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关键词： 夹层技术   非龋性颈部缺损   咬合角度   三维有限元法   应力分析  

摘要： 目的:使用三维有限元法分析运用夹层技术时不同充填材料和咬合角度对患非龋性颈部缺损的下颌第一前磨牙及充填体应力分布的影响。方法:建立下颌第一前磨牙非龋性颈部缺损三维有限元模型作为对照组,4组材料修复模型作为实验组:A组:3M Filtek Z350XT树脂-玻璃离子水门汀,B组:3M Filtek Z350XT树脂-Cention N,C组:3M Filtek Z350XT Flowable流体树脂-玻璃离子水门汀,D组:3M Filtek Z350XT Flowable流体树脂-Cention N。给予所有模型位于颊尖顶的垂直向载荷(0°)和位于颊尖偏颊侧的侧向载荷(30°,45°,60°)各100N,用ANSYS 17.0进行应力分布分析。结果:(1)对照组侧向加载时剩余牙体组织Von Mises应力峰值(MPa)比垂直向时分别增加49.3%,222.4%,376%。与对照组相比较,A、B、C和D各组充填完成后均能大幅度地降低牙体组织应力,且组间差异不大。(2)随着载荷角度的增大,内层材料应力峰值(MPa)由大到小依次为D组>B组>C组>A组。(3)随着载荷角度的增大,外层材料Von Mises应力峰值(MPa)由大到小依次为为A组>B组>C组>D组。(4)随着载荷角度的增大,粘接层在垂直载荷时,按Von Mises应力峰值(MPa)由大到小依次为C组>D组>A组>B组,侧向载荷时,由大到小依次为A组>B组>C组>D组。结论:从结果综合来看,相同咬合状态下,使用3M Filtek Z350XT Flowable流体树脂与Cention N联合充填患有非龋性颈部缺损的下颌第一前磨牙时更具优势,此结论也许能为夹层技术修复非龋性颈部缺损材料的选择提供参考。

关键词： 密度泛函理论   电催化   析氢反应   锑烯   掺杂   应力  

摘要： 氢能被认为是最具有发展价值的清洁能源之一,在制备氢能的各种工艺中,电催化裂解水被认为是一种简单易控、清洁环保的方法。为了快速、高效的制备氢能源,开发具有高活性、高稳定性、低成本的电催化剂就显得尤为重要。本文利用密度泛函理论,探究了第Ⅴ主族和第Ⅵ主族单原子（N、P、As、O、S、Se、和Te）锚定到二维β-Sb表面空位后对析氢反应（HER）的影响,计算结果表明当β-Sb二维表面掺杂第Ⅵ主族原子时,掺杂摩尔浓度为2.78%的Se@Sb结构和O@Sb结构以及掺杂摩尔浓度为5.56%的S@Sb结构在保持良好的稳定性的同时展现出可以与Pt（111）表面相媲美的HER催化活性。此外,研究表明对Te@Sb结构施加大约为4%～5%的x、y双轴压缩应力也可以实现对HER催化活性的调控。本项工作的研究内容除了设计出可以有效改善HER电催化活性的D@Sb掺杂结构外,还从Bader电荷、电子分波态密度（PDOS）和晶体轨道哈密顿布局（COHP）等物理学角度解释了掺杂原子后β-Sb结构中Sb原子被激活的原因。此外,引入了一个新的表征HER电催化剂催化活性的物理量——费米能级上电子的占据数。总体而言,本篇论文的研究工作不仅提出了改善β-Sb二维结构表面HER电催化活性的方案,而且从物理学角度揭示了改善催化活性的原因,相信该研究工作会为后续β-Sb二维材料的应用提供一定的帮助。本篇论文的结构安排为:第一章:绪论。首先简要概述了近年来氢能源对社会发展的重要性,其次描述了电催化裂解水制备氢能源这一方法的基本原理与机制;化学反应需要催化剂来加快反应的速率,提高反应物的利用率,因此在本章最后一部分对HER的电催化剂进行着重的描述。第二章:理论方法。在第一部分简单介绍了计算物理学领域中重要的理论方法——第一性计算原理的基础理论知识和发展过程;第二部分描述了在计算电催化的相关工作中所需要的一些工具;最后在本章的结尾部分概括了本篇工作中所用到的软件。第三章:研究内容。首先是对β-Sb这种典型的蜂窝状二维材料进行几何结构和电子结构的描述,随后对具体的研究内容展开讨论,最后计算结果表明当D=O、S、Se、和Te时,掺杂结构D@Sb中被激活的Sb原子表现出良好的HER催化活性。在分析原因部分总结得出:当引入n型掺杂剂到缺陷态β-Sb表面后,被激活的Sb原子的s-pz轨道因为缺失部分孤对电子而产生局域空穴,局域空穴的引入大大减弱了电子间的库伦斥力,从而增强了对H原子的吸附能力。第四章:总结与展望。对β-Sb二维材料的工作内容进行总结,并简要陈述本项研究工作的潜在价值。

