为了合理地设计和利用再生混凝土,在再生混凝土均匀化过程中,综合考虑原生骨料界面处较大的孔隙率、砂浆处的孔洞和微裂缝,以及骨料界面效应,同时结合扭转变形原理、Mori-Tanaka方法、微分法和Christensen三相模型,建立了一套可预测骨料界面效应下含初始缺陷再生混凝土弹性模量的模型。计算结果表明,当再生骨料取代率由0%增加到100%(质量分数)时,再生混凝土的弹性模量会降低24.4%,新水泥砂浆和原生骨料弹性模量的下降会导致再生混凝土的弹性模量出现不同程度的降低,预测模型能较好地预测界面效应下含初始缺陷再生混凝土弹性模量,并实现参数化分析。
初始缺陷 界面效应 再生混凝土 弹性模量 均匀化方法 三相模型 initial defect interface effect recycled aggregate concrete elastic modulus homogenization method three-phase model
1 西安微电子技术研究所， 西安 710000
2 西安电子科技大学 机电工程学院， 西安 710071
在对3D封装微系统进行力学仿真建模时，硅通孔(TSV)和微焊点等结构的多尺度效应明显，需要划分大量网格，通过合理的等效处理可以降低网格数量，提高仿真效率。常规的方形柱等效使得结构失去原有微观形貌，仿真误差增加。为此，针对实际微观形貌提出了一种等效均匀化模型力学参数的确定方法。基于弹性力学方法，推导了圆柱形貌特征的TSV硅基板层力学参数的等效计算公式。对鼓球形貌特征的微焊点/下填料层均匀化模型提出了分层思想的力学参数确定方法。与现有方法相比，该方法考虑了微系统特征结构的真实形貌特征，计算效率更高，计算结果的一致性更好。
尺寸效应 均匀化方法 有限元分析 微系统 size effect homogenization method finite element analysis microsystem
1 中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室 成都 610213
2 复旦大学 航空航天系力学与工程仿真研究所 上海 200433
UN-U 3Si 2复合燃料在未来先进耐事故燃料元件中具有良好的发展前景，其堆内运行所产生的辐照蠕变及热蠕变对元件的辐照热力耦合行为及安全性会产生重要影响。基于文献中的宏观蠕变实验结果，分别针对UN和U 3Si 2多晶燃料主控的蠕变机制进行分析，通过拟合得到考虑空位扩散和位错运动机制的蠕变率模型，该模型的预测结果与实验结果吻合很好，证明了模型的合理性；基于均匀化理论建立了去除辐照肿胀效应后UN-U 3Si 2复合燃料宏观蠕变与各组分贡献的关联模型。基于文献上的复合燃料金相结构图，发展了随机建模方法，对UN-U 3Si 2复合燃料（20% U 3Si 2）辐照条件下单轴拉伸蠕变实验进行了数值模拟，获得了组分材料对复合燃料宏观等效蠕变所产生的贡献，并分析了蠕变机制。分析结果表明：UN和U 3Si 2存在的辐照肿胀差异，导致复合燃料内部产生了强烈的力学相互作用；在裂变密度达到4.32×1027 fissions·m-3时，颗粒与基体相界面处的最大von Mises应力约为外部施加的均布拉力的6倍，但由于存在低应力区，两种材料的辐照肿胀对复合燃料宏观等效蠕变应变的影响可以忽略不计。
UN-U
3Si
2 蠕变机制 辐照肿胀 均匀化理论 宏观等效蠕变 UN-U
3Si
2 Creep mechanism Irradiation swelling Homogenization theory Macroscopic equivalent creep
在细观层次上, 将混凝土视为由骨料、水泥砂浆及骨料-水泥砂浆间界面过渡区构成的三相复合材料, 基于Python语言, 运用蒙特卡罗方法建立具有周期性的混凝土单胞模型, 结合均匀化理论和周期性边界条件, 提出了考虑界面层作用的混凝土等效弹性模量预测方法。采用已有文献结果验证了模型预测值的有效性, 在此基础上, 进一步研究单胞尺寸、界面层厚度、骨料体积率及骨料最大粒径对混凝土等效弹性模量的影响规律。结果表明, 混凝土单胞模型可有效预测混凝土复合材料的弹性性能, 与已有方法预测结果的误差范围为1.87%～4.97%, 混凝土单胞模型的尺寸建议以150 mm为宜, 20%～40%内的骨料体积率对混凝土等效弹性模量的影响最为明显, 而界面层厚度与骨料最大粒径对混凝土弹性模量的影响较小, 呈单调递减或单调递增的影响规律。
混凝土 单胞模型 均匀化理论 周期性边界条件 等效弹性模量 骨料体积率 concrete unite-cell model homogenization theory periodic boundary condition equivalent elastic modulus aggregate volume rate
强激光与粒子束
2022, 34(2): 026017
湖南科技大学机电工程学院, 湖南 湘潭 411201
利用光学凹型透镜中功能曲面对太阳光线传输的重新分配能力,提出在腔体接收器前端安装凹型石英窗(凹透镜)以改善能流均匀性。为此,采用一种联合光线跟踪方法和遗传算法的优化设计方法优化凹透镜的几何尺寸和安装位置,改善碟式系统的能流均匀性。对于4种典型的二次曲面和三种曲面布置方式组合的12种凹透镜,详细分析凹透镜改善碟式系统能流均匀性的有益效果和特点,并验证所提方法的有效性。结果表明,在碟式系统中增加优化的凹透镜不仅能够显著改善腔体接收器的能流均匀性以及降低局部能流的峰值,还能够获得优异的光学效率和直接有用能率,优化的双圆锥透镜可将非均匀因子从0.59显著减小到0.11。
