课程文献中心 更多>>

关键词： 活塞   有限元   温度场   应力场   热负荷分析  

摘要： 对于高功率密度柴油机,由于强化指标的提升,活塞、缸盖及进排气阀等受热件成为限制发动机功率、影响可靠性及寿命的主要部件。活塞作为受热件的主要部件直接承受机械负荷和热负荷的耦合作用,由于受整机结构尺寸限制,其可预留的设计裕量越来越小。为提高活塞强度分析及预测设计的精度,本文针对活塞瞬态温度场、应力场及耦合应力计算方法开展了研究,并分析了燃油湿壁产生局部周期性应力对活塞的影响。论文的主要工作如下: 首先,针对某型柴油机功率由1380k W提升到2000k W的改进需求,在2000k W工况下,采用GT-power软件建立的一维性能计算模型计算了喷油提前角由上止点前12℃A到20℃A变化时柴油机示功图及缸内燃气温度,将之作为活塞强度评估的燃气侧边界条件。同时,为了提高计算精度,提出了活塞顶面换热系数的扇形划分方法。在建立了活塞的瞬态有限元分析模型的基础上,引入辐射系数k,进行了考虑热辐射的活塞顶面扇形换热边界划分,进而对活塞温度场和热流密度场的空间分布情况进行分析计算,为后续应力场的分析提供了理论依据。 其次,对柴油机功率分别为1380k W和2000k W工况下的活塞应力场进行了瞬态分析,重点对活塞顶面中心、喉口处、第一环槽和冷却油腔外圈等关键区域在两种功率下的应力和变形进行对比分析。结果显示,相同半径处热辐射区域波动热应力数值较高,在对2000k W功率下的活塞进行强度校核时应以爆压时刻为依据,此时耦合应力最大值位于螺栓的接触面,为865.8MPa。 最后,为了实现柴油注入的精准控制,满足不同工况下柴油机的燃烧要求,对不同喷油提前角下活塞的应力场及变形位移进行对比分析。以2℃A为间隔,喷油提前角由上止点前12℃A到20℃A时,应力峰值和变形位移峰值增大且所对应的曲轴转角有所提前。针对柴油机增大功率出现的活塞湿壁现象,设计了燃油撞壁模型,对发生湿壁的局部区域产生的高周热负荷进行重点分析。 综上所述,柴油机功率提高使得其设计裕量越来越小,故高功率柴油机强度校核过程中,本文所建立的热-机耦合应力模型能够详细的描述功率提高后活塞温度场和应力场的瞬态分布特性,对于活塞的强度校核和结构优化设计具有一定的指导意义。

关键词： 数值模拟   温度场   应力场   残余应力   神经网络  

摘要： 激光增材制造是一种以激光为能量来源实现逐层累积加工的先进制造技术,具有可兼顾精确成形和高性能成形需求的特点,是目前金属增材制造中最具应用潜力的方法。本文围绕镍基合金激光沉积制造开展数值模拟,并辅以实验验证和讨论,基于沉积线、面、壁、体等不同成型结构的温度场、应力场和变形场展开分析,探究工艺参数的选择、扫描策略的规划与成型件成形质量之间的相互影响,为镍基合金激光沉积增材制造提供理论支持和实验指导。具体内容包括: (1)单层单道沉积,即围绕加工“线”型工件进行数值模拟,基于温度场探究工艺参数和熔池容积间的关系,同时利用BP神经网络建立熔池容积与工艺参数包括激光功率、扫描速度、光斑半径和沉积层厚之间的关系模型,生成充足且有效的预测数据组,并结合残余应力场分析,选定工艺参数进行沉积实验验证和分析。 (2)单层多道沉积,即围绕加工“面”型工件进行数值模拟,基于对温度场、应力场和变形场的分析,探究扫描路径、搭接率与成型件成形质量间的关系。文中选择单向、往复、螺旋三种扫描路径和30%、40%、50%三种搭接率下的九组扫描策略进行数值模拟,发现单向扫描50%搭接率时残余应力最小,往复扫描30%搭接率时,残余变形最小。同时进行九组扫描策略的沉积实验,分析成型件的成形质量,并结合数值模拟结果进行对比讨论。 (3)多层单道沉积,即围绕加工“壁”型工件进行数值模拟,基于温度场分析各沉积层的熔池特征,讨论工艺参数对熔池容积间的影响,基于BP神经网络构建考虑扫描层数的熔池容积和工艺参数的关系模型。并分析薄壁沉积各层的应力场和变形场分布和特征。 (4)多层多道沉积,即围绕加工“体”型工件进行数值模拟,首先结合文中单层多道的扫描策略分析和多层单道的层间温度场、应力场和变形场特征分析,确定多层多道的四种沉积策略,即搭接率为30%的单向连续、换位沉积和往复连续、换位沉积,模拟发现单向换位沉积残余应力最小,往复连续沉积残余变形最小。进行沉积实验,分析成型件表面质量和成形质量,测算成型件的残余应力。

