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关键词： 管壳式换热器   应力分析   结构优化   超声冲击   热流固耦合  

摘要： 管壳式换热器在使用过程中,管板及换热管所受的应力过大是造成换热器结构破坏的主要原因之一,根据管壳式换热器受到的载荷工况,本文对管壳式换热器在热-机载荷作用下进行应力分析,并提出换热器的结构优化方案。本文主要从两方面对换热器的应力进行研究,一是通过研究换热器的焊接残余应力,探索降低残余应力的方法;二是研究换热器的工作应力,提出降低工作应力的措施。通过对残余应力及工作应力的研究及优化来提高换热器的使用寿命。本文通过采取外加移动热源的方法,对焊接产生的残余应力进行了模拟。模拟发现不同焊接结构的残余应力有所不同,伸出角、开坡口以及伸出角开坡口结构形式的换热管管板焊接结构能够降低焊接残余应力,其中伸出角开坡口的形式应力降低幅度最大。对不同焊接速度进行研究,发现随着焊接速度的增大,最大应力值会有小幅度的降低。对不同焊接热源功率强度进行分析,降低焊接热源功率强度,焊接残余应力最大值会有相应减小。通过制作换热管管板焊接模型,对焊接残余应力进行了实验研究。制作了四种不同形式的焊接模型,分别为平焊、伸出角、开坡口以及伸出角开坡口,通过X射线的方法对四种焊接试件进行了残余应力检测,检测结果与第二章模拟值较为接近,证实了残余应力模拟结果的正确性。对四种焊接试件进行了超声冲击,通过对超声冲击前后焊接试件残余应力大小的比较,发现超声冲击能够降低焊接残余应力,能使超声冲击前的焊接拉应力变成压应力,证明了超声冲击在降低残余应力方面的可行性。在热-机载荷作用下通过热流固耦合的方法对管壳式换热器应力进行了分析,通过添加温度载荷、压力载荷以及残余应力载荷的工况下进行了数值模拟,通过有限元分析,发现换热器的最大应力值位于管板与换热管的连接处,在管板与壳体的连接处应力值也特别大。对比了有无残余应力载荷以及超声冲击后残余应力载荷对换热器应力的影响,发现残余应力的存在对换热器应力影响很大,超声冲击后残余应力值减小,换热器的应力最大值也随之减小。针对换热器应力过大的问题,对换热器提出了三种结构优化方案,分别为换热管与壳体的合理选材、改变换热器管板的厚度以及改变换热管与管板的焊接结构。通过对优化后的换热器进行有限元分析,并与原结构换热器进行对比,优化后的换热器整体最大应力大幅度降低,实现了换热器的结构优化。该论文有图88幅,表6个,参考文献88篇。

