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关键词： 压力容器   接管   应力分析   一次应力   二次应力   评定准则  

摘要： 接管是压力容器中不可或缺的部件,用于将容器与管道连通。在分析设计过程中,由于载荷种类复杂,应力种类较多,基于有限元分析软件的计算结果,很难区分出一次加二次应力强度中的一次应力成分,给应力评定带来很大困扰。以实际工程算例为基础,采用理论公式和有限元分析相结合的方法计算接管连接区的应力强度,并按规范进行了评定。具体步骤如下:首先,采用有限元分析软件依次进行瞬态热分析和结构分析,并提取所选路径上的应力强度;然后,在确定各路径是否在接管补强范围内后,根据标准规定的载荷,采用理论公式计算各路径上的一次应力强度;最后,根据有限元分析和理论计算结果,分别对一次应力强度和一次加二次应力强度按标准规定的限值进行评定。该方法解决了无法区分接管连接区有限元计算结果中一次应力成分的问题,使得应力评定更加准确。

关键词： 圆形薄膜   预应力   横向均布载荷   大挠度问题   解析解  

摘要： 薄膜在面外载荷作用下通常会呈现出较大的弹性挠度,因而在建立描述薄膜弹性行为的控制方程的时候应该考虑弹性挠度的影响。此外,许多薄膜结构中的薄膜,在施展弹性挠度之前就已经带有一种均匀的面内应力了。相对于面外载荷引起的应力,这种面内应力通常称为初始应力或者预应力。例如薄膜/基层体系中的薄膜由于制作、加工等因素而通常带有一种均匀的残余应力,因而这种残余应力在膜/基体系的鼓泡实验中,相对于鼓泡薄膜的弹性挠曲而言就是一种初始应力或者预应力。然而,在圆薄膜问题的现有解析研究中,考虑弹性挠度对面外方程影响的较多,但很少考虑它对面内方程的影响,此外,考虑薄膜带有初始应力或预应力情形的较少,并且在解析过程中,正确考虑了初始应力或预应力的影响的很少。本文致力于横向均布载荷下圆形薄膜轴对称变形、挠曲问题的解析研究,在考虑了弹性挠度对面外、面内方程影响的同时,还考虑了初始应力或预应力的影响,并最终给出了圆薄膜问题的一个新的解析解。研究内容主要如下:(1)综述了圆薄膜问题的研究现状,详细介绍了横向均布载荷下圆形预应力薄膜轴对称变形问题的现有解析理论,包括顾璆琳的解法、推广的Hencky解、改进面外平衡方程后的解,指出了现有研究的不足之处;(2)通过对最初平坦的圆形薄膜的面内径向拉伸或者压缩,建立了带有均匀面内应力的圆形薄膜结构,即建立了圆形预应力薄膜结构;(3)建立了圆形预应力薄膜轴对称变形、挠曲问题的基本方程,包括面外平衡方程、面内平衡方程、几何方程、物理方程以及协调方程;(4)确定了解析求解所需要的边界条件,对基本方程及边界条件进行了无量纲化,并采用幂级数法进行了解析求解,最终给出了应力及挠度的解析解;(5)通过数值算例验证了所获得的解析解具有良好的收敛性,通过试验及有限元计算验证了所获得的解析解的有效性;(6)与现有的解析解进行了对比研究,并对顾璆琳的解法进行了详细的讨论,分析了初始应力对解析解的收敛性、以及挠度和应力的影响。

