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关键词： 二维磁性材料   应力   电荷掺杂   电子结构   磁各向异性  

摘要： 目前基于使用电子电荷的传统电子设备在能耗、效率等方面已经很难满足新一代信息技术的发展要求,研发具备低能耗与高速性能的新一代自旋电子器件至关重要。在自旋电子器件领域,二维（2D）本征铁磁性材料有望代替传统Fe/Co薄膜材料,具有广阔的应用前景。二维磁性材料以其卓越的特质,如超薄厚度、超大的比表面积以及性能易于调控等,不仅显著提升了器件的性能,还极大地推动了低能耗、高密度以及微型化器件的实现与发展。例如,在构建磁性隧道结（MTJ）过程中,选择具有磁化取向完全可控的二维磁性材料作为自由层材料,可以巧妙地利用自旋属性代替传统电荷属性控制信息读取和存储。这种创新的方法在实现非易失性存储和高密度数据存储方面展现出巨大的应用潜力。然而,想要实现高性能磁性隧道结,对所选取的二维磁性材料有着苛刻的要求:（1）为了有效消除数据读取过程中热波动所带来的干扰,我们选用具有高磁各向异性（MCA）的自由层材料来构建磁性隧道结。这种选择不仅简化了操作方案,还显著提升了器件的稳定性,从而确保了数据读取的准确性和可靠性。（2）大的MCA在写入过程中需要更高的功耗,其中自旋极化电流引起的磁化翻转不可避免地导致焦耳热。因此,设计具有可调MCA和稳固铁磁性（FM）耦合的2D本征磁体材料,对于组装基于磁性隧道结的各类自旋电子学器件具有重要意义。本文采用第一性原理计算方法,对1T-MX2（M=Cr,Mn,Fe,Co;X=As,Sb）单层进行了全面研究,深入探讨了其电子与磁学特性,进一步拓展了二维磁性材料的研究领域。此外,本论文设计并研究了由1T-MnSe2单层和1T-PtSSe单层组成的2D范德瓦尔斯异质结的电子和磁学性质。主要内容如下: （1）基于第一性原理计算,我们预测了一系列具有本征2D磁性的1T-MX2单层材料,其中1T-CrSb2、1T-FeAs2和1T-CoAs2具有铁磁基态和热动力学稳定性。1T-CoAs2具有高的垂直磁各向异性（PMA）能量,而1T-CrSb2和1T-FeAs2则为面内磁化。研究表明,双轴应变和载流子掺杂对上述材料体系的磁性行为有显著影响,且其MCA改变与应变类型和掺杂量有关。这些变化主要源于应变或掺杂导致的金属原子M的3d轨道态贡献改变,进而影响自旋轨道耦合能量。这些发现为控制2D磁性提供了新方法,并表明这些材料在高效存储器件设计中有潜在应用。 （2）我们研究了范德瓦尔斯异质结1T-MnSe2/1T-PtSSe的电子结构和磁学性质。研究发现,复合体系的磁学性质与异质结的堆垛结构密切相关,AB和AB’堆叠可诱导体系磁各向异性提高。该异质结保持半金属特性,并可通过应变或电荷掺杂调控磁各向异性。在压缩应变下,AB堆叠体系的MCA变化显著,磁化方向保持垂直。这主要归因于应变引起的界面电荷转移和Se原子轨道耦合变化。因此,该异质结有望成为设计下一代非易失性、超低功耗MeRAM器件的候选材料平台。

