摘要：耐压壳是深海潜水器中最关键的结构,直接关系到潜水器安全性和总体性能.本文对当今的单层耐压壳结构设计进行了评述,并设计了一种基于分层/分压的新型耐压壳结构,该结构借鉴了自然界的两种深潜动物的结构:抹香鲸分层结构和鹦鹉螺隔片分割螺壳亚结构.综合了这两种结构特性的双层壳结构能够有效提高抗压能力,从而提升深潜能力.与以往单层球壳的耐压壳结构相比,该结构不仅提高了强度,也提高了抗屈曲能力.同时,该结构还兼具大容积、高可靠性、以及避免超厚壳制备上的难点等特征,使得深海潜水器的综合性能得到显著提高.新结构中的桁架将圆壳分割为若干个柱壳亚结构,本文针对此亚结构严格推导了桁架增强壳体抗屈曲的公式.从实验数据中总结出来的泰勒水池公式是目前广泛使用的潜水器壳体设计依据,新推导的公式与之相比只有6%的差别,这使得新型结构设计有了更坚实的理论基础.

摘要：随着高速列车运行速度的提升,弓网关系这一基础力学问题备受关注.良好的弓网关系是确保列车安全高效运行、稳定可靠受流、降低接触线与受电弓滑板磨耗等的基本前提.其中,受电弓和接触网的动力学参数对弓网耦合作用起至关重要的作用.本文采用弓网接触力随机统计特征作为优化目标函数,进行受电弓动力学参数的敏度分析和优化设计.首先,建立了二维弹性链悬挂接触网-三质量块受电弓动力学模型,根据EN50318:2018标准验证了动力学建模和分析结果的正确性.然后,基于高速弓网系统的动力学仿真,进行了DSA380型高速受电弓三质量块参数的动力学敏度分析,确定了9个动力学参数的敏感度级别,弓头等效质量敏度评级最高,下框架等效阻尼次之,下框架等效质量和上框架等效阻尼第三.最后,研究了弓头等效刚度和等效阻尼联合变化对弓网耦合动力学性能的影响,给出了提升弓网耦合性能的弓头双参数优化方案,建议同时减小弓头等效阻尼和增大弓头等效刚度,能够实现比单参数优化更好的弓网耦合性能.

摘要：为了提高脉管制冷机的制冷量和效率,解决液氢温区以下多级脉管制冷机效率低下的问题,对关键部件之一的低温段回热器尺寸进行了设计优化。针对15 K两级脉管制冷机,首先采用数值模拟仿真的方法研究了低温段回热器尺寸对制冷机内部各项损失以及性能的影响,获得了等效长径比的最优值3.81;然后研制了等效长径比分别为3.81、6.80的两种低温段回热器进行实验对比。实验结果表明,制冷机低温段回热器等效长径比为3.81时,制冷机性能更好,且在30 Hz下,可以在15 K获得制冷量0.91 W,此时各级总输入电功为386 W,整机的比卡诺效率达到4.45%。该研究可为制冷机低温段回热器的设计优化提供参考,对多级脉管制冷机的效率提升具有一定的指导意义。

摘要：随着深部地下空间开发以及深部能源开采的发展,深部岩体地应力测试技术越来越受到重视,深部岩体高温高压的测试环境是制约该技术发展的关键。提出一种触头式显微光学孔径变形测量方法,并研制相应的测量装置。该装置采用多组刚性触针的结构设计,触头部位感知孔壁变形并通过触针尖端进行反映,利用显微光学成像技术,采集触针尖端变化影像并识别变化量值,通过多组对称布设的触针实现孔径变形测量,避免了应变片式传感器易受高温影响的问题,变形感知部件与数据采集部件独立封装,既保护了核心元件,又有利于系统耐温耐压的设计。进一步利用该系统的功能特点,实现了钻孔形态测量,突破了长期以来仅能测量孔径变形的固定思维模式,为基于钻孔形态的地应力测量方法奠定了基础。通过室内试验,验证了系统原理的可行性、结构设计的合理性和测量结果的准确性。该系统研制为深孔地应力测量提供了新的思路和方法。

摘要：传统离散元方法在处理破裂问题时,采用界面上的准则进行判断,裂纹只能沿着单元边界扩展.当物理问题存在宏观或微观裂隙时,在界面上应用准则具有其合理性;而裂纹沿着单元边界扩展,使得裂纹路径受网格影响较大,扩展方向受到限制.针对上述情况,可以基于单元破裂的方式,构建连续-非连续单元法,并应用于岩石裂纹扩展问题的模拟.该方法在连续计算时,将单元离散为具有物理意义的弹簧系统,在局部坐标系下由弹簧特征长度、面积求解单元变形和应力,通过更新局部坐标系和弹簧特征量,可进一步计算块体大位移、大转动,连续问题计算结果与有限元一致,同时提高了计算效率.在此基础上,引入最大拉应力与莫尔-库伦的复合准则,判断单元破裂状态和破裂方向,并采用局部块体切割的方式,在单元内形成初始裂纹.裂纹两侧相应增加新的计算节点,同时引入内聚力模型描述裂纹两侧的法向、切向作用与张开度及滑移变形之间的关系.按此方式,裂纹尖端处的扩展路径可穿过单元内部和单元边界,在扩展方向的选取上更为准确.最后,通过三点弯曲梁、单切口平板拉伸、双切口试样等典型数值试验,模拟裂纹在拉伸、压剪等各种应力状态下的扩展问题,并对岩石单轴压缩试验的破坏过程进行模拟,分析裂纹形成与应力-应变曲线各阶段之间的对应关系.结果表明:连续-非连续单元法通过单元内部破裂的方式,可以显示模拟裂纹萌生、扩展、贯通直至形成宏观裂缝的过程.

