有序氢键网络被外电场破坏而造成的。我们的模拟还发现融化温度会随着电场强度的升高而逐渐降低。当电场超过~30 V/nm时,系统再次转变成了具有极强有序性的晶体状结构。我们发现的这一系列电场作用下的相变行为丰富了人们对受限水在外场作用下复杂相行为的认识。
[硕士论文] 荆亚芳
光学 哈尔滨工业大学 2009(学位年度)
摘要:本文分析了空气阻力对完全非弹性蹦球倍周期运动的影响。对颗粒物质施加周期性振动时,体系可以表现出复杂的动力学行为,如表面驻波、对流、尺寸分离等等。这些集体行为很难从单个颗粒的运动出发来加以描述,因为体系通常包含了成千上万个颗粒。但是颗粒间的耗散相互作用摩擦与非弹性碰撞又导致体系中每个成员是相互关联的。最突出的表现是,所有颗粒整体上随振动加速度的增加表现出一系列的倍周期运动。产生这种倍周期运动及其对应的倍周期分岔过程的物理机制在于,体系内颗粒间的耗散相互作用导致体系能够有效地吸收外界输入的动能,正如一包沙子落在地板上的不会被反弹起来一样。这导致颗粒床与振动台面的碰撞是完全非弹性的。鉴于此,可以将颗粒床整体上看作一个在振动台面上蹦跳的完全非弹性球,并以此为基础来分析振动颗粒床的倍周期运动。关于完全非弹性蹦球的动力学行为我们已做了系统的分析。分析表明,完全非弹性蹦球的倍周期分岔过程与振动颗粒床中的完全一致。但实验中观测到得分岔点均略大于理论值。我们认为,这是由于颗粒床中容器壁及空气的阻力的作用是不可忽略的。本文主要是从理论上分析阻力对完全非弹性蹦球的分岔点的影响,并在此基础上研究了倍周期运动对尺寸分离或“巴西果”效应的影响。理论与实验结果符合很好。
[博士论文] 朱纯章
机械设计及理论 南京航空航天大学 2007(学位年度)
摘要:通过近几十年来对纳米材料的研究,科学家发现纳尺度的许多物质都会表现出奇特的物理、化学、力学性能,这些特性预示着纳米材料会在不远的将来改变人类的生活。由于纳米材料的力学行为与传统宏观及传统微观材料都有很大的差异,深入研究并充分认识纳米材料全新的力学特性对于纳米器械的设计、纳米机电系统的开发与应用是必不可少的。分子动力学方法以其使用方便、成本较低、结果直观的优势成了研究纳米材料力学性能的重要工具之一。本文用分子动力学方法模拟研究了纳米石墨晶体的高压相变、纳米碳管的径向力学性质、纳米碳管的旋转摩擦特性、纳米碳管振荡器和纳米碳管轴承的工作机理以及纳米铜晶体的力学行为。主要研究内容与学术贡献如下: 1)研究了纳米石墨晶体在均匀单向压力与非均匀压力两种不同压力作用下的相变机制,阐明了应力水平对相变的影响。在平板提供的c 向均匀压力作用下,~3GPa 的压力就会使邻近的石墨层间产生新的σ键,部分石墨转变为含有sp2 与少量sp3 杂化的无定型碳相。但是这种无定型碳结构很不稳定,随着压缩变形量的增大无定型相会转换回石墨相。在压力增大到~400GPa 时,石墨层由平层转变为折曲层,并且各石墨层自动调整为ABC 堆垛顺序,形成介于菱方石墨与立方金刚石之间的中间过渡结构。当压力继续增加到800GPa 以上时,石墨内重新产生层间σ键,至~ 900GPa 时层间σ键快速增多,形成高压下的立方金刚石结构,并且卸载后这些层间σ键不能全部消失,从而得到具有金刚石结构的持久的超硬碳相。在球形压头提供的非均匀压力作用下,当压力增大到~36GPa 时,石墨晶体内才出现第一个层间σ键。随着压力的增大,新的层间σ键不断出现,形成复杂的无定型碳相,在压应力达到~100GPa 时,石墨中的无定型碳相就转变为永久的金刚石结构。 