关键词： 焊接接头   残余应力计算方法   残余应力松弛   残余应力重分布   疲劳裂纹扩展  

摘要： 广泛用于桥梁结构的低合金钢焊接接头,在服役过程中易发生疲劳失效,严重影响桥梁结构的安全性和使用寿命。在循环载荷作用下,焊接残余应力的松弛和重分布规律及其内在机理尚不明确,是焊接结构件疲劳定寿、延寿及损伤机理研究涉及的共性难题。本文以Q345B对接接头为研究对象,提出了等效残余应力的实时测量方法和残余应力分布的计算方法,系统研究了残余应力的松弛和重分布规律及其对疲劳裂纹扩展的影响机理。论文的主要创新性研究内容如下: (1)采用应变比为-1的恒应变疲劳试验,通过对比有、无残余应力试样的迟滞回线,基于线弹性叠加原理提出了一种在循环载荷下实时测量等效残余应力(测量区域内残余应力的均值)的方法。基于对疲劳迟滞回线的弹塑性分析,阐明了残余应力随循环周次和应变幅的松弛规律,提出了残余应力松弛的判据,建立了残余应力松弛量和塑性应变的线性关系。 (2)采用裂纹扩展路径垂直焊缝的C(T)试样,通过对比焊态和去应力接头试样的疲劳裂纹扩展曲线和载荷—裂纹张开位移曲线,基于叠加原理提出了裂纹尖端残余应力强度因子的计算方法。结合反权函数和离散化分析,提出了相应残余应力的计算方法,并通过X射线衍射测试验证了计算方法的有效性。采用一组缺口尖端与焊缝中心线距离不同的试样,并通过对比各试样的疲劳裂纹扩展曲线和计算得到的残余应力分布,阐明了残余应力随疲劳裂纹扩展的重分布规律。通过对比不同无裂纹韧带和不同厚度试样的疲劳裂纹扩展曲线和残余应力分布,明确了几何约束对残余应力分布的影响,揭示了疲劳裂纹扩展过程中残余应力重分布的机理。此外,结合重分布规律,建立了考虑残余应力重分布的裂纹闭合模型。 (3)通过对比焊态试样在不同循环载荷下的疲劳裂纹扩展曲线,结合载荷—裂纹张开位移曲线和DIC技术分析不同载荷下的裂纹闭合,阐明了塑性诱导裂纹闭合是残余应力影响疲劳裂纹扩展的主要方式。基于施加的最大应力强度因子对裂纹尖端塑性变形的作用,表明外载荷诱导残余应力会提高裂纹闭合水平。基于裂纹闭合模型,阐明了增加施加的最小应力强度因子会降低残余压应力的疲劳抑制效果,且明确了裂纹部分张开时外载荷对裂纹扩展的作用,优化了有效应力强度因子范围,揭示了残余应力对疲劳裂纹扩展的影响机理,建立了考虑残余应力的疲劳裂纹扩展模型。此外,通过对比施加不同预压力后焊接试样的疲劳裂纹扩展行为,阐明了施加预压力对残余应力分布的影响规律。

关键词： PBGA叠层焊点   子模型技术   温度循环载荷   弯曲载荷   扭转载荷  

摘要： PBGA封装具有封装密度较高、电气性能和散热性能良好等特点,是现今主流封装技术之一。大量研究表明,PBGA封装中互连焊点的高度是影响焊点可靠性的重要因素之一,而叠层焊点技术通过采用焊点堆叠的方式以增加焊点高度,能够减小温度循环下由于热失配现象产生的焊点剪切应力从而提高焊点可靠性,是一种新型的互连焊点技术。本文以PBGA叠层焊点为研究对象,对其在不同载荷加载下的应力应变进行了研究,具体研究内容及结果如下:(1)导入结构最优的思想,基于参数化子模型法实现了PBGA叠层焊点参数化等效总体模型的建立,以一种更准确、更高效的可代替全域或局部的PBGA叠层焊点的有限元分析方法建立PBGA叠层焊点有限元分析总体模型,改进之前粗略的以等体积原则建立等效实体焊球模型的方法,修正以往立方体等体积子模型分析法的缺点。该方法能够大幅降低有限元分析中的单元数目,提高有限元分析建模弹性,节约计算时间与计算机资源。(2)依据参数化子模型建模法建立PBGA叠层焊点等效总体模型,并对其进行温度循环加载条件下的有限元分析。研究结果表明:PBGA叠层焊点在温度循环载荷加载条件下,焊点阵列及内部的应力、应变分布不均匀,远离焊点阵列中心的边缘区域为焊点容易失效的危险区域。在影响叠层焊点热疲劳寿命的三个焊点结构参数因子焊球直径、焊点高度和焊盘直径中,叠层焊点的热疲劳寿命随焊球直径增加而减小,随焊点高度增加而增加,随焊盘直径增加而增加。利用反应曲面分析法得到的焊点结构参数焊球直径、焊点高度、焊盘直径与焊点平均粘塑性应变能密度增量的二阶反应曲面模型拟合显著且拟合程度较高。运用遗传算法对反应曲面模型进行优化后,得到焊点热疲劳寿命最高的焊点结构参数水平组合为:焊球直径0.70mm、焊点高度0.52mm、焊盘直径0.62mm。(3)对PBGA叠层焊点在弯曲、扭转载荷加载条件下的应力应变进行了有限元仿真分析。结果表明,在弯曲载荷和扭转载荷加载条件下,PBGA叠层焊点阵列及内部的等效应力应变分布不均匀,焊点阵列外围的边角区域是焊点应力应变最大的危险区域。PBGA叠层焊点结构参数中焊球直径、焊点高度和焊盘直径均对焊点弯曲、扭转应力存在显著性影响,影响大小排序为:焊点高度>焊球直径>焊盘直径,当取焊球直径0.70mm、焊点高度0.52mm、焊盘直径0.62mm时焊点弯曲应力和扭转应力值均为最小。

