上海大学学报(自然科学版)

何陵辉

2024, 30(5): 777-789. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2608

摘要 ( 648 )

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由梁或杆等结构单元组成的二维点阵超结构材料广泛应用于不同的技术领域, 其重要的特点是通过单胞结构的设计可以显示许多传统材料不具备的独特力学行为. 本文简要综述此类材料弯曲变形研究的近期进展, 着重聚焦于非常规的弯曲模式和主导机制以及相应的连续统理论模型, 并对所面临的主要问题和挑战作了展望.

多孔介质壁面湍流边界层的研究进展

刘宇陆1, 2, 3, 马玉朋4, 王超4, 陶亦舟3, 李家骅5, 夏玉显4, 邱翔1, 2, 3

2024, 30(5): 790-801. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2612

摘要 ( 665 )

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多孔介质壁面的可渗透性加强了界面附近的动量和能量输运, 增加了多孔介质壁面湍流边界层中流动的复杂性. 多孔介质壁面直接影响着湍流边界层中的湍流结构时空演化及各种物理量的生成机制和输运特性. 本工作总结了多孔介质壁面湍流边界层统计特性和湍流结构特性的最新研究进展. 首先, 概述了多孔介质基底特性对边界层湍流特性的影响, 包括对平均统计量、壁面摩擦因数和湍流结构的研究, 指出多孔壁面湍流边界层的结构特性与开尔文-亥姆霍兹 (Kelvin-Helmholtz, KH) 不稳定性密切相关; 其次, 总结了多孔介质边界层中大尺度湍流结构对近壁区小尺度湍流结构的调制作用; 最后, 给出了该领域的未来研究方向.

经典与机器学习原子间相互作用势的发展及应用进展

赵浩然1, 沈强2, 王鹏2

2024, 30(5): 802-812. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2603

摘要 ( 868 )

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通过对几种经典和机器学习 (maching learning, ML) 势函数发展历史的回顾, 重点介绍了各类势函数在金属及共价键材料中的发展与应用等, 统筹分析了 ML 势函数与经典势函数的优缺点, 并对未来发展出更有效的原子间作用势的思路提出了展望.

分子动力学模拟在核小体研究中的应用

牟雪涛, 李振海

2024, 30(5): 813-825. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2606

摘要 ( 590 )

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核小体是染色质的基本结构, 是真核生物基因存储的最小单元. 它由组蛋白八聚体以及缠绕在表面的 DNA 共同构成. 核小体结构是动态的, 可通过隐藏或者暴露 DNA 上核小体结合蛋白的相互作用位点, 调控 DNA 与结合蛋白的相互作用, 从而调控基因表达. 已有的实验方法可以在分子层面研究核小体与结合蛋白的相互作用, 但无法充分提供原子层面的机理解释. 分子动力学模拟为核小体的研究提供了原子层面的高分辨率方法, 实现了核小体行为可视化, 是实验方法的有力补充. 回顾了分子动力学模拟在核小体结构、组蛋白尾部调控核小体功能, 以及核小体间相互作用的研究进展, 并探讨了 3 种分子动力学加速算法在核小体研究中的应用.

新型层状范德华材料 MoSi2N4 及其异质结物理力学性质的研究进展

李轩皓1, 2, 于进1, 2

2024, 30(5): 826-837. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2601

摘要 ( 633 )

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二维材料因表现出很多不同于三维母体材料的新奇物理特性而备受关注. 2020 年, 通过化学气相沉积法合成了没有对应母体的新型范德华层状材料 MoSi2N4, 其较高的载流子迁移率、优异的力学强度、高透光率以及良好的环境稳定性等优势引起了研究者的兴趣. 不仅如此, 鉴于石墨烯/h-BN、MoS2/BP 等异质结在很多方面展现出明显优于单个材料的本征物理性质, 因此探索基于 MoSi2N4 异质结的物性逐渐成为研究者关注的焦点. 重点阐述了 MoSi2N4 异质结近年来的研究概况, 尤其是机械应变下对其电子性质方面的调控, 为进一步理解背后的物理力学机制并探索新型范德华家族 MA2Z4 及异质结的研究提供一定的指导.

