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关键词： 透明导电氧化物   钙钛矿   脉冲激光沉积   应力   掺杂  

摘要： 透明导电氧化物薄膜（TCO）在现代社会多个领域有着重要的应用,如太阳能电池、薄膜晶体管、平板显示器等。常见的TCO材料如锡掺杂氧化铟（ITO）面临着原材料短缺、制作工艺复杂、性能提升困难等问题,因此需要寻找新型的TCO来满足越来越大的市场需求。钙钛矿结构锡酸盐ASn03（A=Ba,Sr）是一类具有宽带隙、高载流子迁移率的半导体氧化物,通过掺杂后可以获得非常好的导电性和良好的可见光透过特性,十分适合应用于TCO领域,通过和其他钙钛矿光电材料相结合,有望实现全钙钛矿结构的光电子器件应用,因此成为TCO领域的研究热点之一。SrSnO3具有高达4.1eV的带隙且热稳定性很好,晶格常数与SrTiO3、LaAlO3、GdSO3等商用衬底匹配良好,因此有着巨大的科学价值和应用前景。由于SrSnO3在不同的生长温度下会形成多种不同的相,且生长出结晶性良好的高质量薄膜很困难,因此在大规模应用方面仍有很多问题需要解决。在本论文中,我们选择La掺杂的SrSnO3,薄膜作为研究对象,通过脉冲激光沉积的方法制备了高质量的薄膜样品,系统研究了生长温度和氧分压对其结晶质量的影响、掺杂量对其导电性能的影响、晶格应力对于其导电性能和光学透过率的影响,并测试了样品的磁电输运特性,主要内容如下:1.使用EDS测量了使用脉冲激光沉积方法生长的La掺杂薄膜的化学成分,随后利用XRD、AFM对不同温度下使用脉冲激光沉积方法生长的样品的结晶质量进行了测量,得到了 La:SrSnO3的温度生长窗口大概在750℃-850℃。随后研究了氧分压对其薄膜质量的影响,发现在高氧分压下容易获得结晶良好的样品,而在低氧压和真空下难以获得结晶质量良好的薄膜。2.研究了 5%La掺杂的SrSnO3的变温电输运特性。本文使用范德堡法对样品进行了电阻率以及磁电阻的测量,电阻率随温度先降低后升高,为典型的重掺杂半导体输运特性。进一步分析ρ-logT曲线表明低温下可能存在着电子-电子相互作用（EEI）和弱局域（WL）效应。低温下样品的电学特性测量结果表明电阻率ρ随logT的线性变化是两种作用共同影响的结果。3.研究了随着La掺杂量的变化,其电学性能的变化趋势。结果表明,随着掺杂量的增加,其导电能力呈现一个先升高后略微降低的趋势。随后研究了随着薄膜厚度变化,样品晶格结构的变化。在SrTiO3（001）和LaAlO3（001）衬底上分别生长了不同厚度的La0.05Sr0.95SnO3样品,发现随着厚度的减小,样品会受到更强的晶格应力,当晶格应力到一定程度后会引起样品导电性能的显著降低,这是由于晶格结构变化带来的物性变化。最后我们对生长在多种衬底上的不同厚度样品的光学透过率进行了测量,结果显示应力会显著影响La掺杂SrSnO3样品的带隙大小。

关键词： 三维集成微系统   微凸点   有限元   应力   可靠性  

摘要： 近年来集成电路行业发展迅猛,而摩尔定律也达到了它的瓶颈。三维集成技术被普遍认为是当今世界上延续摩尔定律的有力解决方案,目前它已经可以实现形状因子小、密度高、性能优良的复杂三维集成电路,打开了传统芯片结构通向优化外形和尺寸世界的大门。但是随着三维集成微系统集成度和功率密度的提高,热特性以及应力可靠性等方面面临诸多的挑战,并且随着微系统尺寸的缩小,对封装级的三维集成微系统进行有限元数值仿真的复杂度也会进一步增大。因此,对系统的热应力可靠性分析势在必行。针对上述问题,本文面向三维集成微系统,通过建立等效有限元模型实现了微系统的快速应力分析,并通过控制变量法得到了应力随各个参数的变化规律,能够有效地实现微系统的应力分析以及寿命预测,为微系统芯片布局设计提供理论指导。本文首先针对微系统中的单个互连微凸点结构进行应力分析,改变各个形状参数或是周围结构,分析应力变化规律。然后针对微凸点进行等效建模方法进行了仿真验证,结果表明,本文所采用的建模方法相比传统有限元模型仿真时间降低了约74%,并且最大应变的偏差仅在5%左右。之后采用本文所提出的等效建模方法对三维系统中微凸点结构进行蠕变性能和疲劳寿命研究,比较了微凸点结构在不同结构参数时的蠕变性能变化,并分析了微凸点阵列的疲劳寿命分布规律,然后对结构的寿命作了优化分析。最后,针对三维集成微系统的应力问题,本文从微凸点结构入手,提出了一种在微凸点周围用于应力缓冲的介质层结构,仿真结果表明,该结构对于应力良好的缓解作用。结果表明,本文提出的应力缓冲介质层结构能够将微凸点结构的最大应力降低约18.9%,提升了微系统整体的力学性能。