关键词： 地铁车轮   过盈配合   应力场   温度场   热力耦合   优化设计  

摘要： 车轮作为地铁运行过程中的关键行走件,不但要承载轮轨之间的作用力,还要承受车辆制动时产生的热应力。在机械应力和热应力的双重影响下,车轮是否具有足够的强度,是地铁安全运行的重要因素之一。本文基于山西省科技重大专项“基于高可靠性服役条件的大直径复杂结构机车轮关键技术研究”,以提高地铁车轮强度为目的,对地铁车轮的温度场、热力耦合特性以及结构优化进行研究。本文的主要研究内容包括:(1)根据国际铁路联盟标准选取0.26 mm过盈量来建立地铁车轮模型,研究轮轴过盈配合对车轮应力的影响;通过静强度、疲劳强度和紧固度的计算,对轮轴过盈配合的安全可靠性展开评定。得出以下结果:轮毂孔接触压力沿轴向方向呈字母“W”型分布;靠近轮毂处的辐板应力有明显升高。(2)在轮轴过盈配合有限元模型的基础上,考虑材料物理性能和力学性能随温度的变化,采用直接耦合法,研究地铁车轮在踏面制动工况下的温度以及耦合应力的变化规律和相互关系:车轮径向温度变化速率与踏面的距离成反比;车轮上靠近踏面的位置,耦合应力受温度的影响较大;靠近轮毂的位置,受轮轴过盈配合的影响较大。(3)通过研究不同磨耗量下车轮的机械应力和热-机耦合应力对车轮结构强度的影响,获得了不同磨耗量下车轮机械应力和耦合应力的变化规律,并对磨耗到限车轮轮对的安全可靠性展开评定,结果表明:新车轮与磨耗到限车轮辐板处的应力最大相差69.3MPa;在车轮直径从820 mm变为810 mm时,车轮辐板的耦合应力会提升24.7 MPa;车轮直径在820 mm-840 mm区间内耦合应力比较稳定,浮动只有9.1 MPa。(4)以车轮S型辐板为优化区域,最大等效应力值最小化为优化目标,车轮辐板体积为约束条件,对地铁车轮进行形状优化:优化后辐板与轮毂、轮辋连接部分的角度分别减小了1°和2°,与轮毂衔接圆弧处的厚度增加了3 mm。优化后车轮在直线工况时的最大等效应力降低9.8%,车轮辐板的应力幅值和应力均值都较原辐板小,车轮的疲劳性能更好。车轮性能得到了提高,证明了车轮形状优化的有效性。本文研究内容为地铁车轮的结构设计及优化提供了参考。

