Institute Of Mechanics,Chinese Academy of Sciences
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Influence of elastomer film thickness and particle size on laser-induced microparticle launch
No full textLaser-induced microparticle impact testing (LIPIT) provides an effective experimental method for revealing the ultrahigh strain-rate dynamic response of materials by launching a single microparticle through laser-induced film expansion to impact a target material. Understanding the coupling effects of laser ablation and the dynamic responses of both the films and microparticles during the launch process in LIPIT is essential for achieving higher launch velocity of the microparticle. In this study, the influences of elastomer film thickness and microparticle diameter on the launch process are investigated by numerical simulations. The results show that the laser-induced plasma pressure experiences a sudden increase in the launch system with a thin or without elastomer film due to the inertial effect of microparticle and the reflection of laser-induced shock waves at the microparticle-film interface. As the elastomer film thickness increases, the onset time of the sudden increase in pressure delays and the amplitude of the peak pressure decreases. When the elastomer film thickness exceeds about 10 mu m, the influence of elastomer film thickness is negligible. Additionally, the microparticle launch velocity decreases with increasing elastomer film thickness. In a launch system without an elastomer film, increasing the microparticle diameter leads to a greater amplitude of the sudden increase in plasma pressure, resulting in a higher launch velocity. However, when the microparticle diameter exceeds 9.2 mu m, the launch velocity begins to decrease with increasing diameter. This study discloses the coupling effects during the microparticle launch process in LIPIT and provides insights into experimental design and optimization of the LIPIT system. (c) 2025 Author(s). All article content, except where otherwise noted, is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0International (CC BY-NC) license (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/).</p
Seismic efficiency: From hydraulic fracturing-acoustic emission laboratory experiments of shale based on energy budget