关键词： 工程力学   课程思政   教学实践  

摘要： 工程力学课程是工科类的专业基础课,专业覆盖面广且其理论与实践联系紧密。以工程力学课程为载体,结合该课程的自身特点和教学内容,将典型案例和经典故事的思政元素穿插于工程力学课程教学实践中,通过调查问卷了解课程的思政教育教学效果,不断地实践与探索,充分发挥它们的教育功能,实现教书育人的最终目标。

关键词： 立定跳远   摆臂模式   触地模式   有限元分析   应力  

摘要： 立定跳远是运动员下肢爆发力训练的主要项目之一,而摆臂动作、触地姿势是引起膝关节损伤的主要原因两个方面。目前对不同摆臂和触地姿势下地面反作用力(Ground reaction force,GRF)如何作用于膝关节各组织的具体机理并不清晰。从冲击生物力学的角度来讲,有必要明确立定跳远不同触地姿势和摆臂动作下的膝关节冲击损伤机制。所以,本研究招募16名受试者,分别以自由摆臂(jumping free,JF)和限制摆臂(jumping restricted,JR)起跳、“外八”(toe-out,TO)和正常姿态(baseline,BL)落地,使用Vicon采集系统和Kistler测力台获取受试者下肢运动学数据和地面反作用力数据。基于一名志愿者的膝关节MRI/CT数据进行三维重建,获取膝关节有限元模型并验证模型的有效性;使用Visual 3D进行逆动力学计算获取膝关节反力,将膝关节运动学数据和反力带入膝关节有限元模型作为边界条件和荷载,获取不同摆臂和触地模式下膝关节内部的力学响应,明确不同触地模式下膝关节的损伤风险。研究发现,JRBL的髌骨接触应力峰值较大,为6.12MPa,其次为JRTO和JFBL,分别为4.99MPa和4.57MPa,JFTO的髌骨接触应力峰值最小,为4.01MPa。JRTO的股骨软骨接触应力峰值最大,为13.11MPa,其次为JRBL和JFBL,分别为11.82MPa和11.68MPa,当采用JFTO触地方式时股骨软骨的接触应力峰值最小,为8.89MPa。JFTO与JRTO的双侧半月板von Mises应力分布主要集中于内侧半月板体部偏下和外侧半月板前角;JFBL与JRBL的半月板von Mises应力分布主要集中在内侧半月板体部偏上以及外侧半月板体部。当受试者以JRTO方式触地时外侧胫骨软骨接触应力峰值最大,为6.72MPa,其次为JFBL和JRBL,分别为5.85MPa和5.27MPa,以JFTO触地时最小,为5.21MPa。所以,与外八姿态相比,正常姿态触地时膝关节外展程度显著较小;自由摆臂动作能够有效降低触地过程中的v GRF峰值,但h GRF峰值显著升高,提示JFTO可能会提高膝关节韧带损伤的风险。采用JFTO模式时主要由外侧半月板承担触地过程中的膝关节冲击荷载,可能增大外侧半月板前角损伤风险;尽管采用JFTO模式时接触应力峰值较低,但外八姿态可能会导致膝关节内部受力环境较为异常。采用JFBL模式时的关节应力水平较高,但关节内部的力学环境较为良好,触地过程中的冲击荷载由双侧半月板和胫骨软骨平台共同承担,不会出现应力集中的情况。从冲击损伤的角度分析,采用JFBL模式会降低触地过程中的膝关节损伤风险,缓解关节软骨及半月板磨损。