关键词： 迷宫式调节阀   流场特性   CFD   应力分析   流固耦合  

摘要： 调节阀结构稳定,广泛地应用于工业自动化控制领域,其同时兼具减温减压、调节流量的作用,对系统的可靠性起着决定性作用。随着现代工业快速发展,工业生产不仅需要提高质量更注重高效环保,对于调节阀除了要求其具有安全可靠性能,还要有节能可调度高等要求。所以设法提高阀门调节性能,研究调节阀的流通能力降低流体介质流过阀内的能量损失,使其能够在较为恶劣的工作环境下安全高效的运行,对迷宫式调节阀的发展前景具有深远意义。 因此,本文以某汽轮机旁路系统中的迷宫式调节阀为研究对象,首先利用三维建模软件对调节阀及内部流场进行三维全尺寸模型建立。利用Fluent等仿真模拟软件对调节阀内部流场进行计算分析,得到调节阀内流场分布特性。之后,通过数值模拟计算不同开度下的内流场压力、速度、湍动能得到:压力损失主要发生于迷宫组件的碟片流道、随着阀门开度增大,压力梯度增加;阀内最大流速随开度增大表现出分段变化,但阀内流量始终与阀门开度保持正相关关系;不同开度下湍动能最大值出现在迷宫流道出口发生蒸汽汇流的阀芯腔体内部,随着开度的增大,迷宫组件接入层数增多,对于阀门内流体的控制能力提高,阀芯内流体紊乱程度降低,湍动能下降,流动趋于平缓。 接着,在额定工况开度下,对不同压差下的内流场变化特性进行分析,随着压差增大,阀内低压区增多。通过迷宫组件的调节有效减低了压力降带来的压力突变,压降逐级递减。流场内整体流速随着压差增大而增大,压差达到最大时,阀内出现最大流速,流场稳定性降低。高速区和低速区在流场中的分布基本保持不变,说明迷宫组件对不同压差下的工质调节作用一致。阀内的温度梯度的变化与压差的变化并不是线性的,而是与阀内流速相关,迷宫组件流道内部与阀芯腔体处的温度变化明显,与速度场的变化相吻合。 最后,采用有限单元法结合阀门结构强度校核理论,对迷宫式调节阀的阀体、阀盖进行应力分析计算及强度校核得到:阀体的应力及变形出现在入口位置壁面处,阀盖的应力主要集中于与阀体接触位置的边缘,主要变形出现在阀盖中心。在阀门运行时应重点关注应力集中区域,必要时要对应力集中区域进行热喷涂和平滑处理,防止应力集中。应力校核结果表明:阀盖及阀体结构出现的最大应力均小于材料的许用应力。

关键词： 偏滤器   超汽化   电磁-热耦合   应力分析   疲劳寿命  

摘要： 偏滤器是托卡马克装置内部最靠近等离子体的部件之一,会面临复杂而严峻的运行工况带来的考验,高热负荷将导致偏滤器产生很大的热应力和变形,当等离子体发生垂直位移事件或等离子体破裂事件时,也会产生巨大的电磁载荷作用在偏滤器上,对偏滤器的结构和材料是极大的考验。为进一步提高聚变堆偏滤器的安全性和可靠性,本文参考ITER设计了超汽化平板型偏滤器靶板结构,进行热负荷下的结构优化设计,开展了平板型偏滤器靶板在电磁、热载荷下的安全性能评估,建立了电磁和热复杂运行工况下的可靠性疲劳寿命预测模型。本文首先阐述了超汽化平板型靶板强化换热的原理,采用欧拉-欧拉两相流模型以及RPI沸腾模型,针对超汽化平板型靶板结构开展过冷沸腾数值模拟分析,研究了三种翅片结构在不同质量流速和不同热流密度条件下的换热能力,并进行翅片与壁面之间间隙尺寸的优化。针对优化后的结构,进行有限元热结构分析,结果表明其能够满足承受10 MW/m2的稳态热负荷要求和结构强度要求,在此基础上,根据局部应变-寿命法、Neuber法则以及材料的疲劳寿命循环曲线对该结构开展了稳态热负荷下的疲劳寿命评估,并使用ITER内部部件设计评估标准对换热部件进行了棘轮失效分析,结果表明结构不会发生棘轮失效。然后针对等离子体垂直位移工况和大破裂工况,探讨了 Halo电流和涡流机理,通过仿真分析和理论计算的方式得到了 Halo电磁力和涡流电磁力的大小,基于电磁结构耦合分析初步评估了结构的可靠性,并进一步模拟冲击过程中真实的应力状态,对超汽化结构进行瞬态动力学分析,依据聚变装置内部部件的弹性、弹塑性评估准则对结构开展了安全性能评估,表明结构具有很高的可靠性。最后采用多元线性回归的方法建立电磁和热耦合下超汽化平板型靶板结构的疲劳寿命预测模型,通过该多元线性回归模型能对平板型靶板结构进行寿命预测,根据模型的参数特性从理论上对模型进行了检验,并设计了部件制备和寿命实验方案以修正疲劳寿命模型。本文对于电磁与热载荷作用下的平板型偏滤器靶板结构可靠性及疲劳寿命分析建立了一套完整的体系,所建立的疲劳寿命模型能够合理评估平板型偏滤器靶板在聚变装置服役过程中的疲劳寿命。

