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关键词： 海上浮式装置   倾斜   摇摆   应力分析  

摘要： 海上浮式装置广泛应用于石油、化工、核电等领域,受海上风浪影响,海上浮式装置会产生剧烈的倾斜和摇摆现象。利用管道应力分析软件PepS对海上浮式装置管道系统进行力学分析时,必须考虑倾斜、摇摆载荷。采用载荷系数法,取虚拟节点的载荷系数,参照美国机械工程师学会(ASME)锅炉及压力容器规范,对倾斜、摇摆作用下的海上浮式装置管道进行了应力分析,为海上浮式装置管道的应力分析提供了有效示例。分析结果表明,载荷系数法计算出来的结果具有一定的保守性,当存在应力分析值超标或者过大的节点时,为真实地反映管道的结构应力情况和降低设计成本,可以用该节点处实际坐标的载荷系数重新计算该节点的摇摆载荷,进行该节点的应力评定,能够降低一定的保守性;同时在同一有限元模型下,对比有风浪和无风浪两种条件下应力分析结果,证明海上浮式装置受风浪造成的倾斜、摇摆载荷对管道造成了巨大的应力作用,因此,在设计阶段海上浮式装置管道应力分析研究中,应予以充分的考虑。

关键词： 滚滑轴承   游隙   载荷   应力  

摘要： 滚滑轴承是一种新型轴承,可应用于风力发电机齿轮箱。根据滚动轴承基本原理和接触力学原理,建立滚滑轴承有限元模型,研究滑块与内外套圈滚道之间的游隙对滚滑轴承内部载荷及应力的影响,得到不同游隙时不同大小载荷工况下典型工作位置处滚滑轴承的内部载荷与应力分布规律。在研究中,提出滚滑轴承临界载荷的概念。研究结论可以为滚滑轴承的基础理论研究和参数优化提供参考。

关键词： 焊接结构   残余应力   随焊加载冷源   位移控制载荷   无应力焊接  

摘要： 应用一维杆模型论证了随焊加载冷源或位移控制载荷实现无应力焊接的原理.应用数值模拟探讨了其实现方式,对7种加载方案下杆件中心点应力、塑性应变等物理量的时程分布进行了数值模拟对比研究,认为任意时刻外加位移控制载荷产生的机械应变和热输入满足一定条件时焊后残余应力为零.随焊降低残余应力的工艺在焊件局部区域产生的变形速率与该局部区域的热膨胀或收缩变形量速率大小相同时,降低残余应力的效果达到最优.应用模型导出的原理对焊前预拉伸、焊前温差拉伸、动态温差拉伸、低应力无变形焊接(LSND)等工艺的原理和参数设置依据进行了讨论.结果表明,使焊件内部在冷却时产生足够大的拉伸塑性应变,是降低焊接残余应力的有效途径.

关键词： 轴向压缩载荷   闭环反馈控制   LabVIEW   应力   长骨   骨骼  

摘要： 目的:设计一种基于LabVIEW的闭环反馈控制的小动物长骨轴向压缩应力载荷加载系统,实现对小动物长骨应力加载装置的程序控制。方法:该系统基于课题组前期设计的小动物长骨应力加载装置进行设计,增加闭环反馈模块和应变测量模块,并将步进电动机替换为伺服电动机,上位机发送的电动机运行控制指令经RS485串行通信接口发送至电动机控制器。结果:该系统可对小动物长骨施加频率可控、强度精准、模式一致的周期载荷;增加闭环反馈模块后可有效消除偏差、自动调整峰值载荷,提高了稳定性;应变测量模块可实时监测骨骼表面的应变变化情况。结论:该系统保证了加载载荷的有效性及精确性,解决了因骨组织蠕变效应造成的加载初期应力下降的问题,能够有效建立动物长骨载荷模型,为探索骨质疏松、应力性骨折等骨骼疾病的发病机制及预防治疗措施提供了实验平台。

