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火遍全網(wǎng)論文的有限元分析都能做什么？

來源：測試GO 時間：2021-09-18 11:13:08 瀏覽：2989次

1、引言

有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。通常，空間和時間相關(guān)問題的物理定律用偏微分方程來描述。對于絕大多數(shù)的幾何結(jié)構(gòu)和所面對的問題來說，可能無法求出這些偏微分方程的解析解。不過在一般的情況下，可以根據(jù)不同的離散化類型來構(gòu)造出近似的方程，得出與這些偏微分方程近似的數(shù)值模型方程，并可以用數(shù)值方法求解。如此，這些數(shù)值模型方程的解，就是相應(yīng)的偏微分方程真實解的近似解。

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由于大多數(shù)實際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元分析不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元分析在機(jī)械制造、材料加工、航空航天、土木建筑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為了一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實用高效的數(shù)值分析方法。

2、采用FEA進(jìn)行三維電磁仿真

Nano Energy: 近場控制增強(qiáng)鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能和光穩(wěn)定性

鈣鈦礦材料被視為應(yīng)用最廣泛的光伏材料之一，擁有可調(diào)帶隙、較大的擴(kuò)散長度和較低的穿透深度的特性，在近年來促使薄膜鈣鈦礦太陽能電池（PSC）實現(xiàn)了超過25%的能量轉(zhuǎn)化效率（ECE）。然而，太陽能器件在光學(xué)、電性能和穩(wěn)定性以及制造工藝方面目前仍然面臨許多挑戰(zhàn)。其中，光學(xué)性能可以通過有效的光子管理來提高，從而最大限度地減少光損耗。近期研究表明，使用無機(jī)金屬氧化物（如ZnO、NiO 等）作為 PSC 前觸點具有巨大的潛力，其可以通過改善光耦合和光捕獲來促進(jìn)PSC中的光子管理，與有機(jī)材料相比，它們可提供高效率和更好的器件穩(wěn)定性。

基于此，香港城市大學(xué)的Juan Antonio Zapien和日本金澤大學(xué)的Md. Shahiduzzama合作提出一種使用金屬氧化物作為鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)前接觸的光子管理策略，兼容串聯(lián)和柔性PSCs，能夠優(yōu)化器件特性，同時提供額外的反應(yīng)機(jī)制，以避免過度聚焦對器件的光穩(wěn)定性產(chǎn)生影響（圖1）^[1]。同時對所使用的數(shù)值模型進(jìn)行了嚴(yán)格驗證，并在優(yōu)化的上層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了高性能：ECE = 17.4%, 開路電壓（V_oc）= 1.02 V、短路電流（J_sc）= 22.3 mA/cm²和填充因子（FF）= 77%（圖2）。

利用時域差分(FDTD)和FEA技術(shù)的三維電磁仿真結(jié)合對PSCs中光子和電效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)分析。研究結(jié)果表明，對一種新型納米結(jié)構(gòu)前接觸的雙能力進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化，可以控制吸收的功率密度分布以最大限度地提高效率，最小化納米結(jié)構(gòu)相關(guān)的亞波長聚焦效應(yīng)，并且增強(qiáng)的電特性可以最大限度地提取電荷，進(jìn)而增強(qiáng)J_sc，與平面PSCs性能相比，適用于柔性PSCs的超薄活性層可高達(dá)33%。同時，前接觸層納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計能夠控制器件中的功率密度分布，從而在不影響納米光子前接觸所提供的性能增強(qiáng)的情況下提高PSCs的光穩(wěn)定性。

圖1 PSCs的上層和襯底結(jié)構(gòu)

圖2 TiO₂/FTO基板上制備的鈣鈦礦薄膜的結(jié)構(gòu)表征以及PSCs的性能測試和FEA模擬

3、采用FEA模擬電極材料結(jié)構(gòu)的多物理場的時空分布

Advanced Energy Materials: 低彎曲度、高負(fù)載鈉離子電池電極材料的可控設(shè)計與有限元分析

鈉離子電池具有資源豐富、成本低、安全性高等優(yōu)點，在中低速電動車、電動自行車、大規(guī)模儲能等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。鈉離子電池與鋰離子電池工作原理相似，但由于鈉離子具有較大的相對原子質(zhì)量及粒子半徑，鈉離子在電極中嵌入與脫嵌動力學(xué)差，造成鈉離子電池的比能量和比功率比鋰離子電池低。開發(fā)高負(fù)載面容量的電極結(jié)構(gòu)可以增加活性材料的百分比，從而在器件/電池水平上提高能量密度，被認(rèn)為是實現(xiàn)鈉離子電池高能量目標(biāo)的直接策略之一。

然而，在傳統(tǒng)的電極結(jié)構(gòu)中，活性材料被涂覆在金屬電流集電極上，電極組分的隨意堆疊將形成高彎曲度的多孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電荷(電子和離子)傳輸路徑隨著質(zhì)量負(fù)載的增加而成比例地增加，電池電阻更高，電池比功率較低。

