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关键词： 残余应力   应力强度   裂纹扩展速率   疲劳寿命   缺口效应  

摘要： 铝合金因比强度高、耐腐蚀性好等优点,广泛应用于航空航天等领域。然而铝合金结构在实际的服役过程中往往受到交变载荷的影响,导致发生疲劳失效。通过预置应力引入残余压应力的方法应用于多数的结构服役中,但由于复杂的受力情况以及环境,残余应力与多种因素耦合作用对疲劳性能的影响尚未达成共识。本文以5052-H32铝合金为研究对象,采用紧凑拉伸试样,通过引入残余应力的方法来达到延寿的效果,并研究了残余应力与应力强度的耦合作用对缺口试样疲劳裂纹扩展行为的影响及规律机理。主要研究内容如下:(1)对铝合金板进行预置应力处理而引入不同的残余应力场,将预置应力板制作成紧凑拉伸试样来进行疲劳试验及硬度试验。通过对几组试样的试验结果进行分析,探究了不同预置应力水平对疲劳裂纹扩展行为以及硬度分布的影响规律。经分析发现,预置应力对疲劳裂纹扩展行为有很大的影响,但对硬度分布的影响不大。(2)基于最优的预置应力水平上,研究了不同的应力比(R=0.1、0.3、0.5、0.7)下,残余应力对疲劳裂纹扩展行为的影响规律。在相同的应力比下,研究了残余应力在不同疲劳载荷下对疲劳裂纹扩展行为的影响规律。经分析发现,残余应力对疲劳裂纹扩展行为的影响具有应力强度依赖性。结合试验结果提出了一种考虑残余应力影响的疲劳裂纹扩展速率模型,该模型将残余应力与C、m联系起来,为预测残余应力影响下的疲劳裂纹扩展速率提供一种新思路。(3)基于相同的预置应力水平上,研究了残余应力与缺口形状对疲劳裂纹扩展行为的影响规律,经分析发现,残余应力对疲劳裂纹扩展行为的影响具有缺口依赖性,且主要集中在裂纹扩展的初始阶段。通过Abaqus有限元分析模拟了不同缺口裂纹尖端的应力场分布以及不同裂纹位置上的应力强度因子范围,探究了残余应力在不同缺口效应下影响疲劳裂纹扩展行为的规律机理。

关键词： 焊接接头   残余应力   疲劳载荷   裂纹扩展速率   疲劳寿命  

摘要： 焊接结构在服役过程中易发生疲劳破坏,而焊接残余应力在破坏中起到重要作用,同时残余应力的存在往往改变了焊接结构的载荷条件,影响焊接结构损伤容限设计。实践发现,残余应力对焊接结构疲劳行为的影响与疲劳载荷有关,但其与不同疲劳载荷的耦合作用机理尚未达成共识。本文以Q345B钢材为例,制作焊接接头紧凑拉伸试样与母材作对比,通过施加不同的疲劳载荷研究焊接试样的疲劳扩展行为,主要研究如下:(1)分析焊接试样疲劳裂纹从母材区开始垂直于焊缝扩展的行为,结合其金相、硬度和拉伸性能与母材的对比,讨论残余应力对疲劳性能的影响;通过对比热处理后焊接试样疲劳性能的变化和金相、硬度、拉伸性能的差异,探究热处理对残余应力的消除作用,结合母材扩展速率曲线验证残余应力对疲劳性能的影响。最后,通过Abaqus模拟了焊后平板的残余应力场,分析焊接残余应力场的大小及分布。(2)基于恒定的高应力比去除裂纹闭合的影响,施加不同的最小应力进行疲劳实验,探究最小应力与残余应力耦合下焊接试样的裂纹扩展速率和疲劳寿命变化规律。结合扩展速率曲线分析最小应力改变时,母材区、焊缝区裂纹尖端驱动力的变化,讨论最小应力对残余应力贡献的影响。(3)通过保持恒定的最大应力,施加不同的应力比探究裂纹闭合作用下疲劳载荷和残余应力耦合对焊接试样裂纹扩展行为的影响规律。结合试验结果分析裂纹闭合作用下裂纹尖端驱动力条件的改变,以及此时应力比对残余应力贡献的影响规律。