2)提出了一种通过分子动力学模拟确定层状纳米材料硬度的方法,基于这种方法研究了纳米碳管的径向力学性质,发现纳米碳管的径向变形可以分为刚度和硬度都非常小的软弹性变形阶段和刚度大得多的硬弹性阶段以及变形无法恢复的塑性变形阶段。在软弹性阶段,碳管可以承受非常大的径向变形而径向硬度只有6~15GPa。当碳管的层间距减小到~1.9以下,碳管迅速转变为硬度高达90GPa 以上的无定型结构,并且这种无定型相可以在卸载后恢复为初始的碳管。当三壁碳管承受的非均匀压力超过~94GPa 后,碳管内出现所谓的塑性变形,其特征是产生大量无法还原的sp3 甚至sp 杂化,碳管的初始构型被彻底破坏并转变为硬度高达120GPa 的持久超硬相。研究结果与PNAS 同时期报道的实验结果相符。 而研究所发现的碳管的径向超弹性和超硬度的特性对碳管在强冲击、超高压等特殊环境下的应用具有指导意义。 3)针对高速纳米器械的计算机模拟,以纳米碳管振荡器为例提出了分离原子机械运动与热运动的控温算法,并用这种控温方法研究了纳米碳管轴承的工作机理,探讨了双壁碳管的层间旋转摩擦性能。研究结果表明碳管的层间旋转摩擦是轴承转速、直径、柔韧性、温度等多种因素的综合表现。转速增加会引起内管原子承受的离心力增加及碳管层间距减小,使得层间相互作用加强、摩擦增加;离心力和热运动都会激发碳管的柔性变形从而极大地增加碳管的旋转摩擦;直径大的碳管旋转时要承受更大的离心力,并且大直径的碳管径向刚度比小直径碳管的低,因此大直径碳管轴承内的摩擦相对较大。研究还发现在低速旋转阶段,碳管的层间摩擦极低,纳米轴承表现出超润滑、无磨损的优异性能。 4)对纳米铜晶体的力学行为尤其是晶界与空穴对铜晶体力学性能的影响作了初步的研究。研究发现纳米铜晶体中晶界对空穴沿界面的扩展起促进作用,但同时又在一定程度上阻碍空穴越过晶界向另一晶粒扩展。空穴的存在会降低铜晶体的强度,并且空穴离晶界越近晶体强度越低。
[博士论文] 李春
工程力学 南京航空航天大学 2007(学位年度)
摘要:氧化锌(ZnO)具有如下三大优点:首先,它是半导体材料,具有较宽的带隙(3.37 eV)和较大的激子结合能(60 meV),它是一种重要的功能氧化物,具有良好的近紫外散射和透明传导性能;其次,ZnO因其非中心对称的晶体结构而具有压电性,这是其用于机电耦合的传感器和转换器中应具备的关键特性;最后,ZnO具有良好的生物适应性,可以直接应用于生物医学领域而无需被覆。正因为这三大特点,ZnO很有可能在将来的研究和应用中成为最重要的纳米材料之一。本文应用基于第一原理的密度泛函理论,对ZnO尤其是其低维纳米结构的压电性能、弹性性能、结构特性、能量特性等基态性能进行了系统地计算分析,主要包括以下内容: (1)二维ZnO纳米薄膜的压电性能研究。通过基于密度泛函理论的Berry相极化计算方法,对ZnO纳米薄膜的压电性能的尺寸效应进行了计算和分析。研究发现,对于二维ZnO纳米薄膜,随着厚度的增加,其等效压电系数单调地增加。当其厚度达到10个Zn-O双层(约2.4 nm)时,其等效压电系数已开始超过体块值3%左右。当薄膜的厚度继续增加至12个Zn-O双层(约2.9 nm)时,其等效压电系数可超过体块值11%以上。这是因为在低维纳米结构中,量子受限效应凸显作用,对于本文研究的最大厚度仅有几个纳米的薄膜来说,电子被强烈地限制在薄膜以内。这时,随着厚度的增加,存在于Zn-O双层间的自发极化将不断地累加,从而导致结构达到一定厚度时,其极化变化率(即压电系数)超过了体块的值。