Journal of Zhejiang University SCIENCE A

ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly

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Special Feature on Mechanics of Advanced Intelligent Materials and Structure (Guest Editor: Wei-qiu CHEN)

Review: Mechanics of dielectric elastomers: materials, structures, and devices

Feng-bo Zhu, Chun-li Zhang, Jin Qian, Wei-qiu Chen

DOI: 10.1631/jzus.A1500125 Downloaded: 3078 Clicked: 12315 Cited: 4 Commented: 0(p.1-21) <Full Text>   <PPT>  2762

Chinese summary   <1775>  介电高弹体的材料、结构和器件力学

目的:介电高弹体是典型电敏性材料,在外加电场的作用下会产生大的变形,这一特点使其成为人工肌肉致动的理想材料,近年来引起研究者的广泛关注。本文着重介绍介电高弹体的基本力学理论和方法,旨在为相关材料、结构和器件的设计提供参考,也有助于不同专业背景的研究者了解并开展介电高弹体的相关研究。
概要:本文介绍了近年来关于介电高弹体力电耦合问题的一些理论和数值研究,重点包括力电耦合的控制方程、材料本构关系、粘弹性响应、力电失稳以及致动器设计等方面。文中讨论了基于非平衡热动力学的介电高弹体力学模型处理复杂构型或与时间相关变形时常被采用的数值方法,优化介电高弹体致动极限的力学设计,以及介电高弹体力电响应在典型致动器中的应用。

关键词组:人工肌肉;智能材料;介电高弹体;力电耦合;本构关系;粘弹性;力电失稳;致动

Review: Constitutive models of artificial muscles: a review

Hui-ming Wang, Shao-xing Qu

DOI: 10.1631/jzus.A1500207 Downloaded: 1175 Clicked: 1210 Cited: 3 Commented: 0(p.22-36) <Full Text>   <PPT>  371

Chinese summary   <635>  人工肌肉本构模型的综述

摘要:人工肌肉是指具有类似肌肉特性的材料,这些材料在外界激励下,可以实现大变形,且响应速度快。本文总结两类人工肌肉本构模型的研究成果:一类是介电高弹体,另一类是响应性凝胶。本文中提到的本构模型仅限于用自由能函数导出的情形。对于介电高弹体材料,分别综述超弹性模型和粘性超弹性模型。在超弹性模型中,列出目前研究中使用较多的一些本构模型的自由能函数具体表达式;比较neo-Hookean、Gent、Arruda-Boyce和Ogden四种模型在单轴拉伸和等双轴拉伸两种情形下的名义应力-伸长曲线;给出了考虑一些重要因素的研究模型,这些因素包括材料可压缩性、取向极化、变介电常数、热耦合、受纤维约束、流体耦合以及空气耦合等。对于响应性凝胶,分别综述水凝胶、pH敏感性凝胶、温度敏感性凝胶、聚电解质凝胶以及反应性凝胶等的本构模型。这些精确、可靠和有效的本构模型,将有助于开展人工肌肉系统的性能分析和预测,甚至揭示其内在特性和本质规律。

关键词组:本构模型;人工肌肉;介电高弹体;响应性凝胶;自由能函数

Carrier distribution and electromechanical fields in a free piezoelectric semiconductor rod

Chun-li Zhang, Xiao-yuan Wang, Wei-qiu Chen, Jia-shi Yang

DOI: 10.1631/jzus.A1500213 Downloaded: 759 Clicked: 1074 Cited: 5 Commented: 0(p.37-44) <Full Text>   <PPT>  375

Chinese summary   <35>  压电半导体杆中的机械场、电场与载流子分布研究

目的:导出两端自由压电半导体杆在自平衡状态下内部的位移、电场和载流子的解析表达式,研究它们在杆内的分布规律。
方法:从三维压电半导体基本方程出发,以n-型半导体为例,导出考虑拉伸变形模式的一维模型方程。由平衡方程和电学高斯方程和平衡态下杆内电流为零的条件得到以电场为未知函数一阶非线性偏微分方程,再利用两端自由的边界条件解出位移、电场和载流子的分布函数。
结论:压电半导体杆内位移、载流子和电势关于杆的几何中心对称分布,电场、应变则关于中心呈反对称分布形式;它们在半导体两端部的区域变化比在中心区域的变化剧烈。此外,半导体杆两端部的载流子浓度、位移和电场显著依赖于端部的初始载流子浓度。

关键词组:力电耦合;半导体;杆;载流子

Articles

Supersonic mixing augmentation mechanism induced by a wall-mounted cavity configuration

Wei Huang, Ming-hui Li, Feng Ding, Jun Liu

DOI: 10.1631/jzus.A1500244 Downloaded: 835 Clicked: 1383 Cited: 5 Commented: 0(p.45-53) <Full Text>   <PPT>  339

Chinese summary   <30>  壁面凹腔诱导的超声速混合增强机制研究

目的:探索壁面凹腔诱导下的超声速混合增强机理,期望得到混合性能较好的燃料喷注策略。
方法:提出两种壁面凹腔与横向射流的组合方式,采用数值模拟方法对其流场进行研究,并与纯横向射流流场细节进行对比。
结论:1. 由于凹腔上面剪切层与壁面横向射流的强烈交互作用,使得横向射流流场中产生的涡系结构被打破;相应地,当把凹腔置于喷孔上游时,亚声速区域面积更大;2. 当把凹腔置于喷孔上游时,燃料的渗透深度更大,这样有利于超声速气流中燃料与空气的混合;3. 新构型I的混合效率最高。凹腔上面剪切层与壁面横向射流之间的强烈交互作用对超声速气流中燃料的混合增强影响很大,这是超燃冲压发动机燃烧室构型优化的基石。