关键词： 人工颈椎间盘置换术   内植物-骨界面   骨重塑   骨整合   应力  

摘要： 目的: 人工颈椎间盘置换术(artificial cervical disc replacement,ACDR)是一种被广泛应用的颈前路手术方式之一,在理论上具有保留手术节段活动度、减缓邻近节段退变的优势。人工颈椎间盘假体与椎体终板的牢固结合是实现假体运动功能、稳定性以及良好临床疗效的关键。由于人体颈椎终板形态的不规则性以及不同个体、节段之间的差异性,现有商用的颈椎间盘假体与颈椎终板难以完美匹配,假体植入后常会在内植物-骨界面存在大小不等的间隙。间隙的存在可能导致内植物-骨界面应力分布不均、假体即刻稳定性下降,影响术后骨重塑与骨整合过程,增加假体移位、下沉的风险。另外,目前评估ACDR术后的内植物-骨界面的方式是通过X线、计算机断层扫描(computed tomography,CT)图像对内植物-骨界面进行观察,但这类影像学检查无法对骨整合的状态进行检测,因此目前需要一种能够有效检测ACDR术后内植物-骨界面骨整合程度的方法。 因此,本研究拟通过临床研究及三维有限元研究探索ACDR术后内植物-骨界面间隙特征对骨重塑、临床疗效及影像学结果的影响;并通过三维有限元分析方法模拟ACDR术后内植物-骨界面不同骨整合程度,分析假体表面应力与骨整合程度的关系,为人工颈椎间盘假体设计优化及具有骨整合监测功能的智能颈椎间盘假体研发提供前期基础。 研究方法: 1.通过回顾性临床队列研究方法,收集2009年12月至2020年12月期间于四川大学华西医院因颈椎间盘退行性疾病接受单节段或双节段Prestige-LP颈椎间盘假体ACDR手术患者术前、术后1周及末次随访时的临床与影像学资料,具体包括:(1)临床资料:日本骨科协会评分(Japanese Orthopaedic Association,JOA)评分,颈椎功能障碍指数(Neck Disability Index,NDI),颈部疼痛视觉模拟量表(visual analog scale,VAS)评分等;(2)影像学资料:椎体终板形态与内植物-骨界面间隙、C2-C7角、脊柱功能单位(functional spinal unit,FSU)角、椎间隙角、节段倾斜角、C2-C7矢状位垂直轴(sagittal vertical axis,SVA)、T1倾斜角等颈椎矢状面序列参数及活动度(range of motion,ROM)、异位骨化(heterotopic ossification,HO)、椎体前方骨吸收(anterior bone loss,ABL)、假体稳定性及影像学邻近节段病变(radiographic adjacent segment pathology,r ASP)。比较上述指标在有无内植物-骨界面间隙的患者以及手术节段中的差异,明确ACDR术后内植物-骨界面间隙的临床影响。 2.采用一位健康青年男性志愿者的薄层CT图像的DICOM数据构建完整颈椎(C2-C7)三维有限元模型并对模型的有效性进行验证。建立Prestige-LP颈椎间盘假体有限元模型,模拟C5/6节段的ACDR手术,分别构建颈椎内植物-骨界面有间隙模型和无间隙模型,并定义内植物-骨界面边界条件。随后将模型的C7椎体下终板固定,对C2齿状突施加73.6 N的载荷以模拟头部重量,以及1.0 N·m的力矩使颈椎产生前屈、后伸、侧弯和轴向旋转运动。比较有间隙模型与无间隙模型内植物-骨界面的应力分布、微动与下沉位移,明确ACDR术后内植物-骨界面间隙的生物力学影响。 3.利用有限元方法分别模拟无间隙模型与有间隙模型内植物-骨界面不同的骨整合程度。在无间隙模型中,改变C5椎体下终板与人工颈椎间盘上假体的绑定连接区域,模拟无骨整合、部分骨整合与完全骨整合3种状态;在有间隙模型中,利用内植物-骨界面刚度演化方法构建ACDR术后内植物-骨界面间隙骨整合模型,将骨整合过程划分为6个阶段,代表由无骨整合逐步发展至完全骨整合的过程。比较不同骨整合程度时假体表面的应力变化情况,明确ACDR术后内植物-骨界面应力变化反映骨整合程度的可行性与有效性。 结果: 1.研究共纳入177例单、双节段ACDR患者,总计229个置换手术节段。患者中男性70名,女性107名,平均年龄为(43.02±8.25)岁,平均随访时间(44.77±22.72)月。117个(51.1%)手术节段存在内植物-骨界面间隙,平均大小为(0.96±0.31)mm,间隙多于术后3～6月消失。根据术后内植物-骨界面间隙情况将手术节段分为有间隙组和无间隙组,两组在术前下终板穹隆高度、手术节段数量、手术节段分布以及上椎体打磨角度方面均无统计学差异(P>0.05)。有间隙组的假体长度与高度均显著小于无间隙组(P<0.05)。根据手术节段的终板形态,将节段分为Ⅰ型终板(穹窿顶点靠后型)、