然而随着厚度继续增加,量子受限效应逐渐减弱,此时,纳米薄膜的等效压电系数将随着表面效应的减弱逐渐趋向体块的值。此外,理论结果与实验中发现的ZnO纳米带沿同一方向的压电系数超出体块值的结果相吻合。 (2)一维ZnO纳米线的压电性能研究。通过密度泛函理论计算对不同直径(0.4 nm~3.0 nm)的沿[0001]方向生长的一维ZnO纳米线的压电性能进行了研究。研究发现,ZnO纳米线的等效压电系数随着直径的增加而增大,但至少在本文计算能力所能达到的范围内数值上要远低于相应的体块值。分析表明,ZnO纳米线内部的结构重构以及不可避免的量子受限效应是这种尺寸效应存在的主要原因。电子结构计算得到ZnO 纳米线的能带隙随着直径的增加从2.8下降到1.1 eV。 (3)二维ZnO纳米薄膜和一维ZnO纳米线的弹性系数计算。通过计算分析ZnO二维纳米薄膜和一维纳米线的等效弹性系数,发现它们在有限尺寸范围内均具有明显的尺寸效应。对于厚度小于6个Zn-O双层的ZnO纳米薄膜,其等效弹性系数远小于相应的体块值,而当薄膜厚度继续增大,其等效弹性系数逐渐趋近于体块值,且基本不再变化。对于沿[0001]方向生长的ZnO纳米线,其相应的等效弹性系数在直径非常小时也远低于体块值,而随着纳米线的直径逐渐增大,其等效弹性系数基本呈线性地接近体块值。由于计算量太大,研究的最大直径的ZnO纳米线直径仅为约2.4 nm,其等效弹性系数达到体块值的88%。低维纳米结构中大的表面/体积比率值是造成这种尺寸效应的主要原因。在论文成文时这部分工作仍在继续中。 (4)零维ZnO纳米团簇的结构和特殊物性研究。通过对六棱柱形ZnO零维纳米团簇的结构优化和能级分析,发现结构弛豫使Zn原子朝团簇中心运动,而O原子则朝相反的方向移动,这对确定实验中何时施加使结构中悬键钝化的表面活性剂是十分重要的,因为往往它们会与O原子优先成键。此外,还发现一种由48个原子构成的ZnO团簇在结构优化后发生了由四配位的纤维锌矿结构到六配位的岩盐结构的相变,这表明为保证直接从体块结构中分割出的团簇结构的稳定性,应使其含有尽可能少的悬键。 (5)II-VI族半导体材料的电光张量计算。应用密度泛函微扰理论对具有纤维锌矿和闪锌矿结构的II-VI族半导体化合物分别进行了电光系数的计算。并得到了ZnO在不同应变下的电光张量和非线性光学系数。结果表明,在具有纤维锌矿的II-VI族化合物中,ZnO明显具有最高的弹性系数和压电系数,以及最大的电光系数。具有闪锌矿结构的II-VI族化合物的压电系数明显低于纤维锌矿结构约一个数量级。ZnO的电光系数和非线性光学系数的绝对值均随着应变的增加而几乎线性地减小,应变由-1%增加到1%,其电光系数减小了约9.5%,非线性光学系数相应的减小幅度约为8.2%。
[博士论文] 梁拥成
工程力学 南京航空航天大学 2007(学位年度)
摘要:超硬材料一直是高压科学研究的重点,而反常/自旋霍尔效应是最近电子自旋学研究的热点。本文基于密度泛函理论上第一性原理计算,主要研究了过渡金属锇与其化合物的在高压下的物理力学性质、铁磁材料CuCr2Se4-xBrx的内禀反常霍尔效应以及半金属铋的内禀自旋霍尔效应,并取得了如下成果: 1. 本文考虑了锇的自旋-轨道耦合作用,研究了在高压下锇的状态方程、晶格参数和电子结构。计算结果表明:过渡金属锇具有很高体变模量(395GPa),但仍不超过金刚石。自旋-轨道耦合作用将会使计算结果有所减小(383GP)。实验上提出的在25GPa的同构相变(轴间比c/a的反常)没有得到目前计算支持。