二维材料层间切向熵力的连续介质模型

朱芳艳1, 2, 江进武1, 2, 张田忠1, 2

2024, 30(5): 838-846. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2609

摘要 ( 577 )

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层间相互作用对二维材料的界面力学行为影响显著, 特别是在力热耦合环境下, 二维材料搭接结构中存在层间切向熵力, 可用于构筑新型纳米机械器件. 基于薄板振动理论, 并结合能量均分定理, 构建了描述二维材料层间切向熵力的连续介质模型. 该模型揭示了不同条件下由热振动梯度引起的切向熵力之间的内在联系, 为研究二维材料层间切向熵力提供了新的视角, 也为纳米器件的设计提供了理论支撑.

周期纳米颗粒阵列中聚合物链扩散行为的耗散粒子动力学模拟

胡江林1, 2, 3, 陆钰1, 2, 3, 胡国辉1, 2, 3

2024, 30(5): 847-857. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2520

摘要 ( 568 )

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聚合物纳米复合材料 (polymer nanocomposite, PNC) 因其兼具纳米颗粒 (nanoparticle, NP) 和聚合物的性质而展现出较好的力学性能, 目前在材料领域和软物质科学研究中广受关注. 由于聚合物在多尺度动力学特征方面研究的困难性, 故预测聚合物在聚合物纳米复合材料中的扩散行为是一个亟待解决的问题. 采用耗散粒子动力学 (dissipative particle dynamics, DPD) 方法模拟了不同链长的聚合物在聚合物纳米复合材料中的扩散过程, 并用一个关键的无量纲约束系数 χ, 即聚合物链首末端距离 Lee 与有效自由扩散长度 Lf 的比值, 对聚合物链的扩散行为进行刻画. 通过分析纳米颗粒的浓度、聚合物链的长度和聚合物纳米颗粒之间的相互作用对聚合物扩散的影响, 提出了聚合物链的有效扩散率关于约束系数 χ 的标度率, 并证实该标度关系可以准确预测低约束系数 χ 时的模拟结果. 该工作对聚合物纳米复合材料的理论发展和应用研究有着一定的指导意义.

双材料和半无限大空间中椭球夹杂的稳态热分析

杨远鹏, 吴春霖

2024, 30(5): 858-874. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2602

摘要 ( 552 )

PDF (4106KB) ( 192 )

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探究了含有多个椭球夹杂的双材料和半无限大空间的稳态传热解. 双材料的界面由包含连续性条件的双材料空间格林函数考虑, 通过调整参数, 该函数可退化为半无限大空间或者无限大空间格林函数. 利用 Eshelby 等效夹杂法 (equivalent inclusion method, EIM), 将椭球夹杂等效为基底材料和夹杂内连续分布的本征温度梯度场. 基于含多项式密度的椭球积分, 椭球夹杂的扰动作用由本征温度梯度场和双材料格林函数域积分精确描述. 本征场由夹杂形心展开的泰勒级数, 并通过各个夹杂形心建立的多项式等效热流方程求解, 求解精度由有限元法 (finite element method, FEM) 验证, 实现了无网格求解双材料和半无限大空间中多个椭球夹杂的稳态传热问题.

基于 Chebyshev 多项式和区间重叠率的对接圆柱壳结构区间模型修正

陈奕丰, 魏莎, 李旭龙, 丁虎, 陈立群

2024, 30(5): 875-889. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2600

摘要 ( 527 )

PDF (5514KB) ( 82 )

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采用基于 Chebyshev 多项式和区间重叠率的区间模型修正方法对对接圆柱壳结构进行了模型修正研究. 首先, 通过模态试验获取了结构固有频率, 运用核密度估计法得到了固有频率的区间范围; 然后, 采用薄层单元法模拟螺栓连接部件, 建立了对接圆柱壳结构的有限元模型, 分析了结构的模态特性; 之后, 采用确定性模型修正方法修正了圆柱壳和法兰的材料参数; 最后, 选择基于 Chebyshev 多项式和区间重叠率的区间模型修正方法对薄层单元中的不确定性参数进行了修正. 研究结果表明: 修正后参数区间上界和下界的误差满足工程精度要求, 修正后输出空间与试验输出空间吻合良好, 验证了所用区间模型修正方法的可行性和有效性.