No full textFluid injection-triggered earthquakes have been documented worldwide and quite a number of events have significant moment magnitudes (Mw >= 3). Seismic efficiency (n), defined as the ratio of injection volume to net seismic moment release in hydraulic fracturing operations, is a crucial parameter to evaluate seismic hazard. However, a quantitative assessment of seismic and non-seismic (aseismic) energy release is a key aspect of understanding the intrinsic properties of cracking rocks. Therefore, we develop a novel n model based on the hydraulic-fracturing-propagation energy budget and performed laboratory experiments on hydraulic fracturing in shale by injecting distilled water at different rates under pseudo-triaxial stress conditions with simultaneous monitoring of acoustic emission (AE). We estimate AE energy accurately with absolute value correction of sensors using a laser Doppler vibrometer, and the dissipation of the potential energy using displacement and pressure sensors. The results show that the proposed n model can evaluate the induced seismic characteristics effectively compared with field data and the injection rate controls the change of n to some extent. Moreover, there is a log-linear relationship between seismic efficiency and injection efficiency (ratio of AE energy and injection energy), which may provide an experiential method for evaluating seismicity during the early phase of hydraulic fracturing
The cross-scale rheology of amorphous system and the resultant Turing-like patterns
No full textThe cross-scale rheology of amorphous systems raises a number of problems in the fields of materials science and soft condensed matter physics about their fundamental physical principles. Nevertheless, a clear and concise theoretical framework is still lacking to elucidate the process from microscopic plastic events to the coalescence of shear transformation zones, and subsequently from mesoscopic slip line networks to the emergence of multi-level shear bands. This paper proposes an approach for tracking the activation of plastic events and the growth of plastic zones in amorphous alloys using clustering algorithms. The role of the plastic zone affected zones in the system's percolation process is described using the Eshelby's equivalent inclusion theory and the Grady-Kipp momentum diffusion theory, which offers a novel perspective on the mechanism of spontaneous symmetry breaking in amorphous systems with external force. Meanwhile, our research suggests that the cross-scale amorphous rheology is consistent with the fundamental characteristics of Turing patterns to some extent and can be abstracted as a reaction-diffusion system. The stress concentration and stress relaxation caused by plastic zone affected zones function as the activator and the inhibitor in Turing's framework, respectively. We advocate for additional in-depth research and conceptual innovation to achieve disordered material design in multiple scales