通过分析有无包含自旋-轨道耦合作用两种情况下锇的能带结构、费米处的态密度和状态方程直到150GPa,都没有发现电子结构转变。 2. 本文研究了过渡金属化合物OsB2和OsO2的金红石相、黄铁矿相与萤石相三种结构在高压下的状态方程和结构特性,以及OsO2可能的高压相变。理论计算结果支持OsB2与OsO2的萤石相是潜在超低可压缩性的硬性材料。同时,也分析了它们的电子结构,力求理解大体变模量和高硬度的微观机制。结果表明可以利用过渡金属高的价电子浓度,掺入硼、氧、碳、氮等轻的元素形成强的方向键,这可能提供了一种合成超硬材料的新途径。 3. 本文系统研究了过渡金属锇的硼化物OsB、碳化物OsC、氮化物OsN分别以WC、NaCl、CsCl和ZnS四种相的结构特性、力学特性和弹性稳定性。计算结果显示仅OsB(WC)、OsC(WC)、OsB(CsCl)和OsC(ZnS)四种相在力学上是稳定的,而且都不是超硬材料,这是不同于以前的预测。通过比较六角WC结构的系列化合物OsB、OsC和OsN,发现弹性模量与剪切模量的变化趋势是完全不同的。这表明硬度和不可压缩性的本质源是根本不同的:前者是由所成键的性质决定的,而后者是由价电子浓度密切相关的。 4. 为了阐明反常霍尔效应本质源,非常需要连续调节研究体系的参数。通过第一性原理定量计算CuCr2Se4-xBrx的反常霍尔电导率,发现实验上观察到的但没能解释的与Br掺杂相联系的符号改变完全是反常霍尔效应贝里相机制的直接证据。在Br不断地部分替代Se引起体系的杂质散射率变化几十倍的整个掺杂范围内,系统计算很好地解释实验数据。而且理论计算进一步预测新的符号改变,等待将来的实验去检验。 5. 本文研究了自旋-轨道耦合与轴向应变对半金属铋的电子结构的影响,进而定量计算了铋的内禀自旋霍尔电导率。自旋-轨道耦合作用与轴向应变作用对铋的电子结构都有重大影响。第一性原理计算铋的内禀自旋霍尔电导率远大于半导体GaAs、Si和金属Au、W的计算结果。尤其,当轴向应变使半金属铋转变为能带绝缘体时,它的自旋霍尔电导率仍然具有很大数值,因此它将是非常好的自旋霍尔绝缘体,为内禀自旋霍尔效应的进一步深入实验研究提供了极好的材料。
[硕士论文] 施毅敏
课程与教学论 湖南师范大学 2006(学位年度)
摘要:本文分为五个部分论述了工科物理力学教学内容和方法的改革: 第一部分阐明了工科物理力学在高等工科院校教学中的地位与作用,然后自己所在的院校的工科学生为对象对工科物理力学目前的教学现状进行了调和分析,讨论了目前大学物理教学的现状与存在的问题,提出了改革的必要第二部分着重分析了工科物理力学教学内容和方法改革的理论基础:即建主义学习理论的支持和现代科学教育理论的要求。 第三部分对工科物理力学教学内容和方法改革的可行性进行了分析,具体从三个方面来说明,即知识经济时代的契机、信息技术力量的支持、工科大生对物理力学教学改革的期待。 第四部分是本文的核心和重点,首先论述了通过改变工科物理力学与中学理过于重复的状况、加强工科物理力学与工程技术内容的联系、增加工科物力学中近代物理内容的比重、适当补充物理(力学)发展前沿相关讲座以及改革工科物理力学的教学内容并给出内容改革的一个大纲;然后着重论述目前指导法在工科物理力学教学方法改革中的应用。 第五部分是对本文的总结和本课题研究的展望。指出了本课题研究的不足,及在今后的研究方向上提出了一些想法,并进行了相关的展望。
[硕士论文] 刘百国
固体力学 南京航空航天大学 2006(学位年度)
