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关键词： 组分调控   应力   非辐射复合   缺陷   离子迁移  

摘要： 为了响应环境友好型社会的号召,实现可持续发展,无铅钙钛矿开始进入研究视野。锡基钙钛矿太阳能电池（Tin-based Perovskite Solar Cells,TPSCs）的功率转换效率（Power Conversion Efficiency,PCE）在近些年已提升至接近15%。尽管TPSCs发展很迅速,但与铅基钙钛矿太阳能电池相比PCE还是存在较大差距。对TPSCs而言,快速结晶的过程往往伴随大量的缺陷的产生,导致薄膜质量差并诱导非辐射复合发生。稳定性也是限制TPSCs进一步发展的关键。针对上述核心问题本工作通过组分工程对锡基钙钛矿薄膜结晶进行调控,减少薄膜中的缺陷,抑制非辐射复合以及减缓Sn2+氧化速度提高稳定性。通过系统的表征,深入研究TPSCs的PCE和稳定性提升的作用机制。主要研究内容如下:（1）采用苯乙胺盐（Phenylethylamine Iodine/Phenylethylamine Bromide,PEAI/PEABr）来探究基于PEA+的卤素工程对锡基钙钛矿晶格稳定性的影响。揭示了这种卤素工程增强PEA+及I–位置附近的电荷转移,提高晶格稳定性,显着降低了缺陷密度,并抑制了非辐射复合。因此,PEABr修饰TPSCs的PCE相较于未修饰器件提升了22.00%并获得了70 m V开路电压(Open-circuit Voltage,Voc)的增益。修饰后的未封装器件的N2、UV紫外以及湿度稳定性均得到显著提升。（2）采用醋酸甲脒（Formamidine Acetate,FAAc）/醋酸甲胺/醋酸来探究不同A位配体醋酸盐对钙钛矿薄膜结晶及Sn2+的影响。研究表明FAAc与SnI2具有较强的相互作用,并且FAAc能够抑制晶格畸变。同时,Sn2+氧化速度也得到缓解。因此FAAc修饰器件的PCE为12.43%。其在N2在放置2000 h后仍保持初始效率的94.00%,而未修饰器件仅剩初始PCE的74.81%。（3）采用2-噻吩乙基氯化铵（2-Thiophenethylammonium Chloride,ThEACl）来探究A/X位共掺杂组分工程对锡基钙钛矿薄膜晶格应力的影响。研究表明归因于ThEACl和SnI2之间的强相互作用,钙钛矿残余应力释放,稳定性提升。ThEACl不仅能有效改善薄膜的结晶,还能减少钙钛矿中的缺陷并抑制由缺陷诱导的非辐射复合,因此ThEACl修饰器件获得了808 m V的Voc以及11.13%的PCE。本文将PEABr、FAAC、ThEACl掺入前驱体溶液中,结合组分工程策略有效改善了钙钛矿薄膜的质量,提高了锡基钙钛矿的晶格稳定性与运行稳定性,为进一步提高锡基钙钛矿的性能及稳定性提供了指导。

