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关键词： deep rock   excavation unloading   unloading confining pressure   three-dimensional high stress   strengthweakening effect   impact disturbance  

摘要： In the process of deep projects excavation,deep rock often experiences a full stress process from high stress to unloading and then to impact disturbance failure.To study the dynamic characteristics of three-dimensional high stressed red sandstone subjected to unloading and impact loads,impact compression tests were conducted on red sandstone under confining pressure unloading conditions using a modified split Hopkinson pressure bar.Impact disturbance tests of uniaxial pre-stressed rock were also conducted(without considering confining pressure unloading effect).The results demonstrate that the impact compression strength of red sandstone shows an obvious strain rate effect.With an approximately equal strain rate,the dynamic strength of red sandstone under confining unloading conditions is less than that in the uniaxial pre-stressed impact compression test.Confining pressure unloading produces a strength-weakening effect,and the dynamic strength weakening factor(DSWF)is also defined.The results also indicate that the strain rate of the rock and the incident energy change in a logarithmic relation.With similar incident energies,unloading results in a higher strain rate in pre-stressed rock.According to the experimental analysis,unloading does not affect the failure mode,but reduces the dynamic strength of pre-stressed rock.The influence of confining pressure unloading on the shear strength parameters(cohesion and friction angle)is discussed.Under the same external energy impact compression,prestressed rock subjected to unloading is more likely to be destroyed.Thus,the effect of unloading on the rock mechanical characteristics should be considered in deep rock project excavation design.

关键词： 弹塑性   球面应力波   线性硬化模型   卸载速率  

摘要： 基于线性硬化塑性本构模型,建立了冲击载荷作用下弹塑性球面应力波场的理论求解方法.首先,分析了冲击载荷卸载速率对球面应力波传播的影响,得到了3种不同类型的应力波传播图像.在此基础上,建立了弹性阶段、塑性加载阶段以及卸载阶段球面波动方程的理论求解方法,给出了质点位移、质点速度、应力和应变等物理量的计算方案.与已有理论方法相比,该方法考虑了不同载荷卸载速率条件下应力波的不同传播情况,并且给出了卸载阶段应力波参量计算方法,具有更广的适用范围.利用上述方法计算了恒定冲击载荷和不同指数衰减冲击载荷作用下弹塑性球面应力波场参量,在弹性阶段和塑性加载阶段,理论计算得到的物理量与已有理论方法和数值模拟结果基本吻合,在卸载阶段,已有理论方法不再适用,而本文理论计算得到的物理量与数值模拟结果基本吻合,验证了该理论方法的正确性.

关键词： 涂层双管系统   有限元分析   热生长氧化物  

摘要： 采用有限元顺次耦合的方法,开展了热机载荷作用下新型涂层双管系统传热和应力分析,初步研究了关键特征参量对系统传热和应力分布的影响。结果表明:在稳态工作条件下,热障涂层为主蒸汽管道提供了足够的隔热保护,但由温度梯度产生的热应力对系统结构完整性产生了很大影响;系统中环向应力远大于径向应力,最大环向应力出现在TGO/BC界面靠近TGO侧的余弦波峰处;此外,TC层厚度、TC层热膨胀系数、冷却蒸汽的温度和压力决定了系统的温度和应力分布。