摘要:在纳尺度下仿生材料的研究是目前的热点,对生物系统的结构和性质上的仿生研究已成为高新科技领域一门崭新学科。在贝壳、动物骨架,牙齿中都存在着多层次的精巧的纳米结构,而这些生物材料因其矿物晶体在纳米尺度而获得了最优化的强度、韧性和稳定性。尤其是贝壳等壳类材料,以大约95﹪的文石(碳酸钙)和5﹪的蛋白质构成,但其强度是体块碳酸钙的2倍多,韧性高达1000倍。贝壳中的碳酸钙是以文石和方解石形式存在。本文选取了贝壳中的无机晶体碳酸钙进行了研究,为进一步的研究碳酸钙与蛋白质及其与有机物的作用奠定基础。 本文使用了密度泛函理论为基础的从头算量子力学方法,对建立的碳酸钙(方解石)晶体的超晶胞结构进行拉伸、剪切及拉-剪耦合模拟计算。从碳酸钙晶体的应力-应变曲线看,纳米碳酸钙晶体具有强各向异性和强非线性的特性。在碳酸钙晶体的超晶胞结构中,[001](C(z))方向的拉伸强度高达22GPa,与之垂直的其余两个方向的强度相当,约为15GPa,均数倍于普通的碳酸钙矿物的强度。[001]方向的临界拉伸应变高达69﹪,曲线平滑,说明纳米碳酸钙晶体在该方向上的韧性非常好。纳米碳酸钙晶体的临界剪切应变εxy=28﹪, εyz=40﹪, εzx =31﹪;对应的剪切应力分别为10.285GPa、9.767GPa和7.343GPa。纳米碳酸钙晶体这种高抗拉、抗剪强度和高韧性是设计高强度复合材料的基础。在本文工作基础上研究碳酸钙晶体与有机物的相互作用及机理,有望找到新型高强度的复合材料。通过对碳酸钙晶体的拉伸、剪切应力-应变曲线的线弹性部分进行拟合,我们得到了碳酸钙晶体的弹性常数矩阵,与实验值比较,有着高度的一致性。而本文首次得到的碳酸钙晶体的高韧性、强非线性各向异性应力-应变关系的系统数据,为建立碳酸钙晶体的非线性本构关系和非线性原子间相互作用势奠定了基础。 本文还对不同缺陷的石墨层间的摩擦性能进行了系列分析。采用静力学和动力学方法研究了不同旋转角度,缺陷及不同的层间距下石墨层的摩擦性能。结果表明石墨层的平均摩擦力随层间距增大而减小。层间距小于0.34nm时,碳硅交替的石墨层平均摩擦力最小,在大于0.34nm时摩擦力增大。通过观察摩擦力随角度的变化情况,了解到存在某一角度使摩擦力大大减小。
[硕士论文] 汪张超
固体力学 南京航空航天大学 2006(学位年度)
摘要:本文首先介绍了密度泛函理论和基于2n+1定理的密度泛函微扰理论,陈述了研究材料电光张量的意义及其在密度泛函微扰理论中的分解表达式(根据玻恩—奥本海默近似,电光张量由电子和离子两部分的贡献构成)。为了分析电光材料巨电光系数的来源,我们选择了结构相同且同为III-V族化合物但有着迥然不同电光特性的砷化镓(GaAs)和立方氮化硼(c-BN)进行对比分析。我们使用基于第一原理密度泛函微扰理论的方法对GaAs和c-BN的电光张量进行了分析计算,并分别得到了电子和离子对其电光系数的贡献。通过比较可以看出,作为电光材料的GaAs有比c-BN高得多的电光张量绝对值。通过对电光张量中电子、离子分解的分析可以看出这种效应主要来自于电子的贡献,而且计算的结果与材料结构点群的电光系数具有的对称性一致。在电光张量的计算过程中我们得到了物质的平衡特性、压电系数、格点动力学特性—声子色散曲线和Born有效电荷等结果,并进行了相应的分析。
[博士论文] 阎宗岭
采矿工程 重庆大学 2003(学位年度)