关键词： 板级组件   弯振耦合   焊点   应力应变   优化   响应面   粒子群算法  

摘要： 电子产品板级组件在封装及组装过程中会产生一定的弯曲变形,并在后续服役过程中由于环境的复杂性会受到振动冲击载荷,这就会使得板级组件中各类互联焊点承受弯曲振动复合载荷,成为最易失效的部位。因此非常有必要研究板级组件中各类焊点在弯曲振动复合载荷下的应力与应变。首先,参考两块板级组件基于ANSYS软件建立相应的仿真模型,对比分析了元器件焊点内的纯弯曲应力和弯振耦合应力。进而建立各类元器件焊点的标准仿真模型完成弯曲振动复合加载分析。结果表明:各类元器件焊点内的弯曲应力和弯振耦合应力的变化趋势一致;最大应力出现在板级组件PCB板与各类焊点粘接处,同一阵列中距离芯片中心最远的拐角位置处焊点应力最大,即位于该位置的焊点会率先发生失效;各类元器件焊点内的最大弯曲应力均小于焊点内的最大弯振耦合应力。接着针对弯振耦合应力应变较大的SOP焊点和BGA焊点,分析了焊点材料和焊点几何结构参数与最大弯振耦合应力应变之间的映射关系,以及这些参数对弯振耦合应力的影响是否显著。结果表明:焊点材料分别为SAC387和62Sn36Pb2Ag时,SOP焊点内的最大弯振耦合应力分别为最大和最小,SOP焊点最大弯振耦合应力应变随着焊点高度、焊盘长度和焊盘宽度的增大先增大后减小;焊点材料分别为SAC387和63Sn37Pb时,BGA焊点内的最大弯振耦合应力分别为最大和最小,BGA焊点最大弯振耦合应力应变随焊点高度和焊盘直径的增大而增大,随焊点直径的增大而减小;当置信度为95%时,焊点材料和焊点高度对SOP焊点最大弯振耦合应力有显著性的影响,焊点直径对BGA焊点最大弯振耦合应力有显著性的影响。然后,采用响应面法和粒子群算法相结合优化方法对焊点几何结构参数进行优化设计,分别获得SOP焊点和BGA焊点的最优参数水平组合,并根据最优参数水平组合完成仿真验证,结果表明:SOP焊点的最优参数水平组合为焊盘宽度0.26mm、焊盘长度0.68mm和焊点高度0.16mm,基于最优组合建立仿真模型得到SOP焊点内的最大弯振耦合应力为25.813Mpa,相比于响应面试验组合中最小的弯振耦合应力28.945Mpa降低了3.132Mpa,完成了优化SOP焊点几何结构参数的目标;BGA焊点的最优参数水平组合为焊点直径0.49mm、焊点高度0.30mm和焊盘直径0.34mm,基于最优组合建立仿真模型得到BGA焊点内的最大弯振耦合应力为23.577Mpa,相比于响应面试验组合中最小的弯振耦合应力28.995Mpa降低了5.418Mpa,完成了优化BGA焊点几何结构参数的目标。最后,搭建了板级组件元器件焊点弯振耦合应力应变实验测量平台,在实验样件相应位置贴应变片完成应力应变测量实验。