关键词： 超高速方坯连铸   应力场   中心缩孔   二冷配水   逆向拟合   反问题计算  

摘要： 超高速连铸是实现方坯无头轧制促使连铸与轧制工序产能良好匹配及降低成本的重要途径,受到冶金工作者的广泛关注。但在生产中存在中心缩孔缺陷突出的问题,严重制约了超高速连铸的应用与推广。目前的传统分析方法难以对其进行及时准确的预判和优化,亟需建立一种新的研究方法以解决超高速连铸坯中心缩孔难题。 基于节点温度继承以及温差缩孔分析思想,利用ANSYS有限元软件建立了Q235方坯超高速连铸中心缩孔热力耦合分析模型,解析了超高速连铸条件下中心缩孔形成机制,系统研究了拉速、过热度、比水量及二冷段长度对中心缩孔的影响规律。在此基础上,基于非线性平滑曲线拟合法采用MATLAB开发出一种新型的基于中心无缺陷凝固的超高速连铸反问题优化模型,结合黄金分割法与抛物线插值数值优化算法进行迭代计算,可在线智能优化参数,大大减少工业生产中铸坯中心缩孔的产生。研究结果表明: 当拉速由3.5 m/min增加至6.0 m/min时,中心固相率0.8时刻中心位移值由6.1×10-2 mm增加到1.45×10-1 mm后降低至8.5×10-2 mm,中心缩孔先增大后减少。表明并非拉速增加,缩孔一定会持续增大,而是与铸坯中心固相率温度区间所处的冷却段位置有关。过热度由10℃增加至20℃、30℃、40℃,中心位移值依次为1.17×10-1 mm、1.13×10-1 mm、1.1×10-1 mm和1.07×10-1 mm,铸坯各点的位移值基本相同。忽略中心组织变化的情况下,过热度的提高对中心缩孔影响较弱。比水量由1.60 L/kg增加至2.76 L/kg,中心位移值由9.4×10-2mm增加至1.29×10-1mm,中心点位移增长速度增加,中心缩孔增大。二冷段长度由8.46 m增加至15.66 m时,中心位移值由5.8×10-2 mm增加至1.13×10-1 mm,铸坯凝固末端中心位移值逐渐增加,增长速度增加,缩孔增大。 基于三次曲面平滑曲线逆向拟合法、黄金分割法和抛物线插值法建立超高速连铸方坯中心缩孔预测及优化模型,针对4.5和5.0 m/min拉速下的中心缩孔缺陷进行反问题优化计算,并设计了新的二冷水表,应用于工业生产,中心缩孔分别从2.5和2级降低到0.5和0级,证实该算法可以有效地减少铸坯中心缩孔的产生。 图55幅;表26个;参65篇。

关键词： 有限元分析技术应用   农业机械设计   应力分析  

摘要： 农业机械优化的目的是提升机具整体性能，使其满足可靠性、适应性、经济性等作业需求。以常见的农业机械为例，在设计过程中应用有限元分析技术进行力学分析和模拟，可解决以往机具性能优化时费时费力、难以全面评估等问题，为农业机械的设计和优化提供规范化、标准化、智能化依据，显著提升设计效率、降低研发成本。

关键词： 耐火衬里   喷嘴   温度场   应力场   结构优化   腐蚀  

摘要： 喷嘴是多喷嘴对置式水煤浆气化炉的关键组成部分,喷嘴内部及其喷嘴处的耐火衬里都存在较大的温度梯度,使得喷嘴处的耐火衬里产生较大的热应力,造成耐火衬里损坏。因此分析喷嘴处耐火衬里及钢壳的温度场和应力场分布,并且对已经建立的模型进行结构优化,对于保证安全生产,提高耐火衬里的寿命,防止喷嘴和气化炉的损坏有着重要意义。本文主要从以下几个方面进行探讨:第一部分以某实际水煤浆气化炉喷嘴部位的耐火衬里及钢壳为研究对象,运用传热学及有限元法,建立喷嘴部位耐火衬里及钢壳的三维有限元模型,对耐火衬里及钢壳的温度场和应力场进行了详细分析和讨论。结果表明:在热面砖处呈现出从热端面向内温度逐渐降低的变化趋势。而在隔热砖与钢壳处,呈现出由内至外温度逐渐降低的变化趋势,并且在热面砖处温度下降幅度最大。当热面砖热端面温度为1350℃时,钢壳最外端温度为154℃。应力场的分布普遍呈现从热面砖向钢壳逐渐降低的趋势,但应力的最大值不是出现在温度最高的位置,而是出现在热面砖和钢壳的接触位置,应力高达12177 MPa。所以在工业生产中尤其要注意此处耐火衬里的安全性。耐火衬里的最大变形量达到了 8.8mm,在喷嘴出口处上端面的中间位置。并且为了更加贴合实际的工业生产情况,选取了两种具有代表性的渣层,将渣层附着到了热面砖的热端面,并分别设置了不同厚度的渣层进行有限元模拟。从不同角度分析得出,大部分工业气化炉内的渣层对于耐火衬里温度场的分布情况影响较小。对于不同厚度的同一渣层,即使将渣层厚度设置为190 mm,对于耐火衬里和钢壳的温度传递影响也都比较小,由此可以推断,保持其他条件不变的情况下,附着渣层对于热应力、等效应变以及总变形的影响也会很小。第二部分通过对模型的耐火衬里材料分布进行了结构优化,将两部分的热面砖分别换成了隔热砖以及背衬砖。并将优化后的温度场和应力场的分布情况与优化前的做了全方位的比对,优化后模型的温度场与应力场都有了不同程度的改善。其中在钢壳处温度大约降低了 30℃,在热面砖与钢壳的连接处应力大约降低了三分之一,有效降低了热面砖与钢壳连接处在应力的作用下断裂失效等风险,并在很大程度上改善了热应力对于喷嘴处耐火衬里及钢壳的损害,对于提高喷嘴处耐火衬里的寿命做出了有效的优化。渣层不仅会影响耐火衬里的温度场,对耐火衬里的侵蚀行为更容易导致耐火衬里损毁失效。因此第三部分通过羊场湾煤与水稻秸秆共气化腐蚀高铬砖,并对腐蚀后的高铬砖进行一系列的分析表征。结果表明,液态渣中一系列氧化物会通过气孔向高铬砖内部扩散,与Cr2O3等发生反应,破坏高铬砖原本致密的结构,并降低高铬砖的性能。20%RS掺混的灰渣灰熔融温度最低,导致其粘度减小,流动性增强,并表现出最强的腐蚀倾向。