关键词： 高炉热风阀   温度场   应力分析   热流耦合  

摘要： 高炉热风阀是高炉炼铁系统中的重要设备之一,用于控制热风输送。热风阀在完全关闭和完全打开两种工况下的温差过大,进而导致两种工况下的应力值相差过大。在热风阀长期重复开启—送风—关闭的过程中产生疲劳裂纹是造成热风阀破坏的主要原因之一。本文对两种工况下的热风阀进行热流耦合分析,得到两种工况下内部热风的压力分布和热风阀的温度分布结果。以此为基础,首先对热风阀在压力载荷作用下的结构应力进行分析,然后对热风阀在温度载荷作用下的热应力进行分析,最后对全开状态下的阀板在压力载荷与温度载荷共同作用下进行应力分析。提出阀板结构改进方案,通过降低全开状态下阀板的应力值来提高热风阀的使用寿命。本文主要内容如下: 1.通过热流耦合方法对完全关闭和完全打开两种工况下的热风流场和热风阀温度场进行仿真分析,得到两种工况下内部热风的压力分布和热风阀的温度分布情况。分析发现阀盖与阀座部分在两种工况下的温度分布趋势基本相同,温差较小。阀板钢结构部分在全关状态下温度分布均匀,整体温度偏低,处于250℃以下;在全开状态下,阀板钢结构部分温度分布不均,阀板支座底部温度最高,为470℃,外水环下部的温度也较高,最高温度为420℃,两种工况下阀板外水环下沿角点的温差最大,达到250℃。 2.对热风阀在热风压力载荷和冷却水压力载荷作用下的变形和结构应力进行分析,发现全关状态下,热风阀的阀杆与阀盖密封填料配合处的结构应力最大,最大值为143.47 MPa;全开状态下,最大结构应力为124.8 MPa,位于阀座上部挡水板角部。对热风阀钢结构在温度载荷作用下的热变形和热应力进行分析,发现全关状态下,热应力最大值位于阀盖法兰与两侧钢板焊接处,最大热应力为158.06 MPa,阀板钢结构的整体热应力偏低;全开状态下,最大热应力为255.4MPa,位于阀板外水环与阀板支座的焊接处,阀板外水环下部边缘与阀座出口侧冷却水圈密封面两处的热应力也较大。对全开状态下的阀板在压力载荷与温度载荷共同作用下的应力进行分析,发现阀板的最大应力值位于阀板背风侧耐火料边缘处,为557.44 MPa,两种载荷作用下阀板钢结构的应力分布与其热应力分布趋势基本相同,但应力值有所下降。 3.针对两种工况下阀板应力值相差过大,频繁启闭下产生疲劳裂纹的问题,提出阀板改进方案。通过调整耐火料厚度、耐火料导热系数、冷却水用量和阀板外水环的横截面形状,使得全开状态下的阀板应力得到降低,实现了阀板的结构改进。结果显示,改进后阀板耐火料的最大应力降低了47.94%,阀板钢结构部分的最大应力降低了21.75%,阀板外水环下沿角点的应力降低了14.46%。

关键词： 创新能力   工程力学   职业教育  

摘要： 在职业技术学院工程力学的教学实践中，积极探索学生创新能力的培养和训练，能打造特色的工程力学教学指导体系，促进学生综合素质的优化，使学校教育管理工作的组织效能得到系统性的提升。本文从职业技术学院教育教学改革入手，重点从有效培养学生创新能力的教育改革措施进行了系统的探究，希望能提高教学效果，促进工程力学人才培养工作的全面创新，切实优化人才培养工作的综合有效性。

关键词： 海上风机基础   斜撑式过渡段   应力分析   疲劳强度   ABAQUS  

摘要： 风能是一种具有巨大发展潜力的清洁可再生能源。大规模建设发展海上风电场是国家目前可持续发展战略的一个重要组成部分,它能够在改善环境的同时调整能源结构。而海上风机处于复杂的海洋环境中,体积巨大,成本高。其中海上基础的结构安全性和经济性是当前发展海上风电结构关注的重点。 本文以导管架式海上风机基础结构的过渡段为研究对象,对几种新型的结构形式进行静力分析,得出合理的设计方案。首先,应用ABAQUS有限元分析软件,建立斜撑式过渡段、斜箱梁式过渡段以及平箱梁式过渡段的有限元模型,计算得到过渡段的应力及变形情况。对比三种模型分析得到在正常荷载和极限荷载两种工况下,斜撑式过渡段受到的最大应力最小;且相较于另两种过渡段,斜撑式过渡段用钢量最小,空间利用率最大,故而斜撑式过渡段在三种模型中最优。 其次,对斜撑式过渡段进行参数分析和优化设计。讨论了加劲板厚度及数量对应力的影响,获得了加劲板处的应力随加劲板厚度和数量的增加而减少的变化规律;通过增加底板次梁、改变布置方式以及调整梁高,得到了应力变化规律。提出在底板应力最大处集中布置次梁能够有效降低底板应力的建议。此外,还对主筒体高度进行参数分析。组合优化后设计的参数,得出新的较为理想的设计方案,对导管架和斜撑式基础过渡段组合后进行整体受力分析,并检验其应力符合规范要求。 最后,对新斜撑式过渡段连同导管架进行整体疲劳校核。通过对各个方案的疲劳校核得出底板次梁优化的效果最佳,并确定该方案为优先推荐方案,适用于南海海域,在保证结构在安全性、适用性的前提下,减少了结构的用钢量5.37t,降低了结构的成本以及施工难度。