关键词： 水平轴风力机   气动载荷   应力特性   风向动态变化   风切变  

摘要： 风力机组叶片是风力发电机组的核心部件,其运行工况多变。受来流风向及风速大小变化的气动载荷影响,叶片受力复杂,产生应力集中并导致疲劳损伤,是造成其破坏甚至断裂的重要诱因。而风向动态变化以及风切变入流风况下叶片动态应力分布规律均尚不明确,因此,开展风力机叶片在不同气动载荷下动态应力特性的研究,可为风力机叶片的安全性设计及偏航运行调控提供参考。研究通过材料力学性能实验,得到叶片材料的弹性模量及泊松比。开展不同风向偏航角下叶片应力应变风洞实验研究及流固耦合数值模拟,并以风洞实验结果验证数值模拟方法的可靠性,进一步研究单独气动载荷、离心载荷及耦合载荷下叶片动态应力特性,探究风向动态变化及基于实际风场数据拟合的风切变入流风况条件下风力机叶片动态应力特性。分解运行中风力机叶片所受载荷,探究单独气动、离心载荷及耦合载荷对叶片应力影响的敏感性和差异性。不同载荷作用下的叶片应力集中部位不同;耦合载荷作用依次大于单独气动载荷、单独离心载荷作用下的应力,耦合载荷与气动载荷作用下的应力相比最大增量为106.86%,与离心载荷作用下的应力相比最大增量为262.42%,定量的揭示所关注载荷中,对风力机叶片应力影响比重较大的单独载荷为气动载荷;气动载荷对叶根至叶片中部以及叶片前缘处的应力影响较大,离心载荷对叶尖及叶片后缘处应力影响较大;单独离心载荷与耦合载荷作用下,最大应力点均在叶根最大弦长位置处,单独气动力载荷作用下,最大应力点位置随着尖速比增大沿翼展从叶根向叶尖且靠近叶片前缘方向移动。基于风洞实验及流固耦合数值模拟计算,探究风向动态变化对叶片动态应力特性的影响。NACA4415翼型与某SD2030翼型叶片在最大弦长与叶片中部翼型气动中心位置的最大主应力方向随着尖速比增大均有指向叶根的趋势;风向变化对NACA4415翼型的风力机叶片应变影响更大;风向缓慢动态变化与固定风向角作用下的应力集中区域及变化趋势基本一致,同时叶片最大应力均有不到1%的减小;风向快速动态变化作用下的三叶片应力分布不对称,在正、负风向角下的动态应力差异较大,不同风向偏航角下的最大应力增大,最大增量可达48.67%;风向动态变化能够增大风轮轴向力,且随风向变化速率的增大而增大;输出功率也随着风向角周期性变化呈余弦分布,且在最大风向偏航角时有最小输出功率。拟合实际风电场切变入流风廓线作为动态入流条件,探究风切变对风力机叶片应力分布特征的影响。切变入流使出现最大动态应力的方位角超前于均匀入流工况,滞后于风速最高点,均有叶片垂直地面向下时动态应力最小;轮毂处风速一致,切变入流能够增大风力机叶片的最大动态应力;同一切变入流不同方位角下均有SD2030翼型的动态应力大于NACA4415翼型叶片应力,并且切变入流对功率较大的SD2030翼型叶片动态应力影响较大;从叶根到叶尖展向方向有NACA4415翼型在叶片中部有最大动态应力,SD2030翼型叶片在最大弦长处有最大动态应力,最大弦长处从前缘到后缘均在无因次弦长位置x/C=0.4处附近有最大动态应力;风力机轮毂处来流风速一致时,切变入流在增大叶片轴向力的同时降低了风轮输出功率,并且切变入流对风力机单叶片轴向力的影响较大。研究结果不仅在理论上完善了均匀流场下单独及耦合载荷作用、风向动态变化以及风切变入流下的叶片动态应力特性研究,还可对偏航控制策略提供理论基础,同时在工程实践上对指导风力机安全稳定运行以及延长叶片的寿命也有着积极的意义。