摘要:堆石体是一种有一定级配、无凝聚性、渗透能力很强的摩擦型集合料,并具有独特的物理力学特性。其特殊性主要是因为它是由颗粒和孔隙组成,其性质与颗粒的大小、形状及分布特征有关,并且在载荷作用下,这些参量将不断发生变化,堆石体物理力学性质也随之改变。论文采用散体力学、颗粒力学的相关理论对堆石体的强度和变形机理进行研究,并考虑到堆石体内部微观结构的变化特征,将微观结构的特征参数与宏观力学量统一起来,建立相适应的力学模型,将微观与宏观联系起来,进一步完善了对堆石体的研究。 论文完成的主要研究工作有: 有关堆石体物理力学性质方面,在已有研究成果基础上,对相关研究成果进行综合比较、分析、研究、总结,并借鉴散体力学、颗粒力学和统计力学相关理论,把有关堆石体的物理力学性质的研究成果融汇成了一个较完善的基础理论体系。从岩石的破碎机理出发,建立了堆石体粒径分布的对数正态分布模型,可以较好的预测爆破堆石体的粒径分布。 对堆石体的物理力学性质进行了较全面的试验研究,包括现场测试与分析、现场大型碾压试验、原位剪切试验、渗透试验、击实试验、压缩试验、三轴剪切试验等,对堆石体的颗粒分布、抗剪强度、渗透特性、压缩性以及沉降特性进行了研究,丰富了理论研究内容,为工程应用提供了科学依据。 从堆石体的组构特征出发,以数理统计为工具,研究了颗粒间的接触力以及接触力的法向分布,得出了颗粒间接触力的概率分布。研究了堆石体的力学性质与颗粒的空间堆积方式、孔隙的大小及孔隙的空间分布之间的关系。 运用散体颗粒力学和数理统计理论,从颗粒的空间堆积形态出发,分析颗粒间的接触关系、接触力,并建立了堆石体颗粒间的局部微观接触力与宏观应力之间的关系。 从堆石体颗粒的微观结构出发,建立了堆石体的刚性接触模型,将颗粒间的接触力同局部应力联系起来,建立了堆石体的局部本构模型。以堆石体局部本构关系为基础,并从微观到宏观,建立了堆石体的二维、三维本构模型,把堆石体的微观颗粒组构特征与其宏观物理力学特性联系起来,为进一步研究堆石体物理力学特性奠定了理论基础。 通过理论分析、现场监测和数值分析等手段,研究了堆石体内土压力的分布状况,对堆石体的成拱机理进行了理论研究,并分析了堆石体对其内部构筑物安全性的影响。以堆石体的成拱效应为算例,以数值分析为手段,对堆石体填筑结构的土压力分布进行了数值模拟,验证了堆石体成拱效应。 以几个不同工程为实例,充分阐述了堆石体在工程中的典型应用情况,充分应用了堆石体压实性能好、透水性强、填筑密度大、沉陷变形小、承载力高、稳定性好等优良工程特性,体现出了堆石体在工程中良好的安全、经济、社会和环境效益。工程应用表明堆石体是一种安全、经济以及具有良好社会、环境效益的工程材料。
[硕士论文] 陈瑞阁
计算数学及其应用软件 四川大学 2003(学位年度)
摘要:定常非对称流动问题有着很重要的物理力学背景,已经在一些文章中给过这方面的综述,并且有些文章对该问题进行了严格的数学分析,得到了解的存在唯一性结果.然而对该问题的数值研究却很少,该文的目的就是在于通过稳定化有限元方法讨论其数值求解.该文之所以采用Galerkin/最小平方法有如下原因:(1)G/L-S稳定化有限元方法,它不要求BB条件成立,该方法应用到流体等线性问题上已经取得了很大成功,而对非线性问题却研究很少;(2)文章[1]是Galerkin/最小平方法[6]在N-S方程及[8]在非线性方程上地应用,已经取得了一定成功;(3)与文章[1]中N-S方程组相比而言,定常非对称流动方程组增多了方程(1.3),因此理论和数值分析难度进一步增大;(4)该文从有限元角度分析,导出了问题的混合变分格式,证明了定常非对称流动方程变分格式解的存在唯一性.