关键词： 立式拱顶储罐   流固耦合   应力分析   强度评定  

摘要： 随着国家石油资源战略基地的建设,立式拱顶钢制储罐的应用越来越多。立式拱顶储罐结构大、载荷多样,一旦发生破坏,将会产生巨大的经济损失,甚至造成人员伤亡。本论文采用有限元法,对组合载荷作用下某立式拱顶储罐罐体和环梁基础进行了应力与变形分析。论文的主要内容和结果如下:(1)根据GB50341和相关设计条件,对储罐进行了主体结构设计,并基于静压力计算得到了储罐罐体强度尺寸,为受包括风载荷和地震载荷在内的组合载荷作用下储罐的强度分析奠定了基础。(2)建立了储罐液固耦合有限元模型,进行了含介质储罐模态分析,得到了满液情况下储罐前1 1阶振型和固有频率,并考察了储液高度和介质密度的影响。(3)采用等效地震加速度法、振型分解反应谱法和时程分析法分析了储罐的地震响应。结果表明:对于本文研究的储罐,采用等效地震加速度法计算得到的储罐地震响应结果偏于保守。(4)分析了受地震载荷、风载荷、液柱静压力、内压、设计载荷共同作用下储罐罐体的应力和变形分布,并进行了强度校核。结果表明:储罐满足JB4732-1995的有关强度要求。(5)对储罐钢筋混凝土环梁基础进行了设计,建立了环梁的有限元分析模型,分析了在水平剪力和弯矩作用下混凝土环梁的应力并进行了强度校核。结果表明,所设计的钢筋混凝土环梁能满足强度要求;对比素混凝土环梁基础,钢筋的添加能够有效提高混凝土基础的抗拉能力,防止混凝土基础开裂。

关键词： 民机液压管路系统   典型适航载荷   应力分析   疲劳寿命   管路试验  

摘要： 近年来,我国在民机自主研发上取得了突出的成绩,但是相关技术标准和规范主要借鉴国外,具有自主知识产权的成果与国外存在较大差距,加上民机液压管路系统工作载荷和力学特性极为复杂,而可靠性要求高。本课题结合民机适航载荷,开展液压管路系统应力分析和试验研究,目的是为具有自主知识产权的液压管路系统分析建设提供支持。本文主要研究内容和工作如下:(1)典型适航载荷分析及民机液压管路系统应力分析流程设计基于国际运输类飞机适航标准,从典型适航载荷作用特点出发,分析压力、位移和振动载荷在民机不同机体部位液压管路系统上的叠加机制,确定应力分析载荷工况和应力分析判据,设计民机液压管路系统应力分析流程,对应力分析方法的研究具有一定指导意义。(2)民机液压管路系统有限元分析法建立以3000 psi民机液压管路系统为研究对象,基于有限元分析理论,提出其模型简化、边界条件设置和网格划分等方法。此外,结合疲劳损伤理论,采用Bandat和Dirlik数学模型对民机液压管路系统在高周疲劳载荷作用下的寿命进行预测。同时,给出在民机管路系统模态分析中应用广泛的传递矩阵法和有限元法,为其固有频率求解奠定基础。(3)民机液压管路系统应力分析及适航载荷对应力/固有频率影响研究以ARJ21-700机翼区域局部液压管路系统为研究对象,在Abaqus软件中建立其有限元模型,求解在不同应力分析载荷工况下的应力分布、应力功率谱密度图和固有频率。最后,结合管路疲劳寿命预测方法和应力分析判据,完成其适航评价。并且,采用控制变量法,研究典型适航载荷对液压管路应力分布和固有频率的影响规律。(4)民机液压管路试验验证搭建能复现压力、位移和振动载荷的管路测试试验台,并以两根ARJ21-700民机液压管路为研究对象,开展不同应力分析载荷工况下的验证性试验,验证前文提出的民机液压管路系统应力分析方法的正确性和可行性。本文基于适航条款开展的民机液压管路系统应力分析及试验研究方法预期为国产民机液压管路系统规范建设和管系优化设计奠定一定的理论基础。