关键词： 机械贯穿件   RCC-M   应力   ANSYS  

摘要： 本文介绍RCC-M规范C3300篇对核电厂安全壳机械贯穿件的力学分析评定方法，并以某核电厂安全壳机械贯穿件为例，采用ANSYS软件计算了贯穿件在自重、内压和接管载荷等载荷作用下的应力分布，对各工况下的应力进行了评定。得出结论：1.贯穿件在所考虑的各工况下的最大应力出现在封头靠近管道连接的地方，且向套筒方向递减；2.贯穿件的最大总体一次薄膜应力出现在封头内环上部,最大薄膜应力加弯曲应力出现在封头内环下部。

关键词： 激光原位成型   碳纤维增强热塑性复合材料   熔凝动力学   温度场   相场   应力场   有限元仿真  

摘要： CF/PEEK复合材料是一种热塑性复合材料,具有良好的耐热性、耐腐蚀性、高强度、高韧性等优点,使其成为航空航天等领域尖端设备首选的结构材料。随着我国航空航天技术的发展,对CF/PEEK复合材料制件的需求日益增加。激光原位成型技术是热塑性复合材料的理想成型技术,利用激光原位成型技术成型CF/PEEK复合材料可以大幅度提高生产效率。在激光原位成型过程中,CF/PEEK复合材料的成型质量依赖于PEEK树脂熔凝过程中复合材料的温度分布、温度历程、相变规律和应力分布。为了对CF/PEEK复合材料成型质量的因素进行研究,论文针对方形平顶激光静态辐照CF/PEEK复合材料的熔凝过程进行仿真分析,研究结果将对促进CF/PEEK复合材料激光原位成型技术的发展具有重要工程指导意义。论文以CF/PEEK复合材料为研究对象,开展了方形平顶激光静态辐照下熔凝过程的相关研究。本文主要从以下几个方面进行研究:对方形平顶激光辐照CF/PEEK复合材料的温度场仿真分析,构建激光辐照CF/PEEK复合材料的热传导有限元模型,将构建的有限元模型带入COMSOL仿真软件进行计算,得到CF/PEEK复合材料不同时刻的温度场分布情况;对不同层碳纤维和PEEK的温度分布进行研究,总结CF/PEEK复合材料的温度场分布特性和随激光辐照时间增加的温度历程的演变规律,对实际CF/PEEK复合材料成型的传热过程提供理论分析。对方形平顶激光辐照CF/PEEK复合材料的熔凝过程进行分析,运用相场法去构建相场模型,通过COMSOL仿真软件进行计算,得到从开始熔化到停止加热直至凝固整个过程的固-液两相分布情况,归纳CF/PEEK复合材料的熔凝过程的相变规律,对实际CF/PEEK复合材料加工成型的熔凝过程提供理论分析。对方形平顶激光辐照CF/PEEK复合材料的热应力分布进行分析,通过有限元法构建热应力方程,利用COMSOL仿真软件进行仿真计算,得到激光辐照过程中的应力分布情况,对比碳纤维和PEEK的应力分布,分析CF/PEEK复合材料的内部应力分布情况,对实际CF/PEEK复合材料的成型质量提供理论分析。对不同方形平顶激光参数进行研究,通过改变方形平顶激光与碳纤维轴向的夹角、激光的功率密度、激光光斑尺寸和方形平顶激光的平顶度,得到参数下的温度场变化情况,对参数的影响进行分析,归纳出不同方形平顶激光参数对实际CF/PEEK复合材料的成型提供工艺参数的理论分析。论文基于对CF/PEEK复合材料激光静态辐照过程进行仿真计算,得到了在辐照过程中的温度分布和温度历程演变特性,研究了熔凝过程中固-液两相的相变规律,分析了CF/PEEK复合材料的内部应力分布情况,对比了不同方形平顶激光参数的影响,为实际激光原位成型CF/PEEK复合材料提供了理论基础,对实际发展具有重要的意义。