关键词： 激光熔覆   局部修复   数值模拟   温度场   应力场   界面性能   调控方法  

摘要： 对于地铁车轮来说,服役过程中轮轨接触行为复杂,局部损伤的激光熔覆修复区界面更容易遭受破坏,从而直接影响损伤修复后的使用效果。因此,必须系统开展车轮局部损伤激光熔覆修复界面性能影响因素分析,并由此揭示其性能调控方法,为轨道车辆车轮局部损伤激光熔覆工艺优化提供路径,确保损伤修复质量。研究目标是通过局部损伤激光熔覆修复地铁车轮试样在局部轮缘损伤下的情况,明确地铁车轮局部损伤激光熔覆修复区界面的失效形式及失效机理。研究方法通过构建外部能量场同步热场干预下的地铁车轮局部损伤激光熔覆修复过程的数值仿真模型,分析外部能量场参数与激光熔覆修复区界面组织结构及性能之间的调控关系;并且分析样品微观形貌和力学性能试验结果,优化完善外部能量场干预的地铁车轮局部损伤激光熔覆修复界面性能调控方法,并进行工艺固化。研究内容以地铁车轮局部损伤修复为研究对象,以激光熔覆修复区界面性能调控为目标,重点开展地铁车轮局部损伤激光熔覆修复区界面性能演变与失效机理研究,通过数值仿真分析探索外部能量场调控参数对修复区界面组织结构、残余应力分布、硬度、结合强度等的影响,揭示外部能量场调控参数与激光熔覆修复区界面性能最优的匹配关系。分析局部损伤激光熔覆修复涂层界面区域组织结构、残余应力分布、硬度、分界面结合强度等的演变规律。由此推演其调控方法,并进行工程化实验验证,对比分析其界面性能演变规律及失效机理,根据实验结果优化外部能量场调控参数;利用已优化的外部能场作用于真实地铁车轮表面局部损伤的激光熔覆修复过程,进一步优化界面性能调控参数,固化地铁车轮局部损伤激光熔覆修复界面性能调控工艺。具体研究结果为同步热场的温度会叠加整体温度场的温度,但最高值的温度不会叠加过高,3类温度参数下,最高值温度相差较小,但最低温度有很大提升,这有助于温度梯度的跨度值降低,保证了界面处的温度梯度的平缓,界面处的温度随时间变化图温度也随之增加,但最低温度与最高温度的差距更小,同步热场为200℃的仿真效果较好。随着同步热场温度的提升,等效应力的值减小,同时,法向应力的三个方向的界面路径应力要低于未添加同步热场的情况。随着同步热场温度的增加,熔覆层和界面处的组织分布均匀,呈现良好的冶金结合。同布热场辅助会使硬度随着温度的升高而增加,同时冲击韧性和拉伸性能有所降低,为了匹配车轮在日常服役中的原因,Fe基材料同步热场选在100℃有较优的表现,不锈钢材料选在200℃有较优的表现。