关键词组:超燃冲压发动机;混合增强;涡流发生器;横向射流;凹腔;超声速气流

Numerical analysis of flow and cavitation characteristics in a pilot-control globe valve with different valve core displacements

Jin-yuan Qian, Bu-zhan Liu, Zhi-jiang Jin, Jian-kai Wang, Han Zhang, An-le Lu

DOI: 10.1631/jzus.A1500228 Downloaded: 1570 Clicked: 1563 Cited: 9 Commented: 0(p.54-64) <Full Text>   <PPT>  346

Chinese summary   <36>  先导式截止阀在不同阀芯位置下流动和汽蚀特性的数值分析

目的:先导式截止阀可通过一个先导阀,利用流体在阀门前后自身的压差控制主阀的启闭,是一种新型节能型截止阀。本文探讨该阀在开启和关闭状态下、不同入口速度情况下和不同阀芯位置下的流动和汽蚀特性,为后期结构优化提供设计建议。
创新点:1. 分析先导式截止阀的阀芯上下表面压差的变化情况,验证其可行性和模型准确性;2. 建立数值模型,对先导式截止阀在不同启闭状态和不同阀芯位移情况下进行流动和汽蚀分析。
方法:1. 通过数值模拟,分析阀芯上下表面的压差,并与现有文献进行比较,验证模型的准确性(图3);2. 建立开启和关闭条件下的阀门模型,比较两种状态下该阀的流动和汽蚀特性(图4和5);3. 建立不同入口速度条件下的阀门模型,比较分析速度对该阀的汽蚀情况的影响(图6);4. 建立不同阀芯位置的阀门模型,比较分析不同阀芯位置下的速度和压力情况,进一步验证该阀的可行性,并分析阀芯位置对阀门汽蚀的影响(图7)。
结论:1. 在开启和关闭状态下,流速和汽含率在阀座底部靠近出口处达到峰值;2. 入口速度更高的情况下,阀的开启速度更快,但汽含率并不一定同步上升;3. 当阀芯处于低位置时,虽然对阀门出口处影响位置较小,但其压力梯度较大、汽含率较高,选取合适的弹簧刚度非常重要。

关键词组:计算流体动力学;先导式截止阀;阀芯位移; 汽蚀

Evaluation of the critical stress of anodized coating-AZ91D substrate using SEM in-situ technology

Xi-shu Wang, Xing-wu Guo, Yuzo Nakamura, Hui-hui Yang, Pan Pan

DOI: 10.1631/jzus.A1500178 Downloaded: 671 Clicked: 1014 Cited: 0 Commented: 0(p.65-75) <Full Text>   <PPT>  322

Chinese summary   <199>  氧化涂层与基体临界失效应力的扫描电镜原位试验研究

目的:以典型的氧化涂层-AZ91D基体材料为背景,开展涂层-基体结构的损伤行为研究,在扫描电镜原位试验基础上定量地评价这种结构材料的临界弯曲失效应力值。
创新点:在Stoney方程基础上首次用试验方法定量地表征氧化涂层与镁铝合金基体材料的弯曲失效应力值;建立梁或板最大弯曲扰度与临界失效应力之间的关系,弥补Stoney方程中没有考虑二维效应及涂层材料特性引起的不足,使之更加适合工程中常见涂层-基体结构的损伤特点。
方法:将如图1所示的涂层-基体结构试件断面仔细抛光后置于扫描电镜的真空腔内;边加载边观察断面中损伤行为的变化,特别是界面附近的变形和开裂状态;比较所对应的加载点位移和载荷大小,并把其作为评价损伤行为的力学 参数。
结论:本试验方法定量表征的涂层-基体结构临界弯曲失效应力值和失效位置与扫描电镜损伤演化图形的数字散斑分析结果一致,适合二维涂层-基体结构损伤应力的评价。

关键词组:氧化涂层;弯曲应力;界面力学;扫描电镜原位观测技术

An efficient parameter identification procedure for soft sensitive clays

Liang Ye, Yin-fu Jin, Shui-long Shen, Ping-ping Sun, Cheng Zhou

DOI: 10.1631/jzus.A1500031 Downloaded: 840 Clicked: 1168 Cited: 2 Commented: 0(p.76-88) <Full Text>   <PPT>  352

Chinese summary   <33>  一个结构性软土参数的确定方法

目的:软土流变和结构破坏的相互耦合导致结构性软土的参数难以准确得到。本文拟建立一个有效的参数确定方法,期望仅基于常规的室内试验得到可靠的、合理的本构参数。
创新点:1. 通过采用优化方法来实现结构性软土参数的确定;2. 仅基于常规的室内试验得到本构参数;3. 采用最近提出的考虑各向异性、流变和结构破坏的超应力本构模型。
方法:1. 建立数值模拟和试验数据之间的误差计算公式;2. 通过流变本构模拟室内常规试验,并计算模拟误差;3. 采用下山单纯形法(simplex)优化方法,寻找模拟误差的最小值;此最小值对应的这组模拟参数即为土体的最优参数;4. 利用最优参数模拟其他类型的试验,验证参数的合理性和可靠性。
结论:本文提出的优化程序可以有效的找到结构性土体的流变和结构破坏参数,并且找到的参数非常的合理。

关键词组:黏土;流变;结构破坏;优化;参数确定

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