关键词： T梁腹板竖向裂缝   移动荷载   裂缝稳定性   应力   承载力   防治  

摘要： 预应力混凝土T型梁桥因其经济性好、施工较为便捷等优点在全国桥梁建设中应用广泛。近年来在对这一类桥梁进行定期检测时,很多梁体腹板处发现一系列的不同长度的竖向裂缝。此类裂缝的成因已有学者进行了大量研究,但对于腹板存在竖向裂缝的预应力混凝土T梁在移动荷载作用下裂缝的发展趋势,目前仍鲜有研究;裂缝的发展对于整个桥梁的承载力是否有较大影响也是较为关注的话题;同时,对于存在该种裂缝的桥梁,采取何种维修或加固措施也是目前亟待解决的问题。对此,本文主要开展了以下几个方面的工作:(1)根据依托工程裂缝病害检测及诸多学者研究分析,对不同的T梁既存裂缝病害特征及规律进行总结,确定裂缝结构形式,为后续研究竖向腹板裂缝的发展趋势奠定基础。(2)根据研究对象结构特征,基于总应变裂缝模型建立有限元模型。通过试验数据验证模型的正确性;并通过简化车辆模型,合理的加载形式,进而探究在不同的移动荷载大小及速度作用下T梁腹板竖向裂缝的稳定性;同时根据实际裂缝几何尺寸的调查结果,植入不同尺寸特征和位置的裂缝,探究不同状态下的腹板裂缝在移动荷载作用下的发展趋势。(3)基于疲劳荷载作用下结构刚度和承载力之间的变化理论,探究在连续荷载作用下既有腹板裂缝T梁承载能力的退化情况,并提出防治措施。