关键词： h-BN   缺陷结构   银纳米线   应力   扫描共聚焦成像系统  

摘要： 与传统热光源相比,单光子源表现出独特的量子效应,成为量子通信、量子信息、精密测量、集成光子器件等前沿领域的重要组成部分。金刚石的氮替位-碳空位（NV）色心是目前实现量子计算单光子源的首选载体平台。与金刚石体材料相比,基于二维材料的单光子发射器位于材料表面并表现出更高的量子激发与发射效率有望成为替代金刚石色心的新型单光子发射体。目前科研人员已经证实了过渡金属二卤族化物以及六方氮化硼（Hexagonal boron nitride,h-BN）缺陷结构存在单光子发射特征,基于h-BN缺陷结构的单光子发射器可以在室温条件下实现明亮且稳定的单光子发射,是其他二维半导体材料难以实现的。因此,h-BN材料中的单光子发射体研究具有重要的现实意义。 h-BN块体在合成过程中杂质原子进入到主体材料的晶格结构可能导致天然的缺陷结构的产生,而目前对于h-BN表面天然缺陷的研究表明,其产生位置大多集中在材料边缘或者褶皱区域,具体位置并不可控且密度极低。本文围绕h-BN缺陷结构的制备以及表征,拟通过硅纳米球以及银纳米线对低维氮化硼材料施加应力产生缺陷结构,在h-BN晶格中人工制造发光缺陷,主要内容如下: 第一章介绍了h-BN材料的研究现状,包括h-BN纳米片制备方法以及h-BN发光缺陷结构种类与光谱的对应关系; 第二章主要介绍了本文中制备h-BN缺陷结构所使用的转移与材料处理办法,包括PDMS机械剥离以及PMMA辅助转移办法,高温退火处理。 第三章介绍了h-BN薄膜与发光缺陷结构的表征方法。主要包括基于扫描共聚焦显微系统的荧光成像、发光光谱检测、原子力显微镜显微成像等技术。 第四章中,我们展示了利用200nm直径的硅纳米球以及银纳米线对h-BN薄膜施加局域晶格应变,制备了具有荧光发射特性的h-BN发光色心,与h-BN的天然缺陷结构相比,表现出更高的产生效率以及空间位置确定性。此外,为了进一步理解h-BN的晶格缺陷,我们在超高真空环境中利用氩离子轰击制造氮化硼本征缺陷,并开展了扫描隧道显微镜研究,实现了多种硼原子晶格缺陷的原子分辨结构表征。

关键词： 流-热-固耦合   飞机模型   低温   温度分析   温度调节   应力分析  

摘要： 在飞机的研制过程中,通过低温环境实现高雷诺数气动试验是必不可少且至关重要的。此类试验首先需要将飞机机体模型预冷至目标温度,然后开展正式的低温气动试验,在试验完成后将飞机模型回温至环境温度。在温度调节过程中,机体模型温度的变化可达到150 K以上。可以预见,温度调节过快可能会导致模型结构产生较大的应力集中和热变形;反之,温度调节过慢则会大大延长试验所需时间,降低试验效率。因此,寻找最优的温度调节策略,既保证结构的安全可靠性,又兼顾试验的效率,在两者之间达到平衡,是此类试验需要解决的首要科学问题。有鉴于此,本论文基于大型有限元流-热-固耦合计算,系统地研究了不同温度调节工况条件下飞机模型的温度和应力响应,确定了优化的温度调节方案;在此基础上,在实际参试工况下,进一步对模型的气动特性和结构响应进行了计算分析。研究结果对飞机模型低温高雷诺数气动试验的开展具有一定的指导意义。本论文的主要研究内容和结论概括如下: (1)针对所设计的不同温调工况开展了流-热耦合计算,得到了飞机模型温度响应曲线。在此基础上,提出了模型预冷和回温阶段的优化温度调节方案:即流场马赫数v=0.2 Ma,温度T=110 K,来流角度α=±10°,流场压强p=3 atm;线性调温工况下适当增大调温速率(180 K/h),能有效提高模型温度调节效率。 (2)基于上述流-热耦合仿真结果,本论文进一步开展了飞机模型的单向流-热-固多场耦合分析,获得了飞机模型在不同温度调节方案下的变形和应力响应,验证了模型结构的可靠性。研究发现,在温调工况下,机翼根部和尾翼后缘根部的应力水平最大。直接调温模式最大应力可高达1400 MPa,而线性调温工况最大应力降为203MPa,推荐采用线性调温方案。 (3)基于以上研究,本论文进一步开展了飞机模型正式试验阶段气动特性的仿真计算。通过将模拟得到的升力系数、阻力系数结果与试验数据进行对比,验证了本论文所采用流场数值模拟方案的可靠性。另一方面,进一步将单向流-固耦合模拟与双向耦合模拟结果进行了对比,证明了本论文所采用单向耦合方案的精度对于正式参试工况也是足够的。 (4)在以上工作的基础上,开展了飞机模型正式试验工况下的单向流-热-固耦合模拟分析,获得了正式试验过程中模型的温度场和应力场时域响应。结果表明:在设计的正式试验工况下,模型最大应力为585 MPa,远低于所用材料的低温屈服强度。这验证了模型在正式试验工况下的安全与可靠性。