关键词： 第一性原理计算   二维材料   应力   电子结构   力学性质  

摘要： 石墨烯的发现及其非凡性能引起了人们对二维(2D)材料的广泛研究兴趣。越来越多的二维材料被相继制备成功,如过渡金属硫化物、己醇氮化硼、单质二维材料和层状金属氧化物。它们具有许多不同寻常的特性,如可调带隙特性、自旋自由度的可控性、谷自由度以及电学或光学性质的各向异性。2019年Ji等人在实验上合成了只有一个晶胞厚度的无支撑钙钛矿二维材料,研究发现它具有极好的铁电极化特性和极高的柔性,大大拓展了传统钙钛矿材料的应用范围。然而,二维材料在实验测量与应用过程中不可避免要受到多种形式应力的影响,例如压力、衬底应力、化学应力、热应力。这些多种形式的应力对二维钙钛矿薄膜的物理性质的影响尚不清楚。本文采用第一性原理计算方法,研究了单层Sr Ti O(STO)在在面内应力和面外应力下的电子性质。本文的主要内容如下:一、采用第一性原理计算方法,研究了单层STO的力学性质。首先,我们通过能量-应变的方法计算了单层STO的弹性常数,所得结果满足二维正方晶体力学稳定性准则。由弹性常数计算得到了单层STO的杨氏模量和泊松比,计算表明二维STO具有超低的杨氏模量。其次,我们通过应力-应变曲线计算了单层STO的双轴和单轴极限拉伸强度。结果表明单层STO具有很好的柔韧性。二、采用第一性原理计算方法,研究了单层STO的晶体结构。我们发现晶格常数a和b在双轴应变(?ab)下呈线性变化。在正单轴应变(b)作用下,晶格常数a对外加应力不敏感。而在单轴负应变下,单层STO晶格常数a先增大后减小,临界点在-8%左右,表现为负泊松效应。大多数研究表明,在外部应力作用下,本体STO会发生顺电-铁电相变。我们计算了在双轴和单轴应力下理想中心相与铁电相之间的Ti原子畸变。在负单轴应力作用下,Ti原子畸变先增大后减小,其临界点约为-8%。三、采用第一性原理计算方法,研究了单层STO的电子结构。我们发现,在三维多重应力下,单层STO在面内应力条件下从半导体转变为金属相。单层STO的带隙随着正双轴应变的增加而增大,当施加负双轴应变时带隙减小至零。此外,我们发现单层STO的金属相在面内双轴应力作用下,当加入面外压应力时,会回落到半导体相。通过分析电子能带结构、态密度、电荷密度和轨道投影能带结构,发现Sr和O原子的p轨道以及Sr原子的d轨道对多重半导体金属相变有显著影响。综上,我们研究了单层STO在应力下的晶体结构、电子结构和力学性质。结果表明,单层STO在三维应变条件下具有多重半导体-金属相变。在面内应力下,Ti原子的畸变导致了带隙的极大增强。单层STO具有超低的杨氏模量,表明其具有很好的柔韧性。因此,单层STO在三维应变条件下丰富的半导体-金属相变为其在二维材料电子特性调控中的应用提供了机会,优异的柔韧性为其在柔性纳米器件方面显现出巨大的研究价值。