摘要：非富勒烯太阳能电池目前已经成为有机太阳能电池的研究热点,大量的共轭电子受体分子被开发,并成功应用到高性能光伏器件中。共轭分子作为非富勒烯电子受体,需要综合考虑吸收、能级、电子传输以及结晶性等,其中宽吸收光谱可以提高对太阳光谱的利用,是分子设计中重要因素之一。本工作中,我们设计一种新型电子受体分子,以卟啉为核、萘酰亚胺为端基以及炔为桥连基团。这种新型分子具有近红外的吸收光谱以及合适的能级。将一种具有吸收互补的共轭聚合物为电子给体,星型分子为电子受体应用到电池的活性层中,我们获得了1.8%的能量转换效率,电池的光谱响应为300–900 nm。实验结果证明了这种以卟啉为核的分子设计在实现近红外吸收的电子受体方面具有重要应用前景。

摘要：为了研制出满足未来空间引力波探测需求的弱光探测器,初步进行了弱光探测器性能检测,分析了探测器的响应度、响应带宽、本底噪声等性能指标,以筛选出能满足未来空间引力波探测要求的探测器研制途径和解决方案。首先,根据空间引力波探测太极计划的激光器功率、轨道、星间距等设计方案,推算出太极计划所需探测器的性能指标;然后,与中国电子科技集团公司第四十四研究所、西南技术物理研究所和中国科学院上海技术物理研究所等单位合作研制了3款弱光探测器;最后,利用本课题组研制的低噪外差激光干涉系统对其响应度、响应带宽及本底噪声等指标进行检测,并分析了影响探测器性能指标的因素。实验结果表明:其中两款探测器的响应度优于1.8×10 5 V/W,响应带宽大于10 MHz;3款探测器的本底噪声均低于10 pm/Hz@10 mHz(0.1 mHz^1 Hz),信噪比高于20 db。这3款探测器在响应度、响应带宽和信噪比等方面具有满足未来太极计划实验星要求的潜力。

摘要：自然界广泛存在的分形流道能够实现物质的高效率输运和利用,对分形流道的研究在医学、化学以及社会学等诸多领域具有非常重要的意义.本文采用理论分析和数值模拟相结合的方法,从物质最优化利用角度出发,讨论分形流道中各级流道的作用和末端流道发育极限.研究结果表明,随着流道内Péclet数(Pe)不断增大,流道内物质利用率先增大后减小,可分为3种状态:对流限制状态、过渡状态和扩散限制状态.过渡状态对应的物质利用率最高,而扩散限制状态下物质输运速率最大.不同限制状态下,影响物质利用率的因素不同,物质利用率与Pe数分别呈现不同标度关系.通过优化算法获得分形流道和其流场信息,与局部分析结果对比发现,流道从初级向末端发育过程中,流道逐级收窄, Pe数降低,流体状态从扩散限制状态逐步转变为过渡状态.综合上述分析,分形流道中物质输运和利用分别在初级流道和末级流道中完成,各层级分工协作高效率地完成输运和利用的任务,并且过渡状态是流道发育的最优极限.本文的研究结果有助于对分形流道的深入理解,可为页岩油气缝网设计、高效催化反应器设计以及高灵敏传感器设计等应用领域提供理论指导.

摘要：基于非均匀有理b样条(NURbS)曲面建模技术,边界物理量同样用NURbS基函数插值,推导出三维声场等几何边界积分方程。进一步以控制点为设计变量,用直接微分法推导出等几何敏感度边界积分方程,给出声场声压对形状参量的敏感度。针对边界积分方程中的超奇异积分,使用奇异相消技术并结合Cauchy主值积分和Hadamard有限部分积分处理,给出了超奇异积分的NURbS插值半解析表达式。数值算例验证了本文算法求解声学结构形状敏感度的有效性,为声学结构的整体形状优化打下基础。

摘要：与p-型有机场效应晶体管(OFET)相比,目前n-型OFET仍面临器件性能低及稳定性差等问题.利用萘二酰亚胺(NDI)核π-扩展策略,设计合成了邻苯二硫酚取代的萘二酰亚胺-插烯四硫富瓦烯衍生物(bDTNDI-DTYA)2,通过溶液旋涂成膜法制备了基于(bDTNDI-DTYA)2的底栅顶接触结构的OFET器件.研究结果表明(bDTNDI-DTYA)2表现出n-型半导体特性,其薄膜未经处理时器件的平均电子迁移率为0.04 cm^(2)•V^(-1)•s^(-1),以热退火(160℃)和添加剂(薁)升华两种方式分别对(bDTNDI-DTYA)2的薄膜进行处理后,薄膜器件的平均电子迁移率分别提升至1.00和0.98 cm^(2)•V^(-1)•s^(-1).研究表明OFET器件性能的显著提升均得益于薄膜结晶性的提高和形貌的改善.设计合成了高性能的n-型有机半导体材料(bDTNDI-DTYA)2,并以薁为调节剂对OFET的活性层结构形貌进行了有效调控,为有机半导体材料的设计合成及其OFET器件性能的提升提供了新思路.