关键词： 孔底空气间隔   起爆距离   岩石破碎   应力场  

摘要： 台阶深孔爆破作为露天矿山的重要生产环节,随着矿山开采进度的不断推进,爆破台阶的地质条件复杂性也与日俱增。在露天矿山台阶爆破过程中,时常出现爆破质量差,根底多、粉矿率及大块率高、炸药单耗大等问题,通过调整爆破技术方案提高爆破效率。若采用连续装药结构,乳化炸药使用量大、成本高,且炸药能量损失严重。因此针对装药结构做出调整,利用空气间隔进行装药爆破。由于空气间隔不仅可以延长爆压作用时间、提高炸药能量的利用率、降低爆破压力峰值等优势,而且可以降低爆破成本,改善爆破质量。对于底部空气间隔装药起爆位置的设置就尤为重要,起爆位置设计不合理,导致炮孔顶部大块数量过多,炮孔底部存在根底等后果,最终影响正常爆破施工作业。为探究巴润矿台阶底部空气间隔起爆下,起爆点数量以及起爆位置的设置。本文以巴润矿露天台阶爆破为研究模型,运用有限元建立台阶模型,在LS-DYNA数值模拟平台上设置台阶高度为14 m条件,装药段长度不变的条件下,孔底空气间隔长度为3 m、4 m,起爆点距空气间隔位置分别为0 m、0.5 m、1 m、1.5 m不同组合方案起爆的模型,较真实地模拟孔底空气间隔瞬时起爆后整个爆破过程。从爆轰波破碎机理分析,关注堵塞段、装药段以及孔底空气间隔段处等间距点的有效应力时程曲线。通过Origin定量对比不同孔底空气间隔参数与不同起爆位置对有效应力场分布的影响,将爆破中的有效应力极值化,分析组合参数对降低爆压的影响。结果表明,综合考虑炮孔周围岩体有效应力的变化和应力场的变化,分别将孔底间隔长度为3 m参数下,不同起爆距离L下各段监测单元的有效应力峰值统计分析后,得出最佳的起爆距离L应为1.0 m;通过绘制各段监测单元峰值极值点变化曲线得出L=1.0m位置起爆后,波形符合预期效果。堵塞段增强有效应力作用岩体,起到消除大块的效果;装药段,减弱峰值,使能量分布均匀;空气段,消除根底,峰值增大。整体波形而言,L=1.0 m的位置起爆,符合预期效果。模拟结果为现场试验提供方案,现场试验证实模拟手段的可行性。