位错与非均匀夹杂相互作用能的解析和数值计算

丁高文1, 2, 李志远1, 2, 李阳1, 2, 3

2024, 30(5): 890-903. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2604

摘要 ( 528 )

PDF (1517KB) ( 82 )

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利用 Eshelby 等效夹杂法 (equivalent inclusion method, EIM) 处理非均匀夹杂. 考虑了固有本征应变的影响, 显式地推导出了不同种类位错与非均匀夹杂的相互作用能. 以空洞为例, 将所得结果与分子动力学 (molecular dynamics, MD) 模拟计算值进行了比较, 验证了模型的有效性. 充分讨论了模型的应用范围, 并系统比较了夹杂本征应变与弹性常数对位错-夹杂体系反应能的影响.

氦泡对 Cu/Nb 层状材料界面拉伸屈服强度影响的分子模拟

张雅宁1, 2, 3, 吕陈扬韬1, 2, 3, 楚海建1, 2, 3

2024, 30(5): 904-912. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2523

摘要 ( 557 )

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基于分子动力学方法模拟研究了含氦泡 Cu/Nb 层状材料的界面拉伸屈服强度, 考察了氦泡内压、氦泡尺寸和层厚对界面拉伸屈服强度及其变形机理的影响. 研究结果发现, 界面氦泡可以诱导界面位错成核, 改变层状材料微观演化过程, 显著降低了 Cu/Nb 层状材料的界面拉伸屈服强度. 界面拉伸屈服强度随氦泡直径增大而减小, 表现出明显的尺寸效应. 典型的 3 nm 直径的平衡氦泡使得界面拉伸屈服强度 (上屈服极限) 相对于无氦泡情况降低约 12%, 而直径为 6 nm 的平衡氦泡使得界面拉伸屈服强度下降约 33%. 研究还发现, 层厚对 Cu/Nb 层状材料的上屈服极限影响甚微, 而对下屈服极限影响显著. 前者归因于 Cu/Nb 界面的结构对称性和加载方式的对称性, 使得界面应力及位错成核应力对层厚不敏感; 后者则归因于层厚的增加给位错运动和演化提供了更大的空间, 导致应力在屈服阶段的快速下降.

平直翼飞翼布局飞机的操稳特性

李志锴1, 魏莎1, 2, 3, 丁虎1, 2, 3, 陈立群1, 2, 3

2024, 30(5): 925-937. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2605

摘要 ( 808 )

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飞翼布局飞机气动效率高, 常被太阳能飞机所采用, 但操稳特性较差. 平直翼飞翼布局飞机具有与主流后掠飞翼布局飞机不同的气动特性. 使用涡格法计算了轻小型平直翼飞翼布局无人机的气动力系数与气动导数, 分析了某验证机的俯仰静稳定性及不同迎角、爬升角下的纵向与横航向稳定性, 讨论了重心位置低于机翼平面对其稳定性的影响, 并制作航空模型试飞. 研究发现, 平直翼飞翼布局飞机的纵向稳定性与常规布局飞机不同, 可以在无增稳条件下维持横航向稳定, 荷兰滚倾向弱. 重心位置降低可以改变配平迎角, 使其在正迎角下俯仰更稳定, 但会使其在负迎角或大爬升角下的俯仰稳定性恶化. 飞机在飞行中表现出多种特殊行为, 需要进一步研究.