关键词： 连续纤维复合材料   单胞重构   应力集中   Eshelby夹杂   等效远场方法   等效异性夹杂方法   相邻纤维方法  

摘要： 本文以高超声速飞行器复合材料的损伤为背景,系统开展了横向载荷下连续纤维复合材料微观应力集中的分析方法研究。根据对研究对象的应力影响将单胞内的纤维分为远场纤维、近场纤维和相邻纤维。提出等效远场方法和等效异性夹杂方法并分别研究了远场纤维和近场纤维对应力集中的影响。以连续纤维的真实分布特征为基础,考虑了纤维体积分数、最近纤维距离和纤维与基体的弹性常数的影响,提出了预测连续纤维应力集中的标准相邻纤维方法,为后续的损伤研究奠定基础。利用显微镜分别对碳/环氧单向复合材料、碳/环氧织物复合材料和玻璃/环氧织物复合材料的表面微观形貌进行了观测,分别利用Image J软件和Matlab软件对图像中的纤维进行参数测量和统计分析。利用最近纤维距离、最近纤维方向和Ripley＿f函数对纤维的分布特征进行详细描述。对纤维体积分数位于[0.4,0.7]的9个采样区域内的纤维分布进行了测量,系统研究了纤维的实际分布状态和纤维体积分数对纤维分布的影响。实际的纤维分布并不是完全随机分布状态,实际分布的最近纤维距离比完全随机分布的纤维间距更小。提出了最近纤维靠拢法,并生成了满足最近纤维距离分布要求的单胞。该方法在完全随机分布的基础上,将每根纤维向其最近纤维随机移动一段随机距离,使相邻纤维相互靠拢最终满足最近纤维距离的分布要求。根据纤维体积分数生成相应的最近纤维靠拢单胞,结果表明:最近纤维靠拢单胞与真实单胞的纤维分布特征参数和力学性能保持一致。最近纤维靠拢单胞的再生为研究连续纤维复合材料的力学性能提供了丰富的单胞模型。提出了等效远场方法,并研究了远场纤维对单胞应力的影响。首先利用等效夹杂方法获得椭球形夹杂的远场载荷和夹杂内应力的关系,将远场的纤维和基体进行均匀化处理并替换为基体。为了保证近场纤维和基体的应力不变,根据载荷和夹杂内应力的关系将原来的外载替换为等效远场载荷。以不同纤维体积分数的碳/环氧和玻璃/环氧复合材料的单胞为例,利用等效远场方法对两种单胞的应力场进行预测,应力预测误差的最大值分别为-5.57%和-4.529%。随着纤维体积分数的增加,规则单胞的应力集中不断增加,随机单胞的应力集中不断下降。在等效夹杂方法的基础上提出了等效异性夹杂方法,解析求解了远场等效单胞中近场纤维的应力应变场。利用平面应变状态的圆形异质体来描述近场纤维的分布。首先将多个异质体的应力应变场分解为多个孤立等效异性夹杂的应力应变场的叠加;其次将多项式本征应变下单个异性夹杂等效为同性夹杂;利用留数定理求解了多项式本征应变下圆形同性夹杂的应力应变场,并用于多根纤维应力应变场的求解中。丰富的算例验证了等效异性夹杂方法的可靠性和精确性。提出了预测单点应力集中的相邻纤维方法。利用等效异性夹杂方法求解了等效远场单胞中每根近场纤维对单胞圆心处应力集中的影响,将所有近场纤维的影响等效成等效近场载荷,将等效远场载荷和等效近场载荷的叠加作为两根相邻纤维的外载。为了消除近场纤维和相邻纤维的随机性,提出了预测整个单胞应力集中最大值的标准相邻纤维方法。该方法无需生成具体的单胞结构,只需根据纤维体积分数、纤维间最小距离和纤维与基体的弹性常数进行预测。随着单胞FVF的增加,利用AFSM预测的单胞应力极值误差开始降低,从小于仿真结果到逐渐接近甚至轻微超过仿真结果。本文的研究不仅适用于连续纤维复合材料,还适用于含球形和圆柱形夹杂的非均质材料,比如碳纳米管、纳米颗粒、火箭药柱等,也适用于研究固体的热膨胀应力或者压电材料的压电效应等。

关键词： 测力轮对   载荷谱编制   核密度估计   载荷谱外推   实验台加载谱  

摘要： 轮轴作为高速列车极其关键的部件之一,其疲劳结构可靠性问题直接关乎着列车整体的安全稳定运行。而轮轴载荷谱又作为疲劳可靠性与寿命分析的基础,其全寿命载荷谱与试验台加载谱的编制对于轮轴的疲劳寿命分析研究具有极其重要的价值。本文对CRH2A型高速列车轮轴的线路实测动应力数据进行了分析处理,并结合非参数核密度估计技术进行载荷谱与应力谱的拟合外推分析。主要研究内容如下:一、对建立的轮轴有限元模型进行直线、曲线、道岔三种不同线路工况下的加载仿真计算,分析了不同工况下轮轴的受力情况并确定车轴关键截面的具体位置,验证了测力轮对贴片位置的合理性;对轮轴的静态标定试验结果进行分析,计算得到轮轴的应力载荷传递系数;二、对测力轮对获得的线路实测动应力信号进行分析处理,结合应力载荷传递系数得到相应的的轮轴载荷-时间历程;分析了不同线路工况下的车轴关键截面应力、轮轴垂向和横向载荷的时域信号变化趋势,采用雨流计数法编制了不同线路工况下的载荷谱与应力谱;对空重车及不同线路工况下的载荷谱和应力谱进行分析对比,并编制了轮轴实测全程载荷谱与应力谱;三、选取了合适的拟合样本数据,对参数拟合法与非参数核密度估计拟合法进行了对比分析,利用非参数核密度估计法对选取的典型线路下的应力谱进行拟合外推,并从概率密度分布、损伤校核及极值方面对拟合外推后的扩展谱与实测全程谱进行对比分析,对其拟合外推方法的准确性进行了验证,利用非参数核密度估计的拟合方法将实测全程载荷谱和应力谱外推至全寿命载荷谱和应力谱,并通过与基于POT模型时域外推法获得的全寿命载荷谱进行了对比分析,进一步验证了核密度拟合外推后的全寿命谱的准确性;四、基于拟合外推后的全寿命扩展载荷谱,依据Miner线性累积损伤理论并采用conover非等间隔的比值系数法计算获得实验台谱载荷幅值,根据损伤等效的原则完成便于实验台加载的4级载荷谱的编制,为进一步研究轮轴结构型式优化和疲劳寿命提供了试验依据。图67幅,表34个,参考文献51篇。