关键词： 土壤压实   采样   监测系统   应力   应变  

摘要： 土壤压实造成大面积农田土地退化。受压中土壤物理性质发生改变,内部生态平衡被打破,肥力减弱农作物减产。目前对土壤压实研究往往通过田间人工取土,测量土壤坚实度、渗水性等静态物理指标,再结合作物根系生长和微生物活性进行描述和分析土壤压实成因和后果,但未弄清土壤压实形成过程,同时人工取土步骤繁琐,破坏土壤结构。为进一步监测土壤压实过程中应力-应变关系,对土壤样本进行采集,系统化研究土壤压实问题。研制田间移动压实采样平台对研究土壤压实问题具有重要意义。本文主要研究内容如下:1)通过对土壤压实进行机理分析得到受压过程中土壤承压特性和应力传递特性,提出智能原位土壤压实采样平台总体设计方案,对平台压实装置、采样装置、升降机构和移动平台进行结构设计,并对液压传动系统和伺服传动系统进行计算和选型,实现平台对压力精确控制和土壤样本采集工作。通过需求分析得出监测系统需要动态监测压实过程中土壤表面应力、内部应力以及下陷位移,基于STM32系列微控芯片为控制核心设计土壤压实过程监测系统,分别从硬件和软件进行设计,最后对监测系统功能进行测试与调试,实现平台对土壤压实过程中应力-应变关系动态监测。田间土壤压实采样试验相对于传统室内压实试验结果表明智能原位土壤压实采样平台满足田间加载要求和动态实时测量土壤应力-应变关系,操作简单,对土壤扰动程度较低,满足田间土壤压实过程监测以及样本实地采样。2)以重塑砂姜黑土和小麦秸秆为研究对象,通过智能原位土壤压实采样平台进行麦秸土壤压实试验,以重塑砂姜黑土为样本对照研究深翻后土壤中麦秸含量对土壤特性的影响。研究结果表明:土壤中麦秸含量不同时,麦秸土壤仍满足Bekker承压模型。对下陷深度分别为40、60、80、100mm麦秸土壤进行拟合分析得出麦秸比例与土壤承载能力的关系满足一阶多项式模型;并通过数据拟合测定0、15、30、45、60%体积比麦秸土壤内摩擦和内聚角变形模量以及变形指数参数值;从土壤特性分析,土壤变形指数受麦秸含量影响,麦秸比例与土壤变形指数的关系满足二阶多项式模型,随着麦秸比例升高,土壤变形指数由2.55逐渐降低为1.68,土壤变形指数最高2.59。

关键词： 气缸盖   数值模拟   温度场   应力场  

摘要： 气缸盖正常地工作且效果稳定是柴油机安全运行的保障之一。活塞运动释放大量能量,缸内燃气温度剧烈波动,缸盖内的较大温差、局部过大的热负荷、缸内爆发压力和螺栓预紧力等因素使得气缸盖产生了较明显的应力。因此,进行瞬态下气缸盖的温度场、应力场研究对探索新型气缸盖材料的抗疲劳途径,研究冷却水套的性能及优化,改善气缸盖的设计、延长使用寿命和确保柴油机安全运行具有理论意义和工程实际意义。本文以16V280JZA型柴油机气缸盖为研究对象,对四个工况下气缸盖温度场,应力场进行热流固耦合的稳态和瞬态研究。根据气缸盖传热分析基础理论以及应力应变理论,建立了三维实体模型,采用数值模拟方法计算并分析了气缸盖在不同工况下中的温度场和应力场,获得的结论如下:(1)建立16V280JZA型柴油机进排气系统模型和冷却系统模型,得到仿真额定功率下周期性瞬态气缸内燃气温度,壁面对流换热系数,气缸压力,进排气道温度和冷却水进出口流速,可以为气缸盖的温度场,应力场仿真得到精确的边界条件。(2)气缸盖冷却水冷却效果良好,没有出现局部过热状况,但在下水腔窄小流动通道由于水压的作用,使得局部流速过快,冷却水冲击壁面,改变狭窄通道的形状或者通道横截面面积,可以减小局部流速,对壁面起到保护作用,但对气缸盖温度场影响不大。(3)瞬态情况下火力面温度变化随着工况变化。进气阶段火力面温度相对稳定。压缩阶段火力面的温度先减小后增大。膨胀阶段受高温冲刷,温度变化集中在喷油安装座和进排气道之间,火力面温度呈现从中心向两端发散的状态,最大火力面温度达到702.1K。排气阶段高温集中在排气口与喷油安装座集中的三角形集中区域发展。火力面一个周期内的温度变化大致与缸内燃气温度变化趋势趋于一致。热量通过固体表面向固体内部传导,节点温度随时间的变化趋势大致相同,距离缸盖表面1mm处的温度波动范围为10.3K,距离缸盖表面越远波动越来越小,到距离缸盖表面4mm的波动范围为0.14K。(4)热应力主要集中在火力面进排气门之间的鼻梁区附近,机械应力主要集中在火力面与缸盖交界处和螺栓孔处,热机耦合应力与热应力较为接近,最大应力出现在膨胀阶段初期点火过程前后,此时缸内流动复杂,最大热机耦合应力达到705.8MPa。