关键词： 梯度TiN涂层   摩擦   裂纹损伤   应力   寿命  

摘要： 针对海水环境下精密运转机械零部件（艉轴及其滑动支撑轴承）316L不锈钢材质表面的“动态磨蚀失效”关键技术难题,为了提高运转零部件的耐磨损性和使用寿命,依据梯度偏压结构梯度涂层的设计理念,采用多弧离子镀技术构筑梯度TiN（恒定偏压TiN涂层S1,磁过滤梯度TiN涂层按照不同的梯度周期制备S2-S4三种涂层）防护涂层;对比研究四种梯度涂层TiN/316L（S1-S4）的组织结构与形态、抗摩擦性能及裂纹损伤形式与机理,并开展梯度涂层的寿命评价。课题采用了试验与有限元仿真相结合的方法来开展研究。首先制备了梯度TiN/316L（S1-S4）四种涂层,电镜下观察发现磁过滤梯度涂层的组织致密性均高于恒定偏压TiN涂层,缺陷密度有显著减少;然后使用纳米压痕试验、有限元仿真及量纲分析方法获得了梯度涂层的塑性强化模量ET和屈服强度σ0;仿真分析发现,相同载荷作用下的磁过滤梯度涂层的最大载荷均高于恒定偏压TiN涂层,残余深度最高降低了12.12%;通过对四种梯度涂层划痕试验的有限元仿真发现,在相同的动态载荷下,滑动摩擦时涂层S1-S4无量纲应力的对比,表面σx/P0的最大峰值均基本相同,但涂层S4的峰值持续时间相对较短;同时卸载之后,涂层S1-S3接触面的残余τxy/P0最大值基本相同,约为0.18,涂层S4的残余τxy/P0最大值更小;再通过扩展有限元法对裂纹损伤的分析发现,涂层滑动摩擦的裂纹是由第一主应力引起的I型裂纹;最后,在建立涂层摩擦磨损试验有限元模型基础上,对比四种TiN涂层的摩擦磨损应力云图发现,在相同的动态载荷9N作用下,四种涂层试件S1-S4涂层结合面处的平均寿命约为1507.19min、2182.48min、2732.68min、5530.29min。分析以上研究结果可得出以下研究结论:（1）磁过滤技术的梯度概念设计使TiN涂层组织致密均匀,缺陷密度降低。（2）磁过滤梯度涂层TiN/316L（S4）的最大载荷值比恒定偏压TiN涂层（S1）提高了15.67%、残余深度降低了12.12%,该涂层承载能力最好。（3）梯度涂层的防护效果较好,其中磁过滤梯度涂层（S4）抗疲劳性最好。（4）梯度TiN/316L（S1-S4）涂层的裂纹损伤机理是:滑动摩擦产生的第一主应力是造成涂层表面萌生裂纹和裂纹轴向扩展的主要原因,为I型裂纹。磁过滤梯度TiN涂层（S4）的耐摩擦损伤性能最好。（5）涂层与基体结合面是涂层断裂损伤的危险点;磁过滤梯度TiN涂层（S4）的计算寿命最长,是恒定偏压TiN涂层（S1）的4倍多。课题的以上研究成果可为海水环境下精密运转机械零部件防护涂层的设计、优化、制备和工程应用提供较全面的理论支撑。

关键词： SnO   掺杂   磁性   应力   第一性原理计算  

摘要： 半导体技术是当今信息时代的基础,对信息的处理与存储需要突破摩尔定律的瓶颈,因此对电子器件的效率提出了更高的要求,自旋电子学的出现带来了希望。与传统半导体器件不同的是,自旋电子器件能够同时应用电子的电荷和自旋属性,解决了信息的存储问题,增加了器件的处理速度和集成密度,降低了电能消耗,为凝聚态物理和材料科学领域带来了新希望。目前,对于二维材料的研究是当前的热点问题。因此,本文选取二维一氧化锡（SnO）作为研究对象,使用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法,对非金属元素（B、C、N）以及部分3d过渡金属元素（Fe、Co、Ni、Cu、Zn）掺杂的SnO表面进行研究,同时在掺杂体系的基础上进行不同程度的拉伸应力来进行探索,深入了解相应的自旋电子学机制,为新型二维材料在自旋电子学中的应用提供了重要的理论依据,研究发现:1)对含有不同缺陷的SnO表面的形成能进行比较。其中,在含有非金属元素B、C、N缺陷的SnO表面体系中,含有N原子的形成能最低,含B原子的形成能高于含C原子的;在含有Fe、Co、Ni杂质的体系中,含Ni原子的形成能最低,含Co原子的形成能高于含Fe原子;在含有Cu、Zn原子的体系中,含Cu原子的形成能高于含Zn原子的形成能。2)在掺杂单个非金属原子的SnO表面体系中,掺入B原子和N原子会使SnO表面产生磁性,产生的磁矩大小分别为2.99μB、1.00μB,主要由B-p、N-p以及非金属原子周围四个氧原子的p轨道提供。在SnO表面掺入两个相同B、N原子的磁耦合研究表明,两个非金属原子间均以反铁磁耦合为主。当在单掺杂体系的基础上施加双轴对称应变后,施加在含有B原子体系的拉伸应变只能达到4%,此时,体系的磁矩大小由2.99μB减小为1.00μB。对含有C、N原子的掺杂体系施加拉伸应变可以达到8%,体系仍保持稳定,在应变过程中磁矩保持不变。3)在掺杂Fe、Co、Ni原子的体系中,引入Fe、Co原子会使SnO表面产生磁性,计算得到的磁矩分别为2.00μB、1.00μB,主要由Fe-d和Co-d轨道贡献。对于磁性体系的磁耦合研究表明,两个Fe原子之间以反铁磁耦合为主;在选择的四种掺杂距离中,两个Co原子在掺杂距离为3.588（?）、5.368（?）时是反铁磁耦合,在其余的两种掺杂距离是铁磁耦合。对单掺杂体系施加应变后,拉伸应变均可以达到8%。掺杂Fe、Ni原子体系的磁矩保持不变;掺杂Co原子的体系在拉伸应变为8%时,磁矩增大为3.00μB。4)在掺杂Cu、Zn原子的体系中,掺杂Zn原子不会产生磁性,而掺杂Cu原子会使SnO表面产生磁性,计算得到的磁矩为1.00μB。从电子结构上看,磁性主要是由Cu-d和O-p轨道杂化所致。Cu原子在不同距离上的磁耦合研究表明,Cu-Cu之间仅在掺杂距离为7.592（?）处是铁磁耦合,而在其余掺杂距离以反铁磁耦合为主。此外,在受到双轴对称应变后,掺杂Cu原子的SnO单层的磁矩保持1.00μB,掺杂Zn原子的SnO单层是惰性的,磁性仍然不存在。