光学设计 太阳能碟式聚光系统 能流均匀化 凹型石英窗 光学性能 光线跟踪方法 光学学报
2021, 41(10): 1022001
哈尔滨工业大学航天学院光电子信息科学与技术系，黑龙江哈尔滨 150080
近红外高斯激光束在强激光与材料相互作用、激光清洗、激光燃烧诊断等热点研究领域中发挥着重要的作用。然而，高斯光束能量分布的不均匀性阻碍了这些领域的深入发展。为提高工作效率和测量精度，实际应用中往往期望光束能量在较大工作距离内呈均匀分布，但现有光束整形方法无法同时满足长焦深和高激光耐受功率要求。为此，本文基于非球面像差效应提出并设计了一种新型长焦深高斯激光束均匀化光学系统，系统由非球面光束均匀化系统和球面长焦准直系统两部分组成，所有透镜均采用熔融石英并在其表面镀有增透膜，能够实现 99.9%的光学系统传输效率。系统工作波段为 1064 nm，工作距离为 1000 mm，系统总长为 135.2 mm，耐受激光功率不小于 300 W。设计结果表明：整形后的平顶高斯光束有效焦深为 ±100 mm，光束均匀性≥95%，会聚角为 17.52 mrad，能够满足上述应用场景的实际需求。本文设计的光束整形系统相比于其他激光光束均匀化系统，具有结构简单、易于加工、成本低、焦深长、耐受激光功率高、光束均匀化效果好的特点。
像差效应 长焦深 高斯光束 光束均匀化系统 耐受激光功率 aberration effect, long focal depth, Gaussian beam
1 湖南科技大学机电工程学院, 湖南 湘潭 411201
2 湖南科技职业学院智能装备技术学院, 湖南 长沙 410004
3 肇庆学院机械与汽车工程学院, 广东 肇庆 526061
为了改善平面接收器的能流均匀性,针对抛物碟式聚光器,提出一种重新优化布置各镜面单元的改进方法,并设计了一种新型非成像碟式聚光器。建立平面接收器目标区域内能流均匀化的优化模型,联合运动累加光线跟踪方法和遗传算法优化碟式聚光器。研究优化的聚光器与抛物碟式聚光器的聚焦能量分布,分析平面接收器上局部聚光比、非均匀因子、峰值聚光比及拦截效率指标。最后讨论了新型聚光器的应用价值,并展示了优化的新型碟式聚光器在平面型金属盘管接收器上的能流均匀化效果。结果表明,非成像碟式聚光器的能流均匀化效果最优异,能将非均匀因子从3.62~4.22显著减小到0.18~0.25,峰值聚光比从24737~37245降低到1722~2055。研究结果不仅能为太阳能平面接收器能流均匀化提供一种新的方法,还能为现有抛物碟式聚光器的改进提供新的思路。
光学设计 太阳能 碟式聚光器 光学性能 能流均匀化 光线跟踪方法 遗传算法
1 长春理工大学 光电工程学院, 长春 130022
2 中国科学院微电子研究所 微电子器件与集成技术重点实验室, 北京 100029
为降低干涉带来的影响, 将一种随机位相分布引入菲涅耳透镜阵列, 对阵列中每一个菲涅耳透镜施加0或π的二值化位相变化, 打乱阵列位相的周期性排布, 减少微透镜后多光束在匀化面干涉带来的影响.通过数值计算对激光束的匀化过程进行了模拟, 设计的菲涅耳透镜口径为0.5 mm, 焦距为6 mm, 阵列数目为20×20, 光斑整体均匀度达到90%, 光束能量利用率达到96%.利用设计和制备的16台阶随机位相型菲涅耳透镜阵列对1 064 nm波长的激光光束进行匀化, 均匀度为83%, 光束能量利用率为89%.研究结果表明, 通过引入随机位相可有效减少干涉带来的影响, 提高微透镜阵列对单模高斯光束的匀束效果.
激光束均匀化 单模高斯光束 随机位相 菲涅耳透镜阵列 干涉 Laser beam homogenization Single-mode Gaussian beams Random phase Fresnel lens array Interference
1 华北电力大学 控制与计算机工程学院, 河北 保定 071003
2 保定华仿科技股份有限公司, 河北 保定 071051
3 河北大学 电子信息工程学院, 河北 保定 071002
基于不连续因子校正的粗网格有限差分法是实现堆芯瞬态三维数值模拟的高效方法之一, 粗网节块的界面不连续因子与边界反照率的计算方法决定了实时数值模拟过程中的精度。在计算不连续因子的过程中, 省去了细网节块计算与粗网均匀化过程, 直接在粗网格划分情况下, 基于节块展开法和非线性迭代策略, 推导了粗网格界面不连续因子比率与边界反照率的计算公式, 并编制了相应的计算程序。沸水堆典型算例的三维瞬态模拟证实该方法可在空间域和时间域两方面, 使静态、瞬态精度均达到与先进节块法相等同的程度, 并且计算效率优于先进节块法, 为核电站全范围模拟机三维堆芯的实时仿真模型开发提供了一种切实可行的选择。
等效均匀化理论 不连续因子 沸水堆堆芯 瞬态仿真 generalized equivalence theory discontinuity factor boiling water reactor core transient simulation 强激光与粒子束
2018, 30(12): 126003