关键词： 冲击载荷   薄壁圆管   应力波效应   过载特性   动态屈曲  

摘要： 薄壁圆管结构的刚度大、质量轻、成本低、易于加工等优势,使其在汽车、轨道交通、航空航天以及军事等领域得到了广泛应用。在服役过程中,薄壁圆管结构会受到冲击载荷的作用,而冲击载荷作用下薄壁圆管结构中的应力波效应会对其动态响应产生重要影响。因此,研究轴向冲击载荷作用下薄壁圆管结构的应力波效应和过载特性,可为其设计和应用提供理论基础,并具有一定的科学研究意义。本文基于分离式霍普金森压杆动态加载装置,开展了薄壁圆管的应力波加载和质量块冲击加载工况下的动态压缩实验,并根据实验工况,建立了薄壁圆管的数值计算模型。在此基础上,研究了冲击载荷作用下薄壁圆管中应力波效应、过载特性及其动态屈曲机理,分析了撞击速度和撞击杆长度等因素对薄壁圆管动态响应的影响。具体研究内容如下: (1)采用分离式霍普金森压杆动态加载装置开展了应力波加载下薄壁圆管的动态响应实验研究,并建立了薄壁圆管的数值计算模型,数值计算结果与实验结果吻合较好。在此基础上,分析了应力波加载下薄壁圆管中的应力波效应及过载特性,且分析了过载惯性力对薄壁圆管动态屈曲的影响。结果表明:撞击速度较低时,由于应力波的反射和叠加效应,薄壁圆管的后端先发生动态屈曲,随着撞击速度的增大,薄壁圆管的屈曲首先发生在前端;应力波传播过程中,由于应力波波阵面应力差引起波阵面上质点加速度变化,所以薄壁圆管前端加速度响应时间要先于后端。 (2)开展了质量块冲击加载工况下薄壁圆管动态压缩实验,根据实验工况建立了数值计算模型,通过对比薄壁圆管屈曲变形,验证了数值模型的准确性。在此基础上,分析了质量块冲击下薄壁圆管的动态屈曲过程。结果表明:低速度撞击时由于应力波的叠加效应,薄壁圆管后端应变增大,并且随着应力波传播,薄壁圆管前端过载加速度响应时间早于后端;随着质量块冲击速度的增大薄壁圆管上应力波效应逐渐减小,质量块对薄壁圆管的轴向压力对薄壁圆管的屈曲起到主要作用。 (3)基于数值计算开展了冲击载荷下薄壁圆管动态响应影响因素的研究,讨论了撞击杆长度、撞击速度、壁厚等因素对薄壁圆管动态屈曲的影响。结果表明:撞击速度和撞击杆长度对薄壁圆管屈曲变形有较大的影响,随着撞击速度和撞击杆长度的增大薄壁圆管的屈曲变形随之增大;薄壁圆管的壁厚越小其屈曲变形越大。