关键词： 轴向载荷   无损检测   应力波   时域幅值   信号处理  

摘要： 轴向载荷是反映锚杆支护初期支护质量和后期支护效果的重要指标。锚杆轴向载荷测试通常采用机械式测试设备,难以实现工程现场锚杆轴向受力的大面积实时监测。基于应力波法的锚杆无损检测技术多用于对锚杆进行长度和密实度检测,但是对锚杆轴向载荷的无损检测还有待深入研究。本文采用实验室实验、数值模拟等方法,并结合数字信号处理技术,分析轴向载荷对锚杆中应力波传播的影响规律,对锚杆中复杂的应力波信号进行处理分析,以充分显示其特征信息,从而找到关键特征参数作为指标,建立其与轴向载荷之间的定量关系,为更好地实现锚杆轴向载荷无损检测提供理论基础和科学依据。论文主要研究内容如下: （1）揭示了轴向载荷作用下的应力波时域和频域波形变化特征。通过对滤波信号进行时频特征参数分析可知,时域波形变化规律主要有三点:轴向载荷从5k N增大到75k N时,检测信号应力波的信号强度增大,且其波动更为剧烈,载荷继续增大到100k N～135k N,应力波信号强度受到的影响逐渐减弱;信号取值的不对称性受载荷的影响较大;激振反射应力波信号在载荷作用时,不受到冲击影响。频域波形变化规律主要有五点:应力波信号功率谱能量受载荷作用的影响较小,激振反射应力波在频域上的分布较为均匀;载荷的变化会使对激振反射应力波信号中的瞬时频率发生变化;信号的稳态分量和非稳态分量之间的区分度进一步得到了提高,将非稳态分量作为特征提取的能力也得到了增强;波形在频谱上显示的更为杂乱分散,信号的不确定性更为显著;随着轴向载的施加,应力波频域峰值幅度减小,并由单峰形态逐渐变化为多峰形态。 （2）提出了VMD和HHT相结合的锚杆激振反射应力波信号处理方法,获取了轴向载荷作用下锚杆中应力波传播规律。针对锚杆激振反射应力波信号的非线性非平稳性特点,使用变分模态分解方法（VMD）对原始信号进行滤波处理,改善了信号输出信噪比和信噪失真比,达到了很好的去噪效果。使用希尔伯特—黄信号处理方法（HHT）,对应力波信号进行二次处理,完成了对锚杆激振反射应力波信号特征—应力波幅值的提取。施加载荷前,时域幅值为133.7,最后载荷增大到100k N时,幅值降到98.46;即在弹性变形阶段,随着轴向载荷的增大,锚杆杆体应力波传播特性发生变化,在时域上表现为应力波幅值逐渐减小,先是快速减小后变化趋势变缓;在频域上呈现先下降后上升再下降的趋势。 （3）明确了锚杆拉伸过程中杆体应力分布特征,进一步阐明了轴向载荷对锚杆中应力波传播的影响规律。在整个拉伸过程中,锚杆杆体的轴向应力持续向拉伸方向集中,在弹性变形阶段,杆体应力分布呈现出由增大到平缓的变化趋势,在塑性阶段应力集中程度加剧。杆体的应力波加速度峰值从36.1mm/s2下降到13.2mm/s2,随载荷的增大逐渐衰减,即应力波在时域波形上表现为随着载荷增大,其幅值逐渐减小。 （4）验证了激振反射应力波法用于锚杆轴向载荷无损检测的可行性。首先确定了轴向载荷与锚杆中应力波特征参数的拟合关系,在实验室基于应力波无损检测综合试验平台,利用液压枕测力计和应力波时域幅值反演法,对锚杆激振反射应力波信号的轴向载荷进行测试。试验结果表明,液压枕测力计的相对误差最大为20%,最小为2.22%;本文所用的应力波时域幅值反演法的相对误差最大为0.687%,最小为0.365%,即测量误差远远小于传统的锚杆测力计方法,并且测试结果更稳定,操作更为便捷。本文所得轴向载荷与应力波传播特征的对应关系,对于锚杆无损检测技术的发展有一定的借鉴意义。 图[64]表[16]参[91]

关键词： 非连续接触   钢丝绳   磨痕   应力与变形  

摘要： 本文利用ProE/5.0建立2/3捻距钢绳环非连续接触三维模型,在Abaqus中进行轴向拉伸和扭转载荷下的非连续接触钢绳环有限元分析,在非连续接触钢绳环损伤试验台上对钢丝绳进行磨损实验,并借助光学显微镜(OM)对磨损后钢丝表面磨痕分布进行了分析,结果表明:等效应力、轴向应力、轴向变形均沿钢丝绳轴线方向呈螺旋状分布,在绳股截面上,等效应力由芯丝向侧丝逐渐递增,在绳槽接触区域出现最大值,实验表明钢丝表面也呈现椭圆磨痕,与仿真结果相一致。

关键词： 套管   抗挤强度   非均布地应力   水泥环   剪切载荷   居中度  

摘要： 为了研究非均布地应力条件下石油套管的抗挤强度,以L80-1钢级套管为研究对象,建立了套管-水泥环-地层系统模型,对整个系统施加非均匀载荷以及剪切载荷,着重分析套管强度与地应力以及水泥环卸载之间的关系。分析结果表明:在非均布载荷下,随地应力非均布系数的增大,L80-1钢级套管抗挤强度大幅降低;地应力非均布系数为1.4时,水泥环卸载为61.1%;地应力非均布系数为1.7时,水泥环卸载为66.3%;随着地应力非均布系数的增大,居中度越大的套管抗挤强度越高,相同的套管居中度时地应力非均布系数越小,套管抗挤强度越高;水泥环厚度越大,其卸载作用越明显;水泥环对套管抵抗横向剪切力有显著效果。所得结论可为提高套管承载能力和制定预防套管损坏措施提供参考。