Investigation of ventilated air layer drag reduction on axisymmetric underwater vehicles
No full text 进入21世纪以来，海洋国防与海洋经济已成为我国发展战略的重要组成部分，有效的减阻技术可提高航行体的快速性和续航能力，这在军事、经济和环保方面都有着重要意义。在众多减阻技术中，气层减阻技术具有良好的发展前景，通入气体形成分隔固体表面和液体的连续气层，减少航行体的湿表面积，起到降低摩擦阻力的效果。虽然气层减阻技术在平底船舶和小型回转体武器模型的应用上取得了进展，但将这一技术应用在低速运动的回转体上时，面临着三维形状导致的减阻效果差异、气层形态控制以及工作场景变化等挑战。为解决这些问题，本文针对回转型水下航行器气层减阻的重要影响因素开展研究，主要创新性成果如下：
(1)得到了航速和通气速率对回转型水下航行器气层形态和减阻效果的影响规律。基于光体SUBOFF模型设计了搭载环状通气减阻装置的回转型水下航行器，并对其开展了一系列数值仿真模拟。对回转型水下航行器的气层形态、气层减阻效果以及流场的速度分布和压强分布进行了详细的研究。得到了航速和通气速率对回转型水下航行器气层减阻效果的影响规律：相同通气速率下，减阻效果一般而言会随来流速度增大而提高；固定航速下，随着通气速率的提高，压差阻力减阻率先升后降，甚至出现明显的增阻现象，这与回转型水下航行器的几何形状相关；摩擦阻力减阻率则始终提高，但存在最大值；总阻力减阻率表现为先增后降。随后对减阻率变化机理进行了研究，发现气层包裹模型尾部时会破坏模型尾部的高压区，使压差阻力提高。这说明了气层形态控制的重要性。
(2)提出了改变通气装置几何形状(喷气口的形状、位置，外壳的形状)以控制气层形态的方案。对回转型水下航行器的气层形态与其对应的减阻效果进行分析，发现气层形态调控应做到以下两点：抑制气层的上浮，获得更大的气层覆盖面积；控制气层的长度，防止气层破坏模型尾部的高压区。对喷气口形状、分布位置和外壳的几何形状进行调整，得到了不同形状的航行体。对气层形态和减阻效果变化进行分析，结果表明：气层会优先沿着喷气装置外壳后方的低压区扩散，喷气口的形状和分布位置的改变未能改变气层形态；将喷气装置的整环外壳修改为部分环状外壳，有效调整了模型表面的压强分布，抑制了喷口附近气层的上浮，增加了气层的长度和厚度。此外，改变通气装置外壳可以在较低通气速率下实现更好的减阻效果，增加了通气装置的续航能力。
(3)得到了静水压强变化对气层减阻效果的影响规律，并对其影响机理进行解释。高压环境为气层减阻的实际应用带来了挑战。研究了0.1MPa-3MPa静水压强范围内气层演化特性、流场特性及减阻效果，结果发现：在来流速度与通气速率相同的条件下，连续气层的减阻效果随静水压强的增大而减弱，且减弱的程度随逐渐减小。此外，静水压强提高会增加喷出的气体的密度，影响气层与外部流动的动量交换，使气层内部反向流的速度的衰减程度降低，导致气层截断位置前移。
以上研究可以有效拓展气层减阻技术的工程应用场景，为回转型水下航行器的通气装置的设计提供参考。此外，本文还验证了基于RANS模型并使用SST - 湍流模型与VOF多相流模型的数值方法，与试验结果的对比证明了此数值方法可准确模拟航行体所受的阻力并获得较为清晰的气-液界面，且气层覆盖面积的误差也在8%以下。</p
Investigation of Energy Distribution in Laser Oscillation Welding and Its Effect on Weld Formation
No full text激光摆动焊接（Laser Beam Oscillation Welding, LBOW）是一种利用激光束沿预定轨迹运动来调控能量分布的焊接技术。由于摆动模式、摆动频率和摆动幅度等摆动参数的多样组合，加之激光功率、光斑直径及焊接速度等传统参数的影响，激光束运动轨迹异常复杂，进而导致能量时空分布呈现高度非线性特征。因此，深入探讨LBOW中能量分布的机理、构建工艺参数间的量化关系以及相应的能量分布数学模型，可为焊接质量的优化提供更为科学、精准的理论依据。本研究围绕“摆动焊接能量时空分布表征及其对热质输运的影响”这一核心科学问题展开，旨在探讨激光摆动焊接中的能量分布规律及其表征方法。通过综合运用解析方法、数值模拟和实验表征手段，揭示了摆动参数、激光参数与运动参数等多重因素和能量分布、熔池形貌和流场特征的内在联系，并进一步分析了它们对焊缝形貌、显微组织及性能的影响。主要内容及研究成果如下：
对激光摆动焊接中能量传递与分布进行了量化研究。首先建立了考虑材料热扩散效应的材料表面能量密度分布的数学模型，并对激光束在摆动过程中的速度与方向变化进行了定量分析。采用摆动相位角描述摆动焊接中的激光束轨迹动态变化规律。利用高速摄影技术采集不同工艺参数下的熔池图像，对摆动焊接模式进行归类，并引入超阈能量覆盖率Mwm作为摆动焊接模式的判据。同时，提出轨迹重叠率Λ和摆幅比SR表示焊缝连续性，能量汇聚率HTS描述焊缝中能量集中程度。