关键词： 变齿高   热-力耦合   非线性   应力和变形  

摘要： 涡旋压缩机作为一种高效节能的容积式流体机械,被广泛应用于能源化工、医疗卫生等领域。在我国工业的飞速发展下,工业设备正不断向高温、高压以及高转速等极端工况下发展,这使得涡旋压缩机的工作环境更为复杂,对涡旋压缩机可靠性运行的要求更高。动、静涡旋盘的正确啮合是涡旋压缩机气体力提升和安全可靠运行的关键。在压缩机工作过程中,涡旋盘受各种载荷力的作用,主要包括温度载荷、气体力、离心力和摩擦力。涡旋齿在载荷力作用下发生变形引起的内泄漏及中心齿头粘连问题,直接影响着涡旋压缩机运转的可靠性及性能指标。因此,研究涡旋齿的应力和变形对提升压缩机的性能具有十分重要的意义。本文针对涡旋压缩机向高压比发展采用的变齿高结构,利用理论计算和数值模拟相结合的方法,建立了变齿高涡旋盘的数学模型和三维模型,得到了变齿高涡旋盘在非线性温度载荷、压力载荷及热-力载荷耦合作用下的应力和变形规律;通过三种常见材料变齿高涡旋盘应力和变形规律的分析和比对,确定了性能优良的涡旋盘材料。具体内容如下:(1)通过涡旋压缩机结构和工作原理分析,确定了涡旋压缩机的数学模型和结构尺寸;在运用Solidworks软件建立定齿高涡旋盘三维模型的基础上,基于吸气压力和排气压力确定齿顶和齿底尺寸及突变位置后,建立了变齿高涡旋盘的数学模型和三维模型。(2)借助建立的涡旋盘三维模型,求解并比对了相同吸气压力下,变齿高和定齿高结构各工作腔容积随主轴转角的变化规律及气体力的变化规律;并对变齿高动涡盘驱动轴承内深前后的倾覆力矩进行了比对。(3)借助Ansys软件对变齿高、定齿高动静涡旋盘和装配体在非线性温度载荷、压力载荷及热-力载荷耦合作用下的应力和变形进行了分析及结果比对,借助分析结果比对已有文献相关数值分析结论及实验结果,验证了仿真模型的正确性及数据的可靠性。(4)基于不同材料物理属性对大压比变齿高涡旋盘引起的变形差异性,分析铸铝、铸铜、铸铁三种材料动涡旋盘在非线性温度载荷、压力载荷以及耦合载荷作用下的应力和变形规律。

关键词： 高速动车组   转向架构架   载荷   动应力   跟踪周期   概率分布  

摘要： 随着高速动车组运营速度的不断提高,转向架构架作为车辆的关键承载部件,承受的交变载荷更为复杂,其疲劳强度直接关系到列车的运行安全性。跟踪测试作为目前常用测试车辆服役过程中动应力与载荷状况的方法,不仅难度大、时间长而且任务重、成本高,无法对整个服役过程进行线路实测。本文基于高速动车组运用条件下长周期实测构架载荷与动应力数据,开展了转向架构架跟踪周期的研究,主要包括以下内容: (1)对原始动应力与载荷数据进行前处理,获得175个应力样本与146个载荷样本,分析运行速度、上下行以及镟轮等对构架应力与载荷的影响。结果表明运行速度提升,各测点的应力与载荷整体成增大趋势。各测点下行的载荷整体高于上行的载荷,下行线路条件更为恶劣。相较于其他测点,转臂横向载荷受速度与上下行影响更显著,抗蛇行减振器载荷与应力对镟轮更为敏感,镟轮后下降幅度较明显。 (2)通过雨流计数法编制构架上所有测点的单天载荷谱与应力谱,并讨论了谱级数和门槛值的选取;对构架所有测点进行载荷谱与应力谱分布特征分析,分析累积概率分布特征随测试里程的变化规律。结果表明应力与载荷的分布特征参数不随跟踪里程发生明显变化,累积概率分布在达到一定里程后趋于稳定。 (3)对载荷谱与应力谱进行三参数威布尔分布拟合和假设检验,获得三个拟合参数的所有天样本。基于初步确定的最短跟踪里程,并结合拟合参数的分布特征进行拟合参数的方差齐性检验与Mann-Whitney U检验。在95%的置信度下,随机抽取累积里程为最短跟踪里程的子样的拟合参数与总体的拟合参数均值与方差无显著性差异,该样本容量的拟合参数可以反映整个跟踪里程对应的总体拟合参数。 (4)基于等效载荷与等效应力的分布特征进行跟踪周期研究,通过非参数核密度估计法对各测点的等效载荷与等效应力进行拟合分析,并运用JS散度对不同样本容量下等效载荷与等效应力概率分布进行差异性度量。分析累积等效载荷与累积等效应力的分布参数随测试里程增加的变化规律,当达到一定里程后,各分布参数达到稳定。根据不同里程与整个里程累积等效载荷与累积等效应力之间的相对误差,分析最小误差范围为5%的最短跟踪里程,并研究不同因素对某些测点跟踪周期的影响,结果表明镟轮延长了抗蛇行减振器载荷与应力测点的最短跟踪里程,上下行与运行速度的变化延长了转臂横向载荷的最短跟踪里程。 图134幅,表17个,参考文献80篇。