关键词： 低温海水   高强钢   溶氧量   应力   腐蚀  

摘要： 在实验室模拟环境中，通过四点弯曲装置向Ni-Cr-Mo-V高强钢施加不同应力，并结合电化学测试、腐蚀形貌和产物分析，研究了溶解氧与应力耦合对Ni-Cr-Mo-V高强钢在低温海水环境中腐蚀行为的影响及规律。结果表明：溶解氧含量的增加会加快Ni-Cr-Mo-V高强钢的腐蚀产物生成，施加外加应力会使应力集中部分的腐蚀情况进一步加剧；低温海水中溶解氧的增加，协同试样上所施加的应力，致使腐蚀产物层中的Cr、Ni减少，从而降低腐蚀产物层对基体的保护作用；当溶解氧含量和外加应力均增加时，会进一步使Ni-Cr-Mo-V高强钢发生伪钝化现象，导致其自腐蚀电流密度增大。在低温海水环境中，应力与溶解氧对Ni-Cr-Mo-V高强钢存在协同作用，促进Ni-Cr-Mo-V高强钢腐蚀反应的进行，致使该材料表面腐蚀情况加剧，腐蚀产物对基体的保护作用下降。

关键词： 工程力学   LTP教学法   教学改革  

摘要： 工程力学课程是工科学生重要的专业基础课，旨在培养学生发现问题、解决问题的能力。但力学学科较为枯燥，如何增强其趣味性，进行改革创新是教学重点。本文提出一种新的教学方法——LTP教学法，即生活（Life）中发现问题，课堂中学习理论（Theory）知识，实践（Practice）中解决问题。实践证明，新的教学方法将实践应用与教学深度融合，可以有效激发学生学习工程力学的热情，促进学生学习能力的提升，从而提升学生的综合素养。

关键词： 正交异性板   叠加计算法   有限元分析   应力  

摘要： 正交异性钢桥面板是钢结构桥梁尤其是大跨径桥梁所采用的一种桥面板结构形式，钢桥面板既作为桥面板直接承受活载作用，又作为主梁的上翼缘板发挥作用，受力机理复杂，在设计计算中通常按照三个基本结构体系进行研究，对三个体系的计算结果进行叠加处理，得到的桥面板叠加应力是一种近似结果，结果偏保守，但叠加方式的不同对结果影响较大，通过结合国内外研究及公路工程相关设计规范及经验，提出一种偏安全的叠加方法。

关键词： AEM电解槽   平板网结构   应力分析   流道设计   电解效率  

摘要： 在全球能源转型,追求可持续能源解决方案的背景下,氢能作为高效的清洁能源具有重要意义。在多种制取绿氢的方式中,碱性水电解制氢技术存在较大能量损失问题,质子交换膜技术成本高且依赖贵金属催化剂。然而,阴离子交换膜（AEM）水电解技术有效解决了这些挑战。相比传统碱性水电解,AEM水电解技术在高电流密度下仍能保持高电解效率,并大幅降低成本,这为氢能的工业化应用提供了重要支持。 本文主要围绕工业化AEM水电解制氢设备的应用,从AEM水电解制氢工艺流程及设备设计、AEM电解槽结构稳定性分析和AEM电解槽内部流体动力学数值模拟三个方面进行了研究。研究工作包括了以下几个方面: （1）参考传统碱性电解槽设计原则,对AEM电解槽进行设计。结合理论工艺计算,将传统整体式乳凸结构改为分体式平板网结构形式,配套适合的电极,隔膜及垫片等材料,优化电解槽结构,完成2 Nm3/h产气量AEM制氢电解槽设计。同时,结合实际工程经验进行配套气体分离及纯化设备工艺设计。根据实际设计进行设备建模,完成整套AEM水电解制氢设备三维设计出图并进行实际生产组装。 （2）基于有限元分析法,使用Ansys Workbench软件建立AEM电解槽端压板结构模型。结合弹塑性材料的强度理论,对电解槽端压板结构进行应力分析,得到了电解槽端压板在给定载荷工况下的最大变形量及Mises等效应力。通过与设计材质及密封结构尺寸对比,进一步验证了电解槽整体密封结构的稳定性。 （3）使用Fluent软件,进行三种不同角度（水平、竖直、平行）支撑网流场流体动力学分析,综合考虑电解槽内部流体压力、速度和温度分布,得出分体式平板网结构AEM电解槽的最佳流道设计工况,为AEM电解槽大型工业化设计提供了理论和设计参考。