关键词： InSAR   三维形变速度场   应变场   应力场   Mogi模型  

摘要： 结合腾冲火山区域已有地球物理、地质构造和地震方面研究显示:该区域存在低速、低阻、高导层和高热流值区域;处于印度洋-欧亚大陆板块碰撞挤压带东北方向;同时该区域有火山型地震发生。以上研究表明腾冲火山并不平静,具有再次喷发危险。因此本文通过SAR数据的处理、开源GPS数据筛选和数学建模,分别获取了火山区域的InSAR、GPS形变数据、三维形变数据、应变数据、应力数据和岩浆囊几何参数数据,来对腾冲火山区地壳活动性进行探究,具体研究成果的获取如下:1.通过构建GPS-InSAR三维形变模型,来实现GPS与InSAR技术的优势互补;具体采用已广泛进行应用的短基线集的方法（SBAS）进行多时相SAR数据的干涉处理,来获取火山区域毫米级的InSAR形变监测数据,GPS来自发布的开源数据;基于以上两种类型数据,采用粒子群算法（Particle Swarm Optimization,PSO）对改进的目标函数（改进型更贴合以上两种形式形变数据特点）进行寻优,来获取腾冲火山区域高空间分辨率三维形变速度场。2.基于获取高空间分辨率的三维形变信息,分别构建了反映研究区域地壳运动的刚性地壳整体旋转运动模型（RM）、整体旋转与均匀应变模型（REHSM）与整体旋转与线性应变模型（RELSM）,通过对比构建的3种模型发现RELSM是刻画研究区地壳运动最佳模型,并基于RELSM反演了研究区应变场,获取到了较以往研究（仅基于GPS数据）获取不到的小尺度范围研究区的精细应变场。同时利用应变张量、应力张量本构关系,通过应变求取研究区域应力。从获取的应变数据分析来看,对腾冲火山区域地壳运动起主导作用的既不是青藏高原东南缘的挤压作用,也不是亚洲东南部的拉张作用,而是自身区域存在的岩浆囊的活动或者岩浆流失、放气等活动在起主导作用。3.依据已获取形变场,并辅以应变场应力场,发现研究区可能存在3个岩浆囊（西北方向、西南方向岩浆囊表现为收缩;东北方向岩浆囊表现为膨胀）;基于岩浆囊所在区域三维形变信息,利用mogi模型（同样利用PSO进行参数寻优）反演了岩浆囊的参数,发现西北方向岩浆囊位于地下约1.4km,收缩速度约0.002659861km3/a,西南方向岩浆囊位于地下约4km,收缩速度约0.002622485km3/a,此两处区域无火山喷发威胁,但由于岩浆囊收缩可能引发其它地质灾害。通过以上获取结果对腾冲火山区地壳活动性进行综合研究表明:腾冲火山区区地壳整体处于相对平静状态,但个别区域地壳活动相对活跃。

关键词： 剪力墙结构   免支撑置换   有限元模拟   应力分析  

摘要： 置换混凝土加固法常用于解决混凝土强度偏低或有严重缺陷的问题,其中免支撑置换混凝土加固法因施工周期短、无需卸载支撑、造价低等优点被应用于剪力墙结构加固工程中,但对该技术在方案设计以及施工过程中墙肢应力变化的研究仍然较少。本文以陕西省咸阳市某剪力墙结构工程为研究背景,通过对比分析该结构第二十层剪力墙混凝土强度降低后与原设计强度的抗震性能及承载能力,结合工程现状选用免支撑置换混凝土加固法,设计加固方案,探讨施工工艺、施工监测,并采用ETBAS有限元软件对免支撑置换混凝土加固施工全过程进行模拟,分析置换混凝土过程中剪力墙应力、各批次置换墙肢应力的变化规律,以及置换施工过程对其他楼层剪力墙的影响。本文主要研究成果和内容包括:1.采用ETABS建立原结构整体模型及第二十层混凝土强度由C30降至C20的整体模型,模态分析和反应谱分析结果表明:混凝土强度降低导致结构周期、层间位移和层间位移角均增大,结构在X向地震作用下部分楼层的层间位移角超出规范限值;混凝土强度降低前后结构第二十层剪力墙轴压比计算结果表明:混凝土强度降低导致剪力墙轴压比增大了1.5～1.7倍,且部分剪力墙轴压比超限。由此可知混凝土强度降低导致结构整体的抗震性能和承载能力减弱。若仅加固轴压比超限的剪力墙可使其满足规范限值要求,但并不能解决混凝土强度降低引起的层间位移角超限问题。故结合本文研究的结构现状经方案比选采用免支撑置换混凝土加固法。2.以轴压比作为控制条件设计了二批次和三批次两种置换方案,仿真分析两种方案的轴压比,结果表明:三批次置换过程中墙肢轴压比小于二批次,经对比分析选择三批次置换方案,并设计加固施工过程中的辅助支撑体系,总结了施工工艺和施工监测等关键技术。3.采用ETBAS软件的非线性顺序施工加载对免支撑置换混凝土的施工全过程进行有限元分析,结果表明:置换施工过程中各批次置换的墙肢存在应力滞后现象;在置换完成后的正常使用阶段,各批次置换的墙肢能够共同受力;置换施工过程对结构的应力分布影响主要集中于置换层相邻的上下楼层剪力墙,且对端部墙肢的应力影响更大,甚至会造成与置换层相连的上层剪力墙端部出现拉应力,因此在置换方案设计和置换施工过程中应做好相应的措施。