基于此，大連化物所李先鋒研究員與鄭瓊副研究員基于非溶劑誘導(dǎo)相分離方法合作開發(fā)了低彎曲度的Na₃V₂(PO₄)₃電極（圖3）^[2]。通過熱力學(xué)和動力學(xué)調(diào)節(jié)，可以獲得所需的低彎曲形態(tài)，并進(jìn)一步利用結(jié)構(gòu)優(yōu)勢成功制備了超高質(zhì)量負(fù)載(60 mg cm^-2)和面積容量(4.0 mAh cm^-2)的電極，即使在10C的高倍率電化學(xué)測試下，其容量仍然保持1.0 mAh cm^-2（圖4）。

利用數(shù)值模擬和FFA時空分布模擬，全面研究了低彎曲度體系對電荷傳輸動力學(xué)的影響（圖5），結(jié)果表明由于有效的離子擴(kuò)散率與曲折度成反比，低曲折度的指狀孔可以通過促進(jìn)Na⁺傳輸顯著增強(qiáng)電荷的轉(zhuǎn)移動力學(xué)，而在高曲度的孔中離子傳輸路徑大幅延長，致使在放電過程結(jié)束時集流體附近的離子不能及時補(bǔ)充，阻礙了進(jìn)一步的電化學(xué)反應(yīng)并使Na⁺傳輸成為厚電極中電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的決定步驟。因此，低曲度的孔隙有望增強(qiáng)Na⁺的傳輸能力并顯著提高倍率性能。該研究為適用于高性能鈉離子電池的設(shè)計和優(yōu)化提供了策略。

圖3 基于無模板非溶劑誘導(dǎo)相分離法制備復(fù)合電極

圖4 復(fù)合電極的電化學(xué)性能測試

圖5 數(shù)值模擬與FEA模擬

4、采用FEA進(jìn)行熱傳導(dǎo)過程模擬

Chemical Engineering Journal：“碳焊接”石墨烯骨架相變復(fù)合材料用于高導(dǎo)熱性的太陽能熱轉(zhuǎn)換

隨著對續(xù)航里程和充電效率的要求越來越高，高能量密度鋰電池的熱管理問題，包括產(chǎn)生余熱的散熱和寒冷環(huán)境下的保溫，已經(jīng)越來越受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。相變材料（PCMs）具有高潛熱的特性，尤其是有機(jī)固液相變材料，既可以吸收大量廢熱并儲存以避免局部過熱，又可以在寒冷的環(huán)境中將所儲存的熱量釋放出來以維持鋰電池的正常運行，因而在鋰電池?zé)峁芾矸矫嬲宫F(xiàn)出廣闊的前景。

但是有機(jī)固-液相變材料也存在兩個缺陷：1）其固有的低熱導(dǎo)率（通常λ_PCM< 0.5 W m^-1 K^-1）會嚴(yán)重阻礙實際熱管理系統(tǒng)中的熱儲/放速率；2）其形狀穩(wěn)定性差、易泄漏和光熱轉(zhuǎn)換能力低。因此，開發(fā)用于鋰電池?zé)峁芾淼南冗M(jìn)PCM仍然具有挑戰(zhàn)性。將碳基材料、金屬微/納米顆粒、陶瓷填料等高導(dǎo)熱填料摻入PCMs可以有效提高其導(dǎo)熱性。然而，高導(dǎo)熱率的高填料負(fù)載（大于 50 wt%）會不可避免地降低PCMs的熔化潛熱。

相比之下，預(yù)先構(gòu)建由高導(dǎo)熱填料組成的三維 (3D) 有序結(jié)構(gòu)被廣泛認(rèn)為是制備高性能PCMs的有希望的策略。3D框架中相互連接的導(dǎo)熱填料不僅可以最大限度地降低填料與基體之間的界面熱阻（ITR），還可以在PCM中形成直接連接的聲子傳輸高速通道，從而在低填料負(fù)載下獲得高熱導(dǎo)率。此外，由于多孔結(jié)構(gòu)的巨大毛細(xì)管和表面張力，引入 3D 多孔框架可以同時提高形狀穩(wěn)定性并防止固液相變過程中的泄漏。

基于此，鄭州大學(xué)劉春太團(tuán)隊通過采用“碳焊接”策略來降低3D石墨烯骨架中的填料間ITR^[3]。選取擁有豐富的共軛芳香結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺（PI）作為碳源，其經(jīng)過碳化后可以具有與石墨烯相似的晶格結(jié)構(gòu)。在聚酰胺酸（PAA）的幫助下，通過冰模板法組裝石墨烯納米片（GNP）構(gòu)建了有序的3D石墨烯骨架，經(jīng)過酰亞胺化和碳化處理后，所得石墨烯骨架（C-PI-GNP）在真空輔助下用聚乙烯醇浸漬以獲得高性能PCMs（圖6）。碳化聚酰亞胺 (PI) 和石墨烯的相似晶格結(jié)構(gòu)可以顯著降低這些接觸區(qū)域的聲子散射和ITR。用聚乙烯醇（PEG）浸漬后，獲得了具有高效聲子傳輸高速通道的高性能PCMs，制備的復(fù)合材料顯示出高導(dǎo)熱率，最大值為 7.032 W m^-1K^-1（圖7）。FEA分析和非線性模型分析證實骨架中填料-填料ITR的降低是提高導(dǎo)熱率的主要原因（圖8）。此外，3D石墨烯骨架的存在可以有效避免固液相變過程中的泄漏，并顯著提PCMs的形狀穩(wěn)定性。同時，石墨烯骨架可以賦予PCMs優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能，確保在實際環(huán)境中的廣泛應(yīng)用。