冰层覆盖海洋中脉动源生成水声波的传播特性

严相毅1, 2, 卢东强1, 2, 3, 4

2024, 30(5): 938-950. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2607

摘要 ( 564 )

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考虑用弹性板来模拟海洋表面冰盖, 将海水视为具有刚性底部的可压缩无黏流体, 在线性势流理论基础上研究了此环境下水声波 (声重力波) 的传播特性. 推导了在质量点源的脉动作用下冰水交界面位移和冰层覆盖水域声压的近似解, 探讨了弹性冰层的厚度、弹性冰层的侧向应力以及流体深度等物理量对水声波传播的影响. 研究结果发现: 随着弹性冰层厚度的逐渐增加, 冰水交界面位移会先增大后减小, 然后逐渐趋近于 0, 而冰层覆盖水域声压先保持不变, 而后逐渐减小; 弹性冰层的侧向应力对冰水交界面位移和冰层覆盖水域声压的影响并不明显; 流体深度的增加会导致冰水交界面位移和冰层覆盖水域声压均呈减小趋势.

空化流对管路振动的影响与分析

吴泽荣1, 翁培奋1, 丁珏1, 李孝伟2

2024, 30(5): 951-967. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2471

摘要 ( 540 )

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管路系统空化流动诱导的管路振动是导致管路破坏的重要因素. 重点研究流动扰动与空化的相互作用, 以及对管路振动的影响. 采用 Zwart-Gerber-Belamri (ZGB) 空化模型研究小扰动下空化云随空化数及雷诺数的动态演变规律, 发现空化云会引起管路的不平衡力和流量脉动. 同时, 空化云会加剧不平衡力和流量脉动的脉动幅值以及改变频率的调幅变频特性. 在此基础上, 将空化激励等效为激励源项引入传统管路流固耦合动力模型, 得到一种改进的分析管路振动空化诱导机制的流固耦合动力学模型, 对空化激励下的管路进行振动求解, 给出临界空化数区间, 同时揭示小扰动下空化诱导管路振动的原因. 所得结果对研究空化管路系统的减振降噪及安全运行具有重要意义.

基于 PSO-SVR 算法的预弯 BHA 钻头合导向力预测方法

王昭彬1, 2, 杨赫源1, 2, 王文昌1, 2, 陈锋3, 狄勤丰1, 2

2024, 30(5): 968-979. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2610

摘要 ( 559 )

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预弯底部钻具组合 (bottom hole assembly, BHA) 钻头合导向力对于井眼轨迹控制十分重要, 但是传统的计算方法耗时耗力. 提出了一种基于粒子群算法优化支持向量回归的快速预测预弯 BHA 钻头合导向力的方法. 首先使用加权余量法求解 BHA 的三维小挠度力学模型, 得到钻头合导向力, 形成支持向量回归的样本空间; 然后, 使用粒子群算法优化支持向量回归参数, 得到惩罚因子、核函数参数和不敏感系数的最优值; 最后, 结合实例, 使用粒子群算法调参支持向量回归预测钻头合导向力, 并对预测结果精度进行分析评价. 研究结果表明, 预弯 BHA 钻头合导向力预测精度较高, 决定系数 R 2 达 0.956 8.

任意方向可弯的锂离子电池压印柔性厚电极

张博畅1, 2, 3, 4, 高化东1, 2, 3, 4, 徐沈鑫5, 鲍垠桦1, 2, 3, 4, 吕浡 1, 2, 3, 4

2024, 30(5): 980-988. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2615

摘要 ( 682 )

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提出半固化电极的机械压印方法制备锂离子电池压印柔性厚电极, 兼顾了厚电极的高储能性能和高柔性. 在基本不改变锂离子电池电极传统湿法制备工艺的前提下, 在电极干燥阶段引入机械压印步骤, 从而在数百微米厚的电极中构建网络通道结构, 使电极获得了任意方向可弯的能力. 进一步, 基于有限元分析给出压印厚电极在不同弯曲方向下的临界弯曲半径. 此外, 压印引入的网络通道结构提升电极内的离子传输效率, 使全电池实验中压印厚电极在高倍率下的电化学性能显著优于常规厚电极, 且电池在弯曲状态下拥有良好且稳定的电化学性能. 研究结果为高性能多功能储能电池的研发提供了基于电极结构设计的新思路.

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