关键词： 液压支架   冲击载荷   复合镀层   立柱缸筒   盐雾腐蚀  

摘要： 液压支架是煤矿井下综采工作面最重要的支护设备。多年的实践经验表明,煤矿井下立柱缸筒的腐蚀现象十分突出,腐蚀是立柱损伤的主要形式和立柱失效的重要诱因,因此研究煤矿井下立柱的腐蚀萌生机理,探究工况条件与立柱腐蚀之间的关联关系对于提升立柱的抗腐蚀性能具有重要意义。在煤炭开采过程中,瞬时的冲击地压作用是导致立柱失效的重要因素。基于立柱冲击实验国家标准,采用有限单元法结合流固耦合技术,研究了冲击载荷下φ500双伸缩立柱的应力响应特征。结果表明立柱最大变形量在中缸,最大值为1.62 mm,活柱最大应力759 MPa位于活柱顶部,底缸应力集中分布在底缸的中部区域,最大应力为326 MPa,导向套应力较小且主要集中分布在导向套底端,底缸导向套最大应力大于中缸导向套最大应力。以往研究结果表明,金属的腐蚀特性和应力状态密切相关。基于φ500双伸缩立柱在冲击载荷下的应力分析结果,采用有限单元法,研究立柱缸筒表面复合镀层结构的力学特征,探究复合镀层结构参数与应力分布和腐蚀特性之间的耦联关系。结果表明立柱缸筒表面复合镀层中的锡青铜层受力最大,随着锡青铜弹性模量的增加,镀层界面应力和锡青铜应力逐渐减小,因此通过增大锡青铜的弹性模量可以有效提升立柱表面耐腐蚀性能。而锡青铜泊松比、锡青铜层厚度和铬层厚度对镀层的应力影响较小。对于立柱缸筒内部,腐蚀常表现为局部的片状剥落。针对立柱缸筒内部的电化学环境特征,建立了立柱缸筒内壁腐蚀的电化学有限元分析模型,研究了乳化液压力、乳化液配比和初始缺陷形式对腐蚀形成和发展的影响。结果表明,乳化液压力、初始缺陷深度和宽度对缸筒内壁腐蚀发展影响较小,而初始缺陷形态,特别是裂纹缺陷类型对腐蚀形态演化影响较大,但是裂纹扩展方向对腐蚀影响并不明显。乳化液浓度的提高可以降低缸筒腐蚀发生率,但当乳化液溶度超过5%以后,这种提升作用将迅速弱化。盐雾腐蚀是研究金属腐蚀性能的重要实验手段。采用盐雾腐蚀方法对应力状态下的立柱缸筒27Si Mn镀层试样的腐蚀行为进行试验研究,探究应力大小、腐蚀环境和温度对试样腐蚀的影响规律。结果显示应力的增加使得试样腐蚀情况更加严重,同等条件下随着腐蚀环境p H值的减小或温度的升高,试样腐蚀程度加剧。