关键词： 育人规律   工程力学   课程思政   教学改革   思政元素  

摘要： 《工程力学》是工科类专业本科生的一门专业基础理论课，《工程力学》课程思政不仅是思想价值培养的必要，也是知识传授的促进剂。在课程思政改革浪潮推动下，《工程力学》课程思政取得了一定的成就，但依然存在一些问题。本文通过研究工程力学育人规律，分析《工程力学》课程思政现状，发现其智育教学过程具有本质的逻辑性、特有的专业性和鲜明的开放性，其德育教学过程具有天然的隐显性、具化的微观性和工程的实践性。认为遵循育人规律是《工程力学》课程思政的必要前提。《工程力学》课程思政要将课程的智育和德育相统一，着眼专业特色，不断创新思政模式，大胆创新，敢于尝试，有序完善课程思政评价体系，逐渐形成《工程力学》课程思政路径，实现工程力学的专业启蒙作用和价值塑造意义。

关键词： 金刚石   MPCVD装置   数值模拟   应力   多晶效应  

摘要： 金刚石是自然元素类矿物的典型代表,化学成分为碳。其优秀物理、化学、机械性能,在力、声、光、电、热等方面都有较好的表现,因此金刚石被广泛应用于各个行业。大面积、高质量金刚石生长离不开设备和工艺的保障,为了提高金刚石沉积技术,本文从研究大面积、高质量金刚石入手,利用数值仿真的方法提出并优化了一款新型高功率MPCVD装置,研究了金刚石生长过程中的应力问题,分析了金刚石边缘多晶效应产生的原因,提出了相关解决方案。 首先,基于多物理场耦合数值模拟结果,提出了一款新型半球形MPCVD装置,该装置的谐振腔体由一个半球形腔体组成,谐振腔底部设置两个调节机构用于调节其固有频率。使用COMSOL软件对谐振腔的电场和等离子体分布进行了模拟优化,研究发现,两块挡板间距S1为140mm、挡板高度H1为70mm、波导管高度H2为330mm、基片台高度H3为10mm时,顶部电场和微波通道处无次生等离子体存在。流场计算结果表明,气体入口垂直于基片台时,可以在基片台上均匀横向扩散到排气孔,保证基片台上反应物均匀分布。腔体底部调谐机构可将谐振腔内电场维持在4000V/m以上,确保金刚石生长需要的物质浓度。通过优化设计同轴天线穿过矩形波导的距离和同轴波导中心到短路活塞的距离,将反射系数S11降低到-8.7d B。 其次,利用COMSOL软件建模对异质外延生长金刚石应力进行分析,模拟了不同衬底材料生长金刚石应力分布情况。由于衬底与金刚石材料热膨胀系数差异和金刚石尖角处应力集中,导致金刚石底部存在较大应力。研究了缓冲层材料和图形化参数对减小金刚石应力分布的影响,采用Ir缓冲层能有效减小Ir/蓝宝石异质外延中金刚石应力分布,但应力值仍然超过1GPa,且随着金刚石生长高度的增加,尖角应力突变区向内扩散。采用图案化生长后,细针上生长的金刚石随着高度增加,底部应力显著降低,最大值为400MPa,应力突变区无扩散。同时分析了细针高度、直径对金刚石生长应力的影响。结果表明,细针高度越小、直径越大时,生长金刚石应力值越小,能有效降低异质外延金刚石应力。 最后,为了缓解金刚石生长边缘多晶效应,提出了边缘倒角的方式抑制多晶生长。通过数值仿真方法研究倒角高度分别为0mm、0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm时的电场强度和电子数密度分布。由于尖端效应导致衬底棱角处电场强度和电子数密度出现剧烈波动,当倒角高度为0.4mm时,衬底整个表面电场强度和电子数密度波动最小,能够抑制边缘多晶产生,提高金刚石表面形貌以及生长速率的均匀性。为验证仿真结果正确性,设计了5组样品生长实验。结果表明,当无倒角和倒角高度为0.2mm时,边缘生长速率较快,边上过早呈现出明显多晶凸起;当倒角高度为0.6和0.8mm时,边缘处生长速率较慢,金刚石薄膜厚度均匀性较差;当倒角为0.4mm时,能够有效抑制边缘多晶生长,获得较高的均匀性。利用拉曼光谱对生长金刚石进行测量,除无倒角和倒角高度为0.2mm样品边缘区域含有石墨相外,其余生长样品均为金刚石相。