关键词： DD6单晶高温合金   组织演化   蠕变   应力分析   缺陷  

摘要： DD6合金是我国自主研究的第二代单晶高温合金,凭借着其屈服应力高,熔点高以及高温下抗疲劳性能好等特点,被广泛用于航空发动机部件中,但当高温合金中存在组织缺陷时,会使其力学性能大幅度下降。本文对有无缺陷的单晶合金进行蠕变测试、组织形貌观察并利用有限元方法对近缺陷区域的应力分布进行分析,所研究的工作和主要结论如下: (1)开展了DD6合金在有无裂纹缺陷条件下的组织形貌观察和蠕变性能测试并利用ABAQUS软件进行分析,研究当合金中有无裂纹缺陷和不同尺寸的裂纹对蠕变性能和组织演化的影响。分析结果表明:单晶合金中由于裂纹的存在寿命明显变短,应变量也明显降低,经过热处理后的单晶合金中γ'相嵌镶在γ基体中是以共格的方式,单晶合金蠕变后γ'相转变为N型筏状组织。在裂纹附近筏状γ'相出现较大的扭曲,随着蠕变的继续,沿着γ'相界面裂纹发生扩展,可以看到在大裂纹的周围还有微小裂纹存在。在裂纹尖端极值点处有最大应力值,并随着蠕变的进行变大,沿着与拉应力成45°角的方向应力更大,这是单晶合金中筏状γ'相沿该方向排列的原因。随着裂纹长短轴比值的增加,蠕变后在裂纹两侧极值点处的应力也随之增加。 (2)对有圆形孔洞缺陷和在圆形孔洞缺陷两侧有微裂纹的合金进行组织相貌观察和蠕变性能测试,并进行有限元分析。分析结果表明:当合金中存在圆形孔洞缺陷时,随着蠕变的进行,原本圆形孔洞转变为椭圆形孔洞,沿着与施加拉应力成45°角方向有微裂纹萌生。合金中圆形孔洞缺陷两侧带有微裂纹时,蠕变后靠近孔洞缺陷的筏状γ'相取向呈现流线型并与缺陷附近的边界平行,两侧的微裂纹发生扩展。合金中存在圆形孔洞时,沿与拉应力成45°角方向的应力更大,这是导致合金在与拉应力成45°角方向有微裂纹的原因。随着圆形孔洞半径的增加,蠕变后其最大应力也随之增加。 (3)对合金中存在的圆形、方形和椭圆形夹杂进行组织形貌观察,并通过有限元软件分别建立模型,分析不同尺寸、形状的夹杂缺陷对应力分布的影响。分析结果表明:在蠕变后方形夹杂和圆形夹杂的两侧存在应力最大值,随着圆形夹杂和方形夹杂尺寸的增加,在其两侧的应力值也随之增加,相同尺寸的椭圆形夹杂物长轴与施加载荷的方向垂直时,其极值点处的应力大于长轴与施加载荷的方向平行时。

关键词： 钙钛矿太阳能电池   氧化锡   碘化铅   应力  

摘要： 钙钛矿太阳能电池（PSCs）是最具有前景的新型光伏电池之一,经过短短十几年的发展,其光电转换效率（PCE）已迅速提高至25.7%。在PSCs的研究中,大量证据表明过量/残留的碘化铅会影响PSCs的性能。碘化铅本身的光不稳定性会引起分解反应并降低器件的稳定性。本文采取理论研究与实验改进相结合的方式,提升了钙钛矿太阳能电池器件的效率和稳定性,并探索了性能提升的影响机制。本文的主要研究内容包括以下几点:（1）本文系统性地研究了钙钛矿薄膜中过量/残留碘化铅。一般来说,残留碘化铅主要来源于薄膜制备过程中碘化铅的转化不完全、前驱体溶液中无机盐与有机盐失配的化学计量比和钙钛矿材料的降解。同时本文也探讨了钙钛矿薄膜中碘化铅的多种表征技术和其影响性能的作用机理,并总结了碘化铅的调控方式。（2）本文使用了一种剥离技术成功地剥离了钙钛矿层的下表面,直观地观察到了钙钛矿层埋底界面处碘化铅分布情况。并提出了基于Sn O2的铵盐卤化物掺杂策略,不仅改善了电子传输层与钙钛矿层的界面接触,还调控了底界面的残余碘化铅,使得电池器件的光照稳定性得到了大幅度地提升。（3）本文进一步地提出了在Sn O2中掺杂混合A位阳离子卤化物（FAI-Cs Br）的改进策略。通过这种策略,可以将埋底界面附近的有害的残留碘化铅转化为内在稳定的FACs体系钙钛矿。Cs+的加入平衡了埋底界面附近由MA+引起的晶格应变,消除了底部区域的残余拉伸应力,抑制了钙钛矿从α相到δ相的转变,并改善了电池器件的相稳定性。最终,钙钛矿太阳能电池和模组分别获得了24.26%和20.97%的光电转换效率。这些PSCs在一个太阳光照下运行1000小时后,仍能保持其初始效率的94.7%。