关键词： 地铁转向架构架   应力谱   载荷谱   统计推断   最短周期  

摘要： 为了适应城市的快速发展,地铁成为城市轨道交通的主要建设目标。在地铁车辆的不断运营下,转向架构架关键疲劳控制部位出现裂纹,严重影响行车安全。根据线路实测数据建立载荷谱对结构进行评估是目前常用方法,由于测试成本等因素,不能对整个服役周期进行跟踪试验,根据有限的样本统计推断出总体的载荷谱和应力谱能够为构架的疲劳可靠性研究提供依据。本文基于某型号地铁转向架构架的长期跟踪试验,获得时间跨度十六个月的数据信息,开展了以下研究:(1)通过对实测载荷信号的预处理,把载荷信号分为主体载荷和局部载荷,从时域和频域的角度开展研究了直曲线与加减速工况下的特征。结果表明构架主体载荷同线路条件相关联,局部载荷与车辆运行速度相关联。构架在频域上以低频振动为主,在线路和运行速度的影响下会产生同构架固有频率与电机转频相关联的高频振动。(2)通过对实测应力信号的预处理,选取构架4个关键疲劳控制区域的16个测点,分析了构架在不同时段线路行驶时不同区域的应力变化。结果表明,当车辆在下行2时段行驶时,构架各关键部位等效应力较大。同时根据车辆行驶速度和角速度信号发现,当车辆以较快速度行驶在曲线线路较多的第1号站间和第11号站间时测点等效应力较大。(3)选取构架上不同区域等效应力较大的8个测点和能够通过实际测试直接得到的菱形载荷与制动载荷,通过雨流计数法获得单天实测谱样本,并通过威布尔分布拟合与拟合检验,并进行异常值剔除,得到各参数样本167～183,通过对各参数的统计推断,得到变量参数符合正态分布,并以此为基础编制了统计应力谱和载荷谱。(4)将获得的参数样本按照样本量将整个试验周期的数据分为三个组,并对每个组单独研究,通过抽样样本和区间总体的方差齐性检验和独立样本t检验,获得代表区间总体分布情况的最少样本量,进而得到代表整个试验周期数据分布情况的最短跟踪周期,结果显示,对于8个应力测点至少需要29个单天测试样本;对于菱形载荷和制动载荷至少需要13个单天测试样本。图60幅,表27个,参考文献77篇。

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： 奇异强度因子   切口应力强度因子   切口应力场   典型焊接节点   疲劳强度评估  

摘要： 船舶或者桥梁结构发生破坏,会造成严重的事故,从大量事故分析中发现,结构的破坏往往发生在在尖角、沟槽、焊趾等含有切口的位置,而这些切口位置会出现应力集中现象,严重影响结构的疲劳性能。目前,主要船级社规范中推荐采用热点应力法进行典型焊接结构的疲劳强度分析,但是热点应力法不考虑切口引起的非线性应力产生的应力集中现象。切口应力法可以用来分析含切口或裂纹位置的局部应力,适用于比较复杂的典型焊接接头应力场的评估,但是其传统评估公式较为复杂,计算过程繁琐,不利于工程实际的运用,需要寻找更为简便的算法。针对上述问题,本文主要进行了以下几个方面的研究:（1）基于奇异强度理论,引入了奇异强度因子的概念,提出了一种计算V型切口应力场的简易公式,可适用于弯曲或拉伸载荷;建立了一系列不同几何参数的有限元模型,对拉伸和弯曲载荷下的应力场进行分析,拟合得到了奇异强度因子as1的简易公式,可用于切口应力场的快速评估;根据有限元结果,将本文公式和其他文献中公式进行对比验证,发现本文公式具有较高的计算精度。（2）考虑拉伸载荷与弯曲载荷的联合作用,建立了一系列不同几何参数的有限元模型,对拉弯载荷下的切口应力场进行分析,拟合得到了奇异强度因子as1的简易公式,可用于复杂载荷下切口应力场的快速评估;根据有限元结果,将本文公式和其他文献中公式进行对比验证,发现本文公式具有较高的计算精度。（3）在含切口平板试件切口应力场简易公式的基础上,将平板切口简易公式运用到典型焊接接头的切口应力场评估和疲劳强度评估,评估结果表明,相较于名义应力方法,本文简易公式得到的N-SIF曲线具有更小的分散带指数,验证了本文公式的有效性。

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： 吸附塔   温度交变   应力场   热-力耦合  

摘要： 基于瞬态热力学基础理论,建立全尺寸吸附塔有限元模型,分析了温度交变载荷下塔体关键部位热应力分布规律,并对最大等效应力位置进行强度评估。结果表明,最大应力集中处于塔体开孔接管进出口内壁倒角处,最大为313.34MPa,等效应力沿接管逐渐向四周扩散;塔体内表面应力随着时间的增加呈先减小、后增大的趋势,外表面应力呈先增大、后减小的趋势;裙座连接处内外表面热应力大于塔体封头内外表面热应力;最大应力集中位置各评定路径对应的应力线性化结果均通过评定。所得结论可为吸附塔在复杂温度交变工况下的强度设计、寿命预测及维护提供理论依据。