关键词： 膝关节半月板   有限元分析   应力场   运动模式   护膝  

摘要： 半月板是膝关节中重要的承载组织,具有维持膝关节稳定和缓冲震荡等作用,但因其组织和形态特点,损伤后不能自行修复再生,进而引起膝骨关节产生病变。研究半月板的力学特征,为预防和治疗膝关节疾病、膝关节假体优化设计等提供理论支撑。本文围绕健康人体膝关节半月板在行走和跳跃两种运动模式中的应力场展开数值研究,分析半月板的应力场分布特征、峰值应力及其分布规律等,讨论半月板损伤及其护膝防护的功效和力学依据。 首先,文中构建了较真实详细的膝关节组织几何模型和计算数值模型。结合CT与MRI断层扫描图像数据,构建出包括骨、关节软骨、韧带、半月板和膝关节外围软组织的较详细人体膝关节几何模型,更加真实地模拟膝关节的组织结构;基于Life MOD模拟行走和跳跃两种运动的全周期步态载荷数据,包括垂直压载、内外旋矩和屈膝角度,并利用ABAQUS建立膝关节半月板在行走和跳跃典型步态中的数值模型。 其次,围绕行走和跳跃两种运动模式中全周期的膝关节半月板应力场展开研究,分析内、外侧半月板的应力场分布规律,峰值应力及其分布位置等。同时,通过增加膝关节外围软组织结构来建立更加真实详细的膝关节组织几何模型,并进行行走和跳跃运动中典型步态的模拟,获得更加真实的半月板应力场。在行走运动完整周期中,内侧半月板上出现最大应力;在步态2中出现峰值应力,位于内侧半月板前角;且随着屈膝角度的增加,峰值应力位置由半月板前角向中部转移。在跳跃运动周期中,内侧半月板上出现最大应力;在蓄力起跳和落地瞬时两个步态中产生峰值应力,均位于内侧半月板前角。 最后,文中建立普通、运动、热力普通和热力运动四种不同功能护膝,分析不同护膝条件下膝关节半月板的应力场,对比跳跃运动中蓄力起跳和落地瞬时两个典型步态下内侧半月板的峰值应力和分布区域,探究半月板的损伤及其护膝防护的功效和力学依据。在护膝条件下半月板应力分布均有所改善,峰值应力减小,且其分布由前角转向中部;且热力运动护膝对于膝关节半月板的损伤防护作用显著。