关键词： 电工钢片   应力   磁致伸缩   位移   多物理场  

摘要： 噪声已经成为评价电机性能的一项重要指标,电机噪声的研究离不开对电机振动性能的分析。电机定子铁心由电工钢片叠压而成,电工钢片在外磁场的作用下发生磁致伸缩现象进而引起铁心振动。本文针对变压器、交流电机等电工装备加工过程产生的残余应力会加剧电机铁心本体振动的问题,研究了考虑应力影响的电工钢片磁致伸缩数学模型并进行了工程应用。借助一套应力作用下电工钢片磁特性测量装置实现了磁致伸缩特性的测量,在此基础上,推导了基于双曲正切函数的磁致伸缩模型和基于亥姆霍兹自由能的磁致伸缩模型。基于应力影响的磁致伸缩特性数据完成了两个磁致伸缩模型的参数辨识。利用多物理场仿真软件,分析计算了一台表贴式永磁伺服电机铁心在考虑外加应力作用下的磁致伸缩位移分布,为准确预估电机本体振动噪声奠定基础。主要研究内容有:首先,测量分析了电工钢片在外加应力和磁场共同作用下的磁致伸缩应变特性。借助一套应力作用下电工钢片磁特性测量装置,实现了应力范围从-8MPa到8MPa,不同磁通密度下无取向电工钢片的磁致伸缩特性测量。测量结果表明,拉应力增加时磁致伸缩应变减小,而压应力会增大磁致伸缩应变。其次,在分析上述电工钢片磁致伸缩特性基础上,推导了基于双曲正切函数的磁致伸缩模型和基于亥姆霍兹自由能的磁致伸缩模型,并编制了相应的计算机程序。再次,基于测量数据完成了上述两个磁致伸缩模型的参数辨识,给出了磁致伸缩与外加磁场、应力的关系曲面,对比分析了两个模型的辨识精度。结果表明,基于亥姆霍兹自由能磁致伸缩模型的模拟精度好于基于双曲正切函数磁致伸缩模型。最后,将上述磁致伸缩模型应用到电机铁心磁致伸缩应变的多物理场仿真计算中。建立了表贴式永磁伺服电机磁场和结构力场仿真计算模型,基于多物理场仿真软件,计算分析了外加应力对电机铁心位移的影响。计算结果表明,本文研究的磁致伸缩模型可以有效地仿真应力影响下电机铁心形变特性。

关键词： 连续梁   施工控制   0号块   温度场   应力场  

摘要： 在多样化的桥梁结构形式中,预应力混凝土连续梁因其众多优点而在桥梁建设中被广泛应用。为保证施工质量,大跨度连续梁在悬臂施工过程中必须加以控制。本文对(60+100+60)m朝阳双线特大桥进行研究与实践,通过Midas Civil建立挂篮及主梁有限元模型,得到施工过程中的主梁的应力和相应变形;根据现场实测高程、预埋传感器所得应变数据与计算值进行对比分析,进而对现场施工进行调整及预测,保证在各施工阶段均满足规范要求,最终达到成桥后满足设计应力水平及高程的目的。在连续梁施工过程中发现主梁0号块裂缝问题较为突出,提高0号块的施工质量,保证其耐久性、安全性具有重要意义。朝阳双线特大桥0号块长12 m,顶板宽12.2 m,底板宽6.7 m,混凝土体积为409.93 m3,由于混凝土用量较大,必须对水化热作用加以考虑,通过仿真手段对比不同方案,达到减小温度应力的目的;同时连续梁的0号块是一个复杂的受力结构,在悬臂施工过程中承担着每个悬臂节段的重量,因此在整个施工过程中都具有重要作用,运用Midas FEA软件建立0号块的仿真模型,得到不同位置应力分布。同时建立0号块的现场监测系统,对比仿真结果,指导现场施工,达到对0号块精准控制、预防开裂目的。