关键词： Offshore platform   Tubular TY-joint   Stress concentrations   Fatigue   In-plane bending   Out-of-plane bending  

摘要： The aim of this work is to study the stress distributions and the location of hot spots stress in the vicinity of the intersection lines of the tubular elements of the tubular *** the finite element models,we analyze the effects of geometrical parameters on the stress concentration factor in the case of in-plane bending and out-of-plane bending loads,around the weld toe of the tubular *** results reveal the location of the maximum stress concentration factor at the heel or toe in the case of in-plane bending loads and at the saddle point in the case of out-of-plane bending *** parametric equations are established and used to calculate the stress concentration factor at critical locations using the non-linear regression *** results obtained from the finite element analysis are close to the results of the parametric equations and the experimental data from the previous work.

关键词： 车辆碾压   动态应力应变测试系统   应变数据   实时显示  

摘要： 为了检测车辆碾压下埋地管道应力应变情况,建立穿越管段车辆行驶标准,设计搭建了一套车辆载荷下埋地管道应力应变测试系统。介绍了应力应变测试系统设计与搭建的过程,采用系统进行管道带内压条件下车辆碾压实验。实验结果表明,系统能够准确地检测车辆碾压时埋地管道的应力应变情况。

关键词： 舰船摇摆   应力测试   强度仿真  

摘要： 摇摆载荷是舰载设备结构设计的关键因素,舰载设备摇摆实验耗时耗力,大型设备甚至无法进行摇摆实验,而仿真分析结果的准确性存疑。通过对某型贮存装置摇摆实验下应力测试和强度仿真结果的对比分析,验证了仿真分析结果的准确性。

关键词： 钨合金   流动应力预测   动态冲击载荷   神经网络   JC本构方程  

摘要： 为建立能有效预测流动应力的神经网络结构,使用霍普金森压杆设备对钨合金圆柱试样进行不同载荷下的冲击实验,获取应变率为2200、3100、4000、4500、5300 s^(-1)及初始温度为25、300、500℃等共15种工况下的应力应变曲线。使用其中12组工况下的数据,以应变、应变率、初始温度作为输入量,流动应力作为输出量,在MATLAB中设计并测试具有不同结构的神经网络的预测能力,其中以Tansig函数作为激活函数的3-6-6-1网络结构具有最好的预测能力。借助统计学参数衡量JC本构方程和所建立神经网络的预测能力,与JC本构方程相比,所建立网络的预测能力更强,其与实验数据平均绝对相对误差仅为0.4209%。此外,通过对剩余3种工况下流动应力的预测证明了网络具有良好的泛化能力。