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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： 工程机械螺栓装配   螺栓利用率   螺栓应力   螺栓变形协调   有限元仿真  

摘要： 随着现代制造业的飞速发展,机械装备逐渐向精密化、复杂化、智能化发展。螺栓作为“工业之米”在制造业中扮演着非常重要的角色,尤其是工程机械中许多重大机械装备的关键连接部位均采用螺栓紧固件连接。螺栓联接质量的好坏尤其是螺栓应力场的分布情况将直接关系到服役过程中装配组件的结构稳定性、装配组件的耐久性以及螺栓的疲劳寿命等关键性能。目前工程机械领域在进行螺栓装配时,螺栓利用率较低,输入的拧紧扭矩中有50%的扭矩用于克服螺栓头下摩擦,40%的扭矩用于克服螺纹摩擦,高达90%的扭矩在拧紧阶段产生了对螺栓拧紧无效的螺栓切应力,仅有10%的扭矩用于产生对于螺栓拧紧有效的螺栓正应力,产生螺栓预紧力,导致螺栓预紧力不足,但螺栓的应力较大,最终影响螺栓紧固性能。螺栓节点紧固性能不达标,会导致螺栓连接节点的螺栓预紧力退化、螺栓松脱,为机械装备的安全稳定使用埋下重大隐患,甚至酿成重大事故。研究能够减小螺栓拧紧过程所产生的螺栓切应力,提高螺栓利用率,提高螺栓的紧固性能的螺栓装配工艺并对螺栓变形协调机理及应力场演变规律已刻不容缓,具有非常重要的工程意义。本文针对工程机械中广泛应用的典型螺栓连接结构,对含有回拧阶段的螺栓拧紧装配工艺的螺栓、螺母、被连接件的变形协调过程进行探究从理论分析的角度揭示了回拧阶段对降低螺栓切应力、提高螺栓利用率的作用。利用Ansys Workbench有限元仿真分析软件建立了螺栓连接结构有限元仿真模型,分析了拧紧载荷下螺栓连接结构中螺栓应力场演变规律,揭示了几何参数、摩擦系数、材料特性、拧紧载荷对拧紧载荷作用下螺栓应力场演变的影响,尤其是对回拧阶段螺栓切应力释放作用的影响。最后利用单螺栓拧紧试验验证了回拧阶段对螺栓切应力的释放作用。本文主要利用理论分析、有限元仿真、试验验证相结合的方法对含有回拧阶段的螺栓拧紧装配工艺的变形协调机理及应力场演变进行了探究,明确了回拧阶段对螺栓应力、螺栓利用率的重要影响。

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。

关键词： 冲击荷载   渗透率   压力敏感性   结构异性   孔隙压力  

摘要： 为揭示冲击煤样渗透率的变化规律,通过立式分离式霍普金森(SHPB)冲击装置对不同层理方向煤样进行动态冲击,进而采用渗透仪对冲击后的煤样进行渗透率测试,分析不同冲击荷载下煤岩的渗透率及应力敏感性。结果表明:冲击煤样的渗透率远大于原煤样品,冲击载荷越大,渗透率越大;在相同的冲击载荷和气体压力下,平行于层理方向的煤样渗透率最大,其次是斜交45°层理方向的煤样渗透率,垂直于层理方向的煤样渗透率最小;渗透率受有效应力影响显著;在冲击荷载的作用下,垂直于层理方向煤样渗透率的变化率对孔隙压力更为敏感。

关键词： 等效载荷法   实体力筋法   预应力载荷   数值分析  

摘要： 为研究混凝土结构预应力载荷有限元分析方法,以一环形混凝土围挡墙为研究对象,借助ANSYS有限元软件,搭建混凝土结构精细化模型,分别利用等效载荷法、实体力筋-体分割法、实体力筋-独立建模耦合法三种方法加载预应力载荷,进行有限元数值分析,研究混凝土结构响应特性。数值分析结果表明,三种方法均可以准确反映出混凝土主体结构受力和变形规律,但在顶面和底面局部区域仿真结果存在一定差异。综合分析三种方法优点和不足,为相关计算提供参考和借鉴。

关键词： 涡旋压缩机   动涡旋盘   非线性温度载荷   热流固耦合   形变规律  

摘要： 为了更准确地研究涡旋压缩机动涡旋盘实际运转时的应力应变情况,以某型号的涡旋压缩机为研究对象,分析了实际稳定运行工况下动涡旋盘温度载荷的非线性分布情况。采用ANSYS Workbench有限元分析软件分别计算了动涡旋盘在非均匀热载荷、气体力载荷、惯性载荷单独作用时以及热-气-固3种载荷耦合作用下应力与应变的变化规律。研究表明在气体力载荷单独作用下,动涡旋盘的应力应变与涡旋齿两侧气体压力差有关,压力差越大,形变越大;在惯性载荷单独作用下,最大形变发生在吸气腔最外侧齿顶位置;而热载荷的作用使得涡旋盘的最大形变位置发生了变化,动涡旋盘的最大形变位置由第二压缩腔移至排气腔齿顶。同时,相比于气体力载荷和惯性载荷引起的形变量,热载荷使得总形变量大幅增加,在多载荷耦合作用下最大形变发生在涡旋齿排气腔齿头处。