关键词： 激光熔覆   激光烧蚀   数值模拟   温度场   应力场  

摘要： 碳材料由于本身易氧化的特性而被限制了其在高温领域的应用前景。通常采用抗氧化涂层来对其进行防护,常用的涂层技术成型周期长、结合强度低,而激光表面熔覆技术则完美克服了这两个缺点。但是由于激光熔覆本身快速升降温的特点,易于产生较大的温度梯度及应力,导致涂层开裂。本文利用数值模拟的方法,对碳表面激光熔覆抗氧化涂层过程中温度场和应力场的变化规律进行探究,从而确定三种不同抗氧化涂层体系适宜的激光工艺参数,提高涂层质量,为实际的激光熔覆过程提供参考;另外,在温度场和应力场模拟结果的基础上,探究了抗氧化涂层在激光烧蚀过程中气孔、裂纹等缺陷的产生机理。首先,利用ANSYS软件建立了激光单道及多道熔覆的有限元模型,并用APDL语言实现了对于各个工艺参数的控制。确定了三种抗氧化涂层各自最佳的工艺参数:其中,HfB2-SiC-Si-MoSi2涂层、HfC-NbC-Ta C-TiC-ZrC涂层和HfN-NbN-TaN-TiN-ZrN涂层三种涂层的最佳扫描速率、光斑半径、扫描间距及预热温度相同,分别为10mm/s,0.1mm,0.1mm,600℃;三者的最佳激光功率分别为64W、128W和96W,最佳涂层厚度则分别为0.075mm、0.05mm和0.05mm。探究了熔覆过程中各区域温度梯度分布状况,其中熔覆区域温度梯度在Y轴方向上最大,在X、Z两轴方向上较小,而熔覆区相邻路径区域温度梯度在X、Y两轴方向上较大,在Z轴方向上较小,较远处温度梯度则在X轴方向上最大,在Y、Z两轴方向上较小。熔覆区剪应力在扫描路径45°方向上最大,涂层开裂倾向亦在此方向上最大,与实际熔覆结果相符。涂层残余应力为压应力,有利于减小涂层开裂的倾向。扫描间距的增大对温度场和应力场的整体分布几无影响,但会使X轴向的温度梯度及应力增大。涂层厚度增大会降低激光能量传递至界面处的效率,增大表、界面温差;但在保证界面处温度达到复合涂层成分最低熔点的情况下,进一步减薄涂层会增大界面处Z轴向温度梯度,且可能导致过烧。HfC-NbC-TaC-TiC-ZrC涂层所需熔覆温度较高,激光熔覆过程中产生较高的温度梯度及热应力,涂层内弯曲及脱落可能性更大;HfN-NbN-TaN-TiN-ZrN涂层由于本身热导率较低,激光熔覆过程中产生的温度梯度及热应力较大,且熔覆区基本只影响到相邻路径区域,而扫描间距对于X轴向应力分布的影响也变小。除此之外,这两种体系涂层的温度场及应力场规律与HfB2-SiC-Si-MoSi2涂层基本一致。沿用前述模型进行HfB2-SiC-Si-MoSi2涂层激光烧蚀温度场模拟,发现在64、96W的线烧蚀下涂层表面最高温度仅为829℃、1351℃,不会对涂层主体造成较大损伤。实际实验中,该涂层能耐受128W功率的线烧蚀而不发生明显的破坏。在64、96W的点烧蚀作用下涂层表面最高温度达到1150℃、1700℃,界面最高温度达到920℃、1380℃,不会对涂层主体造成较大损伤;然而实际情况下96W点烧蚀4s涂层已被蚀穿;除此之外,实际烧蚀结果与模拟结果基本吻合。

关键词： 预应力混凝土T型梁   梁端裂缝   水化热   温度场   应力场   有限元法  

摘要： 为避免预制混凝土T梁在施工养护期间产生较高的水化热而导致梁端出现早期竖向裂缝,以一座40 m预应力混凝土T梁为研究对象,对其浇筑过程水化热发展及早龄期力学性能进行监测与测试,并基于实测结果建立考虑梁段早期时变的精细化有限元模型,研究浇筑过程水化热温度场演变特征、梁端应力分布规律。结果表明:40 m跨预制T梁在混凝土浇筑初期,靠近梁端位置因水化过程中的温度迅速聚集而具有较高的开裂风险,且在距梁端2～4 m区域的腹板靠近翼缘板位置易贯通。建议控制入模温度在20℃以内并采用优化配合比的方法,减少水泥用量或采用低水化热水泥,以达到降低水化热和防止裂缝产生的目的。