关键词： 高速动车组,铝合金司机室   焊接接头   疲劳评估   气动载荷   应力因子  

摘要： 基于EN1999-1-3:2007和IIW-2008标准及EN15085-3标准,研究高速列车频繁地通过隧道时列车头部或尾部承受瞬间突变的气动载荷导致车体结构疲劳损伤的问题.基于上述标准的接头疲劳性能参数和疲劳评定方法及损伤等效原则,应用C#语言和ANSYS的APDL语言编写了高速动车组铝合金车体在BS EN12663标准的加速度疲劳载荷和气动疲劳载荷共同作用下,车体焊接接头应力因子的计算程序.在2×10^(6)次的0~4000 Pa气动载荷和107次的三方向加速度±0.15 g载荷共同作用下,利用某高速动车组头车车体结构有限元模型和自编计算程序对司机室焊接接头进行疲劳评估与应力因子分析.结果表明:主要由气动疲劳载荷引起的司机室焊接接头的累积损伤和应力因子均是IIW的计算结果大于EN 1999-1-3的计算结果;司机室立柱与边梁焊缝的累积损伤和应力因子最大,分别为0.753和0.987.建议高速动车组司机室焊接结构抗疲劳设计时应重点关注气动疲劳载荷.

关键词： 腕关节   舟骨   月骨   骨间韧带   有限元分析  

摘要： 目的建立腕关节三维有限元模型研究腕关节舟月骨间韧带(Scapholunate interosseous ligament,SLIL)在腕部不同运动中的应力分布。方法选取正常腕关节CT数据,将其导入Mimics软件构建腕关节三维有限元模型,分析腕关节不同运动方向受力时的SLIL应力分布。结果随背伸角度增大,SLIL应力增大,背伸角度增加到90°时,SLIL受到最大应力为1.3787 MPa。背伸角度为30°时,腕关节掌屈时SLIL受到的最大应力为0.1596 MPa,掌屈角度增加到90°时,SLIL的最大应力降低至0.2452 MPa。桡偏25°时,SLIL受到的最大应力为0.8145 MPa,尺偏25°时,SLIL受到的最大应力为0.1356 MPa。腕关节做桡侧受力20N时,SLIL受到的最大应力为0.4465 MPa,尺侧受力20N时,SLIL受到的最大应力为0.4635 MPa。结论腕关节三维有限元模型可以模拟SLIL在腕部不同运动中的受力情况。腕关节背伸角度达90°时,SLIL的应力最大。做尺偏、桡偏动作时,相同偏转角度下,SLIL桡偏时最大应力是尺偏最大应力的6倍左右。

关键词： 断裂力学   应力强度因子   J积分   尖椭圆截面管   裂纹   有限元  

摘要： 应力强度因子是断裂力学中的重要参数。根据断裂力学和材料力学弯曲理论中的裂纹面非自发扩展能量释放率,利用J_(2)-积分理论求尖椭圆截面管在纯弯曲载荷作用下管内中的裂纹应力强度因子表达式,能得到应力强度因子封闭解,并且计算简单。且将结果与有限元数值解进行对比分析,两者误差在可控范围内。

关键词： 列车荷载   高速铁路路基   随机不平顺   无砟轨道   动应力  

摘要： 相较于传统的列车轨道路基整体耦合三维有限元模型,提出一种优化处理列车荷载的方法,基于多体系统动力学理论建立列车轨道垂向耦合模型,并通过数值计算得到考虑了轨道随机不平顺条件下的轮轨激振载荷,随后利用二次开发子程序将轮轨载荷导入无砟轨道路基天然地基土非线性数值分析三维有限元模型,在此基础上研究分析高速移动荷载作用下路基的动应力分布规律。研究结果表明:采用的车辆荷载处理方法在保证计算精度的前提下代替车辆不平顺轨道路基地基整体耦合振动模型,降低了建模及计算时间成本;竖向动应力沿横向分布规律,在轨道结构中数值较大,路基基床内远小于轨道结构中的数值,基床表层及基床底层底面出现“马鞍形”分布;沿竖向分布,随着深度的增加,竖向动应力逐渐减小,在基床表层内的衰减率较大,甚至超过50%;沿纵向分布,在各结构层内产生了与转向架数目相等的应力峰值数目,列车运行过程中轨道及路基动应力的变化可以看作是反复的加、卸载过程;列车移动速度对路基动力响应影响作用明显,时速由200 km/h增长到350 km/h时,各结构层动应力幅值增长均超过30%。

关键词： 双体船   连接桥   应力集中   横向弯曲   模型实验   有限元  

摘要： 内河双体货船干舷小,连接桥结构相对薄弱,决定船舶安全的横向强度至关重要.双体货船不同于具有丰满上层建筑的双体船,除横舱壁、强框架的片体与连接桥角隅处易发生应力集中外,在连接桥横隔板的变截面处应力集中现象也非常显著.内河规范不适用于60 m以上双体船,缺少对100 m级双体船横弯强度计算规定.文中以98 m内河双体集装箱船为对象,开展了横弯强度缩比模型实验和数值仿真分析,证实了在连接桥底板的折角处应力集中现象,改倒圆后片体与连接桥连接区域的应力集中系数为1.8~2.1,应力集中位置采用圆弧过渡会有效缓急应力集中.