关键词： 系泊链环   热处理   残余应力   平面外弯曲   扭转  

摘要： 长期处于恶劣海洋环境中的系泊链环在风、浪、流的共同作用下,不仅会受到浮式平台往复运动产生的轴向拉伸载荷作用,还会受到平面外弯曲和扭转等复杂载荷作用。链环在某些关键位置的应力可能超出原有设计强度而发生破坏,导致系泊系统失效,进而使整个海洋平台的安全受到威胁。系泊链环生产过程的热处理工艺及试验载荷加载都会产生残余应力,进一步影响链环服役时的应力特性和安全性能。因此,在考虑残余应力的前提下,对链环进行不同载荷模式下的应力分析具有重要意义。本文旨在通过数值模拟得到系泊链环热处理过程及试验载荷产生的残余应力,在此基础上对链环不同载荷模式下的应力分布和接触特性进行分析,以研究不同角度平面外弯曲及扭转载荷作用下链环应力的差异性,以及不同来源的残余应力对链环应力的影响。基于上述研究目标,首先,借助有限元软件Ansys Workbench 18.2建立R4级76mm无挡链环有限元模型。采用间接法模拟热处理过程残余应力,发现链环外部表现为压应力,内部则表现为拉应力。依据DNV规范施加试验载荷,发现在链环接触区域边缘和截面中线位置存在较大的拉伸残余应力,肩部区域和冠部区域存在较大的压缩残余应力。然后,分别建立不考虑残余应力,仅考虑试验载荷残余应力以及同时考虑热处理及试验载荷残余应力三种有限元模型,研究不同来源残余应力对轴向拉伸载荷作用下链环应力分布的影响。结果表明,热处理及试验载荷产生的残余应力在链环容易发生破坏的关键位置对应力分布具有显著影响。最后,分析三种模型在不同角度平面外弯曲及扭转载荷作用下应力分布、接触状态和疲劳寿命的差异。结果表明,三种模型等效应力在小角度平面外弯曲作用时近似相同,但比只有轴向拉伸载荷作用时偏大。链环远离弯曲方向一侧肩部区域的等效应力随弯曲角度增加而增大,另一侧肩部区域变化趋势相反。三种模型的等效应力随扭转角度增加而增大,原因在于随着扭转角度的增加,链环的接触状态逐渐由黏着转变为滑移。通过对比同一载荷特定角度下的链环应力特性,发现都是模型B的等效应力最大。在2°弯曲角度下,模型A和模型C的等效应力分别比模型B小5.8%和15.4%;在10°扭转角度下,分别小7.4%和7.1%。这是由于试验载荷会使得接触区域边缘产生拉伸残余应力,使等效应力增大;而热处理过程会在链环表面形成压缩残余应力,抵消一部分拉应力,使整体的等效应力减小。疲劳寿命计算结果显示,链环整体疲劳寿命的变化趋势与等效应力变化趋势相反。因此,在数值模拟中对试验载荷和热处理过程都应予以充分考虑。

关键词： 超临界二氧化碳   热流固耦合方法   向心透平   变形   应力  

摘要： 基于超临界二氧化碳(SCO2)工质的动力循环系统是目前先进动力系统的研究热点和发展方向,向心透平作为SCO2动力循环中的核心部件,其运行的安全性至关重要。本文采用热流固耦合分析方法,对一SCO2向心透平叶轮进行了强度特性分析,得到了多种载荷对于叶轮变形和应力分布的影响。结果表明:温度载荷对于变形大小占据主导地位,气动载荷及离心力载荷对变形影响较小,全部载荷工况下叶轮最大总位移为2.421 mm,位于叶轮轮盘外径处;离心力载荷对等效应力贡献最大,温度载荷导致叶轮叶片根部前缘圆角处的应力集中,气动载荷对叶轮等效应力贡献较小,全部载荷工况下叶轮最大等效应力为267.91 MPa,位于叶轮轮背向凸台段过渡圆弧处。

关键词： 冲击载荷   30CrMnSiNi2A   点蚀损伤   随机分布   应力集中   SHPB   数值模拟  

摘要： 对环境腐蚀和冲击载荷共同作用下30CrMnSiNi2A钢材料的动态力学响应进行了数值模拟分析,建立了钢材料在霍普金森杆试验中的模型,并将钢材料的腐蚀等效为分布在材料表面的腐蚀坑,计算分析了腐蚀坑位置、三维尺寸以及腐蚀坑分布对应变集中的影响,通过Python-Abaqus脚本程序建立了试件表面随机点蚀分布模型,计算了不同随机点蚀分布模型下,腐蚀试件的冲击动力学响应。研究结果表明:腐蚀坑位置对试件应变集中影响显著,侧面顶点处的应变集中系数最大,是中心位置处的2.328倍。蚀坑深度加重了应力集中,蚀坑长度会使应力发生分散,蚀坑宽度对应力集中并无明显影响。相邻蚀坑的应力集中随着蚀坑间距的增大呈现先增大后减小的特点,当蚀坑相距0.4 mm时,应变集中最为严重。试件表面随机分布的点蚀对试件侧面的影响大于试件端面,侧面处的蚀坑更容易发展成为损伤的源头。