圖6 C-PI-GNP的制備流程和形貌表征

圖7 C-PI-GNP的導(dǎo)熱性能測試

圖8 C-PI-GNP熱傳導(dǎo)過程的FEA模擬

5、采用FEA進(jìn)行膜的水通量模擬

Chemical Engineering Journal：自潔光催化MXene復(fù)合膜協(xié)同強(qiáng)化水處理:油水分離和染料去除

隨著工業(yè)的不斷進(jìn)步，世界范圍內(nèi)的水污染問題日益嚴(yán)重，特別是廢水中不溶性油類和染料對生物環(huán)境的危害已經(jīng)迫在眉睫。膜分離工程因其節(jié)能、分離效率高和環(huán)境友好等優(yōu)點而被認(rèn)為是廢水處理中的佼佼者。然而，傳統(tǒng)的膜材料主要依靠膜孔的篩分作用來去除污染物和回收廢水中的有價值物質(zhì)，在實際使用中需要權(quán)衡導(dǎo)致膜的滲透性和選擇性。此外，膜污染會顯著降低其分離性能和使用壽命。因此，開發(fā)新型膜材料和先進(jìn)的膜分離工藝具有重要的實用價值和意義。

MXene是一種典型的二維過渡金屬碳化物或碳氮化物，具有層狀結(jié)構(gòu)，可以通過組裝和層堆疊構(gòu)建納米尺度的傳質(zhì)通道。MXene納米片之間的層間距易于控制，結(jié)構(gòu)中豐富的-OH和-O等官能團(tuán)也賦予MXene優(yōu)異的反應(yīng)活性和親水性，可以應(yīng)用于水處理領(lǐng)域當(dāng)中。但是基于MXene膜的差防污性能和難重復(fù)使用性極大地限制了其實際應(yīng)用。隨著科技的進(jìn)步，光催化技術(shù)在環(huán)境修復(fù)和能量轉(zhuǎn)換方面展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用價值，將光催化技術(shù)與膜分離技術(shù)結(jié)合可應(yīng)用于多功能膜的設(shè)計和制備，并基于分離和光降解機(jī)理協(xié)同提高膜的綜合性能。

基于此，成都理工大學(xué)曾廣勇和中科院羅建泉團(tuán)隊合作通過簡單真空過濾方法將MXene納米片和N-Bi₂O₂CO₃納米顆粒進(jìn)行結(jié)合，首次構(gòu)建了一系列新型光催化復(fù)合膜（圖9）^[4]。測試結(jié)果表明，摻入N-Bi₂O₂CO₃納米粒子后，復(fù)合膜具有超高的水通量（815.3 L m^-2 h^-1）。此外，通過膜分離、吸附和光降解可以獲得優(yōu)異的三種不同類型染料去除率，分別約為99.9%（剛果紅）、98%（臺盼紅）和 98.4%（羅丹明 B），并且復(fù)合膜在連續(xù)五個可見光照射循環(huán)后仍保持穩(wěn)定的滲透性和選擇性（圖10）。同時，作者利用密度泛函理論計算和FEA模擬，分別揭示了光催化活性和膜滲透性提高的機(jī)制（圖11）。

圖9 N-Bi₂O₂CO₃ @MXene/PES復(fù)合膜的構(gòu)建過程示意圖

圖10 N-Bi₂O₂CO₃ @MXene/PES復(fù)合膜的循環(huán)性測試

圖11 FEA模擬結(jié)果

參考文獻(xiàn)

1. M.I. Hossain, et al. Near field control for enhanced photovoltaic performance and photostability in perovskite solar cells. Nano Energy, 2021, 89,106388.

2. Z. Lv, et al. Controllable Design Coupled with Finite Element Analysis of Low-Tortuosity Electrode Architecture for Advanced Sodium-Ion Batteries with Ultra-High Mass Loading. Advanced Energy Materials, 2021, 11, 2003725.

3. M.J. Su, et al. Carbon welding on graphene skeleton for phase change composites with high thermal conductivity for solar-to-heat conversion. Chemical Engineering Journal, 2022, 427, 131665.

4. Q. Q. Lin, et al. Self-cleaning photocatalytic MXene composite membrane for synergistically enhanced water treatment: Oil/water separation and dyes removal. Chemical Engineering Journal, 2022, 427, 131668.

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