通过构建考虑摆动热源效应的三维瞬态热质输运数值模型，对激光摆动焊接中温度场、流场及溶质传递的动态演化过程进行仿真。在摆动对接焊中，计算同一摆动周期中不同时刻的温度场、流场分布情况，研究了摆动焊接中表面纹理的形成机理。并结合熔池的高速摄影图像，探究了流体流动与合金元素稀释的规律。在摆动搭接焊中，对不同摆动模式影响下的熔池传热、流动及传质进行仿真，分析了摆动搭接焊中的热质输运规律，并与摆动对接焊进行对比。
系统研究了摆动传导焊、深熔焊和搭接焊工艺中的关键参数对焊缝成形、显微组织及性能的影响。在摆动传导焊中，分析了不同摆动参数引起的表面纹理变化，测定了焊缝的晶粒尺寸、显微硬度和耐腐蚀性能。针对摆动深熔焊，研究考察了摆动模式、摆动频率、激光功率对焊缝成形效果的综合作用。对于摆动搭接焊，重点探究了金属界面处显微组织和力学性能的变化，并结合温度场与溶质场的演变探讨摆动模式带来的影响。
本研究提出了超阈能量覆盖率、摆动相位角的概念，并推导出轨迹重叠率、摆幅比、能量汇聚率等无量纲数。这些参数为定量分析摆动焊接过程中的能量分布提供了新的思路。同时也揭示了激光摆动焊接中工艺参数、能量分布、热质输运与焊缝组织、性能之间的内在联系，为优化激光摆动焊接工艺、提高焊接质量和接头性能提供了理论支撑和实验依据，为理解和应用激光摆动焊接技术提供了有力支持。</p
Study on the Transfer Mechanism of Laser Induced Non Newtonian Fluid Paste
No full text 在全面推进“双碳”战略目标的政策引领下，光伏技术是实现能源低碳转型的关键技术之一。导电栅线成形是太阳能电池生产制造的关键步骤，降本增效一直是行业发展追求的重要目标。主流的接触式丝网印刷技术，受限于网板开孔，在栅线成形上难以突破“窄线宽（<25μm）、大高宽比（>0.5），更少浆料用量”的技术瓶颈。激光诱导前向转移技术（Laser-induced forward transfer，LIFT）具有智能化、绿色高效、非接触式等优势，在光伏栅线成形上极具工业前景。其中浆料的转移过程对成形栅线形貌及精度起着决定作用。本文采用工艺实验和数值模拟相结合的手段，在明晰非牛顿流体浆料流变学行为基础上，开展了多参数耦合作用对激光诱导浆料转移过程和成形形貌的影响规律研究，揭示了激光诱导非牛顿流体浆料转移成形机理，建立了浆料转移状态无量纲相图和成形优化工艺窗口。本文主要研究内容及成果如下：
系统开展了多参数耦合作用下激光诱导高黏度浆料转移形貌影响规律研究。以浆料厚度与转移间隙比值（即膜厚间隙比），这一关键几何无量纲参量将浆料转移分为受限与非受限转移。针对受限转移，随着激光能量密度的增大，呈现无转移、点、连续线和散斑四种转移形貌。随着激光能量密度和重复频率的增加、扫描速度的减小，成形栅线的宽度增加，高宽比减小，截面形貌从单峰过渡到双峰。可控成形出线宽20~100μm，高宽比0.5~0.9的连续栅线。针对非受限转移，单点转移临界能量阈值随膜厚间隙比的增加而增大。转移形貌随能量密度的增加从穹顶过渡到尖端。膜厚间隙比对单点形貌的影响可划分三类。第Ⅰ类，膜厚间隙比≤0.03，单点直径可达330μm；第Ⅱ类，膜厚间隙比介于0.04~0.1之间，直径接近200μm；第Ⅲ类，膜厚间隙比>0.1，直径约130μm。
量化分析了不同工艺参数下浆料转移过程演化规律。受限转移是通过激光诱导发泡驱动周围浆料凸起与接收基体接触，形成稳定的浆料桥连接实现。当单脉冲能量小于3.45μJ时，发泡始终受供体基体和周围浆料膜的约束，未发生破裂。随着脉冲能量的增加，发泡内部气体膨胀压力远大于周围浆料膜的约束力而产生破裂，引起周围浆料溅射转移。当重复频率增加、扫描速度减小时，发泡破裂和浆料凸起的不稳定性增强，成形分辨率降低。浆料膜厚度增加时，对诱导发泡的约束作用增强，膨胀速度和浆料凸起位移减小，因黏弹性效应凸起回弹收缩。非受限转移则是通过激光诱导发泡驱动浆料产生凸起并以射流形式前进，与接收基体形成射流连接实现。当单脉冲能量不足以诱导形成射流连接时，在黏性力、表面张力等力的作用下，射流回弹收缩以凸起形式稳定在初始浆料膜附近。随着浆料膜厚度的增加，从激光直接诱导发泡破裂溅射转移，过渡到射流连接转移，最后到射流回弹收缩未转移。
深入开展了激光诱导浆料转移动力学过程数值模拟研究。基于Carreau模型修正了黏性系数项，计算了凸起内部初始诱导压力场变化，揭示了受限转移激光诱导浆料桥连接的转移机理。随着脉冲能量的增加，发泡经历了从蘑菇状、豌豆荚状到胶囊状的非球形转变。为了实现连续线成形，初始诱导压力应大于40MPa。在蘑菇状发泡诱导下，成形栅线具有较高分辨率。构建了界面变形位移和时间常微分方程，揭示了非受限转移激光诱导射流连接的转移机理。分析了惯性力、毛细力、黏性力和弹性效应间的竞争关系，构建出由韦伯数Weber（We）和雷诺数Reynolds（Re）决定的浆料转移状态无量纲相图。当Re<0.01，We<0.1时，浆料凸起过程惯性效应不能克服黏性力和毛细力，未产生有效转移。当Re>0.01，We>0.1时，惯性效应足以抵抗黏性力和毛细力，产生接触转移。随着Re和We增加，发泡易发生不规则破裂产生溅射转移。
本文基于激光诱导非牛顿流体浆料转移过程中的关键力学问题，从非牛顿流体浆料流变学特性出发，通过转移成形实验和转移过程数值模拟，确定了包含材料流变学特性和受力特征的无量纲参数范围，明晰了激光诱导非牛顿流体浆料转移成形机理，提出了基于“流变-转移过程-成形形貌”的主动调控方案，优化了栅线成形工艺，为激光诱导非牛顿流体转移和太阳能电池栅线高精度成形提供了工艺和理论指导。</p
Investigation of fracture behavior in additively manufactured Ti6Al4V