[博士论文] 何伟
固体力学 同济大学;同济大学工程力学与技术系 2002(学位年度)
摘要:本文主要研究多相介质的力学行为,包括流固耦合系统的动力学分析和粘弹 性复合材料的本构关系研究。 管束流固耦合问题既有着重要的学术价值,也有着鲜明的工程背景,在反应 堆堆芯、热交换器等的设计中有重要的应用。为了分析管束流固耦合系统的动力 学行为,国际上先后提出过多个管束动力学模型,张若京借助渐近均匀化方法提 出了三维管束流固耦合均匀化模型,这些模型都仅适用于无粘流体。在此基础上, 本文做了以下工作: (1)要利用均匀化方程,必须先求解局部问题。无论对无粘流体管束模型还是 对有粘流体管束模型,局部问题都是相同的。本文利用差分法,求解了两 种工业中常用的管梁形式下局部问题的数值解,为以后的研究奠定了基 础。 (2)以前的流固耦合模型都是在假设流体无粘的情况下得出的,这显然同工业 上的要求有一定的差距。本文在假设流体有粘的情况下,在导师前期工作 的基础上,通过渐近均匀化方法,得到了管束流固耦合系统的动力学控制 方程。若将流体的粘性系数置为零,则该方程蜕化为无粘方程。 (3)在流体有粘的假设下,本文为随后的数值分析做了一些基础性的工作,在 有粘流体相应的边界条件下,得到了粘性流体下管束流固耦合系统的变分 方程。由于流体粘性的影响,流场有旋,没有速度势,所以系统质量阵、 刚度阵以及一阶项的系数矩阵的对称性被破坏,从而使得系统的模态分析 变得很复杂。由于时间有限,本文没能提供有关算例。 同样作为多相介质,复合材料的力学特性也一直为学者们所关注。尤其是为 了研究复合材料的整体本构关系,前人提出了很多种不同的均匀化方法。本文在 导师前期工作的基础上,在研究粘弹性复合材料的本构关系方面,做了以下工作: (1)利用分数阶导数模型描述复合材料基体的粘弹性行为,通过渐近均匀化方 法,获得了解析形式的整体本构关系。其弹性部分来自纤维弹性和基体弹 性的两方面的贡献。粘性部分同样可以表示成分数阶导数的形式。这一部 分来自基体粘性的贡献。 (2)利用有限元法,求出了有关局部问题的数值解。 最后对本文的研究工作进行了总结,指出了本文的工作重点及不足之处。 关键词:管束,流固耦合,渐近均匀化,粘性,粘弹性,复合材料,本构关系
[博士论文] 文玉华
一般力学与力学基础 中国科学院力学研究所 2001(学位年度)
摘要:纳米晶体材料是由尺度在1-100nm的微小颗粒组成的体系.该文应用分子动力学结合Finnis-Sinclair多体势函数模拟了纳米晶铜的微观结构和单向拉伸变形,以及纳米铜晶粒的结构与扩散性质,并采用了局部晶序分析、晶向分布函数等多种手段,对它们的结构进行了分析.研究了晶粒尺寸的变化对它们的影响.对纳米晶铜的微观结构的模拟表明:随着晶粒尺寸的减小,纳米晶体的晶界结构变化并不明显,而晶粒内部的晶格畸变加剧,导致其结构的无序度明显增加,并且晶粒内部结构和晶界结构的差别也越来越小;晶粒内部的原子的平均能量明显升高,但界面原子的平均能量变化很小.由于受晶格畸变和晶界比例增加的影响,纳米晶体的密度小于单晶的密度.对纳米晶粒的结构与扩散性质进行了分子动力学模拟的结果显示:随着晶粒尺寸的减小,晶粒表面层包含的原子比例迅速增加,表面层的原子平均能量上升,而晶粒内部的保持不变,但不仍然要高于相应单晶体的值,而表面层的厚度基本为一常数.纳米晶粒的扩散系数随着它的尺寸的增加而迅速减小,虽现指数衰减关系.这种减小主要是由于晶粒的表面层原子比例的减小和这些原子的能量降低有关.表面原子的扩散在晶粒的扩散中占主导的地位.