关键词： 冲填砂浆结石   应力分析   变形分析   渗流分析   ANSYS   GeoStudio  

摘要： 一般来说混凝土重力坝施工难度大、工期长、造价高且坝身材料强度未得到充分利用,浆砌石坝本身不具备防渗性能,且对所用石块要求较高,亟需一种施工速度更快,更加经济便捷的筑坝施工工艺。随着施工技术的不断发展,科技水平的不断提高,一种新型的机械化砌筑技术应运而生:冲填砂浆结石技术。该技术具有机械化程度高、施工设备简单、工程进度快、自身防渗性能较好、无需进行控温操作等优势。目前该新型筑坝技术已应用于数座水坝,但是对于理论研究比较缺乏,为此本文以赤峰市碾子沟塘坝实际工程为例,研究冲填砂浆结石坝内部力学性能及渗流情况。如果通过理论验证该技术的安全性和可靠性,并以此支持此技术的推广和应用,具有重要的实际意义和深远的战略意义。本文根据碾子沟冲填砂浆结石坝初步设计资料等相关数据,利用Solid Works软件对冲填砂浆结石坝进行三维模型建立,再利用ANSYS软件对其在不同工况下的内部应力变形进行分析计算。同时利用Geo Studio软件按照冲填砂浆结石坝数据建立二维渗流模型,并进行渗流分析计算,在此基础上对坝体应该增设的安全措施进行模拟分析,研究其对坝体防渗排水的效果如何。同时为今后冲填砂浆结石坝防渗工程建设与设置提供了一定的理论基础和参照。本文主要研究结论如下:(1)坝体位移方面各工况下冲填砂浆结石坝各方向位移变形均在规范允许范围内,铅直方向变形最大为0.165mm,顺水流方向其次为0.361mm,横河向最小为0.0413mm。(2)坝体应力方面,各工况下冲填砂浆结石坝应力均在规范允许范围内。横河向应力最大值为0.106 MPa,出现在工况4校核洪水位溢流坝段与非溢流坝段接触处;顺水刘方向应力最大值为0.228 MPa,垂直向应力最大值为﹣0.242 MPa。各工况下坝体压应力最大值为0.315 MPa,出现在工况4校核洪水位时期,小于允许压应力值;拉应力最大值为0.039 MPa,同样出现在工况4校核洪水位时期,小于允许拉应力值。(3)渗流计算方面,各工况下坝体内部总水头分布规律均为从上游逐渐向下游递减,最大水头位置均出现在上游迎水面,溢流坝段坝顶总水头从上至下逐渐递减。帷幕灌浆范围内的水头分布十分密集,下游侧水头高度较上游有明显下降,同一高度下降约1～3m,且同一高度防渗帷幕上下游水压相差20Kpa～40Kpa,下游水压相较于上游减小了25%。说明帷幕灌浆有效降低了下游侧总水头,防渗帷幕起到了良好的防渗效果。坝体内部最大水压力在40Kpa～60Kpa范围内,最大位置均位于坝踵处,并呈三角形分布,从上游至下游逐渐递减,且随水位增高坝体内部水压无明显变化。非溢流坝段工况三校核洪水位情况下坝体出现最大渗流量,位置发生在上游坝踵与地基交界处,渗流量为4.2E-07 m3/s/m2,远小于安全标准,符合安全规范。(4)提出优化措施,对今后同类型坝体坝趾部位增加排水设施,并计算相关渗流数据。模拟结果将原有渗流点处渗流量由1.29E-07 m3/s/m2降低至3.57E-08 m3/s/m2,通过增设排水沟,有效降低了坝体内部水压力及浸润线高度,改变了坝体内部渗流场特性,提高了坝体稳定性,改善了溢流坝段的整体安全性,因此在新建冲填砂浆结石坝工程中可考虑增设排水设施。

关键词： 吊钩   温度   应力   截面  

摘要： 立式圆筒炉炉管上吊式支承通常采用吊钩结构，因其安装方便同时便于炉壳密封。吊钩作为炉管承重部件，同时因炉膛内高温烟气作用下材料强度大幅下降，因此吊钩的安全可靠对加热炉安全运行有着重要的影响。本文以某项目立式圆筒型加热炉辐射炉管吊钩为例，采用SolidWorks软件对其进行三维建模和整体应力分析，并对吊钩上几个典型的危险截面进行受力分析和应力校核。结果表明，吊钩结构满足设计使用要求。

关键词： 非标法兰   承载能力   应力分析   规范设计  

摘要： 为满足国内石油和天然气开发需求，设计了5?” 20 K的非标法兰，其在压力与弯矩共同作用下的承载能力是工程中重点关注的问题。基于API TR6AF3高温高压法兰设计方法，采用3维非线性有限元分析技术，验证了API TR6AF3中的极限弯矩判定方法，并对5?” 20 K非标法兰在预紧力、工作压力和弯矩组合载荷作用下的法兰及螺栓进行了应力分析。依据螺栓应力准则和塑性垮塌准则确定了5?” 20 K非标法兰的极限弯矩，并得到了极限弯矩与工作压力之间的规律。所得结果可为5?” 20 K非标法兰的规范化设计提供参考。