No full text钛合金（Ti6Al4V）是一种重要的工程材料，具有优异的综合力学性能。然而，钛合金较差的切削加工性及较低的材料利用率严重制约了其在工业领域的应用。增材制造（AM, additive manufacturing）工艺可以直接从原料制备零件，恰好克服了钛合金的加工难题。激光粉末床熔融（LPBF, laser powder bed fusion），也称选区激光熔化，是最常用的金属AM技术之一。极端服役环境、巨大的结构尺寸差异等外部因素对AM部件的断裂性能具有显著的调控作用。然而，与AM Ti6Al4V相关的断裂机理与性能预测模型研究较少。因此，本文以LPBF Ti6Al4V合金为研究对象，通过宏微观实验、有限元模拟和断裂相场理论研究了温度与试样尺寸这两个关键因素对其断裂行为的影响。
首先，研究了温度对LPBF Ti6Al4V准静态拉伸和断裂行为的影响。通过LPBF工艺制造出相对密度为99.33%的Ti6Al4V试样，初始微结构观测结果表明LPBF Ti6Al4V合金的微观组织呈现显著的各向异性特征。室温下，LPBF Ti6Al4V的断裂韧性与传统锻造钛合金相当，但其拉伸性能显著提升。在123 K–293 K范围内，随温度降低，拉伸强度提高，断裂韧性降低。温度还会改变材料的断裂模式，室温下LPBF Ti6Al4V呈现韧性断裂模式，低温下呈现韧–脆混合断裂模式。通过弹塑性有限元模拟分析了裂纹尖端塑性区尺寸的变化，揭示了温度对材料断裂行为的影响机制。随温度降低，裂纹尖端塑性区减小，塑性能量耗散减少，材料的断裂韧性降低。
其次，基于紧凑拉伸试样，开展不同几何尺寸下的断裂实验，以研究试样尺寸对LPBF Ti6Al4V断裂行为的影响。实验结果表明：随裂纹长度增加，断裂韧性降低。由于LPBF制造缺陷和试样断裂机制的变化，断裂韧性随试样厚度的变化表现出较大的波动。不同于传统铸造Ti6Al4V合金的粗糙刻面断裂起源，LPBF Ti6Al4V合金中带二次裂纹的光滑刻面、气孔和未熔合缺陷都是可能的裂纹起源。通过线弹性K–T方法研究了LPBF Ti6Al4V断裂行为的约束效应。面内约束表征表明：T11应力与应力强度因子或加载成反比关系，T11应力越高，应力强度因子越低，结构抗断裂能力下降。建立了表观断裂韧性与归一化T11应力之间的转换方程，可用于具有不同裂纹长度试样的断裂韧性换算。T33应力与裂纹尖端ε33应变具有相似的变化关系，说明应分别考虑面内和面外约束。此外，通过弹塑性J–Q方法进一步分析了裂纹长度的影响机制。
最后，基于断裂相场模型研究温度、裂纹长度及试样厚度对LPBF Ti6Al4V合金断裂行为的影响。结果表明：仅使用一组参数，弹塑性相场模型可以很好地捕捉不同约束试样的峰值载荷和峰值后软化状态。弹性相场模型也可用于评估弹塑性材料的峰值载荷。将温度的影响纳入相场模型计算框架，可直接预测不同温度下LPBF Ti6Al4V的断裂韧性。此外，裂纹尖端的颈缩效应和裂纹扩展形态也可通过相场模型重构。弹塑性相场模型可以准确有效地预测试样表面裂纹的形核、扩展甚至分叉现象。
本论文的研究工作一方面为AM钛合金的工程应用提供了有效的断裂韧性数据，另一方面，对于AM钛合金的多场耦合应用探索和跨尺度断裂行为分析奠定了基础。</p
基于POD和代理模型的高压捕获翼表面流场快速预测方法
No full text高超声速飞行器气动特性的快速预测是其多学科优化设计中的核心环节.当前,针对升力体和翼身组合体等常规气动布局,高超声速气动特性工程计算方法已趋于成熟并得到广泛应用.然而,面对部件间存在显著气动干扰的高压捕获翼新型气动布局,传统工程计算方法面临显著的局限性.为解决这一问题,文章结合计算流体力学(CFD)技术、本征正交分解(POD)方法与径向基函数代理模型,提出了一种高效准确的高压捕获翼表面流场快速预测方法,并据此构建了完整的气动特性快速预测框架.基于高压捕获翼基本设计原理,综合考虑了关键几何参数和来流条件的影响,对典型构型捕获翼下表面的复杂压强分布进行了预测验证.研究结果表明,当保留13个POD基模态时,所提出的快速预测方法与直接CFD计算结果相比,翼面压强预测的平均相对误差仅为1.6%,气动力预测误差更是低至0.3%.值得注意的是,进一步增加POD基模态数量对预测精度的提升效果并不显著.该方法在确保高精度流场重建和预测的同时,显著提升了计算效率,为高压捕获翼构型的优化设计提供了可靠的技术支持
特斯拉阀岛结构对性能影响研究
No full text使用三维k-epsilon湍流模型和流固换热模型，对不同岛结构大小的多环节特斯拉阀的流场和换热进行模拟分析，从特斯拉阀的岛结构角度开展岛结构相关性能评估。结果表明，特斯拉阀正向流动流场与反向流动流场具有较大的区别。根据仿真分析的结果，岛结构比例小于1.3，满足流动性能；岛结构大于1.2，满足换热性能；岛结构比例在1.2～1.3之间时，能够满足所需流动性能和换热性能。该研究可以为特斯拉阀在不同应用领域的深度结构优化设计提供参考
光读出高精度惯性传感器残余气体噪声仿真研究
No full text高精度惯性传感器在航天、导航和精密测量等领域具有广泛的应用前景，对其噪声进行高精度评估具有重要意义。本文提出了一种基于Ray Tracing技术的残气噪声仿真方法。首先，基于真实的惯性传感器模型，模拟在轨条件下残余气体在惯性传感器电极笼中的运动，获得残气加速度噪声的统计特性；其次，探究了不同压强和温度对残余气体噪声的影响；最后，分析了敏感轴的残余气体噪声对非敏感轴的间隙大小的依赖关系。仿真结果表明：利用Ray Tracing技术能够模拟追踪残余气体与敏感结构相互作用过程，实现残气加速度噪声在10-15量级的高精度仿真。温度和压强对残气加速度噪声水平具有显著影响，且电极笼与测试质量的间隙减小将导致惯性传感器残气噪声功率谱增大