[博士论文] 王苏
一般力学(物理力学) 中国科学院力学研究所 2001(学位年度)
摘要:该论文选取在高温气体动力学中具有重要意义的气体非平衡解离和电离动力学作为研究对象,包括两部分内容.第一部分气体解离动力学中,对强激波后双原子分子振动与解离耦合的非平衡解离过程进行了理论计算研究.第二部分气体电离动力学实验研究中,在魔洞型单脉冲激波管上依靠反射激波加热使气体电离,随后利用由高压室端部反射回的稀疏波使电离气体快速冷却,由于反射稀疏波的冷却速度达10<'6>K/s,创造出以电离复合为主的非平衡过程产生的条件,建立了一种研究气体电离复合动力学的激波管方法.
[博士论文] 王暾
一般力学与力学基础 中国科学院力学研究所 2001(学位年度)
摘要:该论文采用分子动力学方法和多体相互作用势,通过对内能、静态结构因子、径向分布函数、原子弛豫位形等进行分析,研究了金属铜和铝的单晶、双晶、表面、固液界面等系统的熔化过程及多体效应对熔化的影响.金属单晶熔化时结构发生有序-无序突变,具有均匀形核熔化特点,将导致晶体熔化过热.不同的非均匀形核条件使得晶体的熔点不同,但都低于理想单晶熔点.在较低的温度下双晶∑5、∑9、∑11、∑19、∑33的晶界附近存在无序区.随着温度的升高,无序区逐渐扩展最终导致双晶熔化,具有非均匀形核熔化的特点.但晶界的存在并不一定导致非均匀形核熔化,例如∑3熔化前不存在无序区,它的熔化是由均匀形核控制的.表面的存在使得晶体熔化都以无序从表面向内部逐渐扩展而进行,即都以非均匀形核方式进行.并且表面能越大,表面预熔温度越低.对具有(110)和(111)表面的双晶的模拟表明表面和晶界在熔化时可以相互作用,其熔化并不是通过两个晶粒的同时熔化进行的,这与对称倾斜双晶中两个晶粒的同时熔化是不同的.总之,论文研究了多种条件下的熔化过程,给出了金属熔化相变的一些微观动力学机制.
[硕士论文] 王刚志
课题与教学论 合肥工业大学 2000(学位年度)
摘要:该文首先分析了国内外大学物理教学改革进展情况,在此基础上,根据系统科学和教育科学的基本理论,提出了教材内容改革的原则和模式,介绍了新的力学结构体系.论文从理论上阐明了学生力学解题能力的结构和培养方法.介绍了几种常用的力学解题方法.论文结合教学实践,着重讨论了物理力学部分内容的研究与改革的体会,包括教材内容、教材结构的处理、教学专题内容分析、现代化教学手段的利用及现代化内容的引入方式等.同时从物理教学需要出发,对计算机辅助教学的优缺点进行分析探讨,详细介绍了自己开发的"力学教学演示软件".
[博士论文] 姚裕贵
物理力学 中国科学院力学研究所 1999(学位年度)
摘要:该文遵循原始Peierls-Nabarro模型的基本思想,提出了一种处理一维界面失配位错组的新方法.在这个推广的Peierls-Nabarro模型中,该文得到了一个简单面且准确的解析解,此解反映了失配位错的核结构、能量与失配度、剪切模量之间的依赖关系.当界面剪切模量较强而失配度较小时,界面的结构可以用一组奇异Volterra位错来描述,这与一的子模拟结果一致.采用这一简单的模型,引入第一原理计算行到的数据,此模型可以估算金属陶瓷界面的凝聚能.该文还研究了金属-陶Ag/MgO(100)瓷界面,给出了界面的能量和原子结构.文中得出结论:在Ag/MgO(100)界面将会形成{1/2<110>;<110>}类型的位错网.此外由于界面失配位错的形成,Ag/MgO(100)界面凝聚能的理论值900mJ/m<'2>将减少214mJ/m<'2>,最终成为686mJ/m<'2>.
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