关键词： 高速列车   数值模拟   耦合载荷   联合插值方法   子模型   应力状态  

摘要： 高速列车车体是由大型挤压铝型材、蒙皮骨架等焊接而成的整体承载式结构,其复杂性主要表现为结构形式、实际承载初始状态、运行载荷间的相互耦合、相互影响,而大型复杂结构的应力状态分析是预测潜在损伤程度、失效形式等的基础。因此,基于耦合载荷的高速列车车体结构应力状态分析仿真技术研究,对于车体的可靠性评估、优化设计等具有重要意义。本文考虑实际运行载荷中占主导地位的机械载荷、气动载荷耦合条件下,针对高速列车车体结构,以仿真分析与试验校验相结合的方法,系统分析结构的应力状态。研究工作包括以下几个方面:（1）提出一种面向高速列车复杂结构的气动载荷、机械载荷的耦合方法。首先,以可压缩模型及滑移网格方法建立3节编组的高速列车外流场分析模型,准确地模拟了会车、隧道和隧道会车过程中外流场的变化规律及响应特征,与试验数据结果吻合较好;其次,由力系等效向缩减模型主节点施加边界条件,将不同工况下的气动载荷与高速列车刚柔耦合动力学模型耦合,比之常规的刚体模型,该耦合模型更准确地传递车体的机械载荷以及相关参数的影响。结果表明:作用于车体的气动载荷与机械载荷形成耦合,即一种载荷会影响另外一种载荷的作用机理,刚柔耦合模型同时反映车体弹性振动、气动载荷对机械载荷的影响。（2）提出一种基于权重系数的单元中心点-单元节点联合插值算法。针对流固耦合中非匹配网格的数据传递问题,使用多项式函数描述的流体域压强分布形式,建立并推导不同插值点的理论误差与实际误差间的数值关系,由三维平面和曲面算例讨论了权重系数及形状参数对插值误差的影响,并将其用于高速列车单向流固耦合中的数据传递。结果表明:在二维条件下,可解析地证明联合插值算法存在一常数权重系数,同时,经三维算例验证,其最大计算误差始终低于单一的节点或中心点插值算法。（3）基于气动载荷与机械载荷耦合条件下的高速列车车体结构整体承载分析。建立高速列车头车全尺寸有限元模型,由时域计算步长的协调实现气动载荷与机械载荷相耦合,分析整体结构在单一、耦合载荷作用下的动态响应,对比车体各分区的应力成分比例及不同载荷对结构承载的贡献度。结果表明:对于车体结构,机械载荷是影响静水应力的主导载荷,而气动载荷则主要影响应力幅值,3种计算工况中车体应力波动的幅值由高到低分别为隧道会车、单车通过隧道和明线会车。（4）提出一种以单元体积为约束,基于“虚拟节点”的壳-实体单元数据传递算法。针对局部结构分析的子模型方法,通过扩展切割边界上数据点的维度与数目,实现局部复原结构子模型的数值模拟。结果表明:基于“虚拟节点”的壳-实体单元子模型算法在平面拉伸、弯曲和平面剪切三种不同受力状态算例中的计算精度均优于商业软件ANSYS。（5）基于子模型方法的高速列车车体局部结构应力状态复原分析。以耦合载荷下整体结构分析为边界条件,依据不同承载特点复原车体局部结构并分析不同载荷工况对应力状态的影响,讨论了缺陷和初始应力场（焊接残余应力）对结构承载能力的影响。研究发现:由实体单元复原的局部结构可更为真实的反映结构受力状态随载荷的变化,由“整体-局部”的多级子模型分析可充分考虑焊接缺陷和初始残余应力场对应力状态的影响。综上,本文以高速列车车体结构为例的应力状态双尺度分析仿真技术,可为大型复杂结构在耦合载荷作用下的可靠性评估、优化设计等提供更为科学的技术手段和依据。

摘要： Fig.1 Four-corner periodic cracked square section tube

关键词： TiAlN涂层   循环热冲击   残余应力   拉曼光谱法  

摘要： TiAlN涂层由于具有硬度高、热硬性好、附着力强、氧化温度高、摩擦系数小、导热率低等优良特性,被广泛用于刀具的保护涂层。然而,由于涂层和基体的热膨胀系数不同等原因常常在涂层中引入残余应力,并且残余应力与服役载荷共同作用,常常导致涂层过早失效。因此,深刻认识、定量表征TiAlN涂层在不同服役环境下的残余应力,是获得刀具最佳性能并提高其使用寿命的重要保障。本文首先探讨了TiAlN涂层残余应力拉曼光谱法测量的关键问题,并使用红外热成像仪测量了不同主轴转速、不同进给速度、不同轴向和径向切深下的切屑温度,在此基础上确定了TiAlN涂层样品循环热冲击的设定温度。实验显示,TiAlN涂层刀具在中速铣削过程中其切屑温度随主轴转速的增加线性降低、随进给速度和轴向切深的增加而线性增加;TiAlN涂层刀具在中速铣削加工中的最高热冲击温度在375℃附近。本文分别测量了不锈钢、高速钢两种基底的TiAlN涂层样品经历375℃、700℃两种温度下的不同次数热冲击后的表面残余应力,讨论了TiAlN涂层中的表面残余应力随热冲击次数的变化规律。实验结果表明,沉积在不锈钢、高速钢基底上的TiAlN涂层中存在拉伸残余应力,涂层中的拉伸残余应力随热冲击次数的增加呈现先增大后减小的趋势,在相同冲击次数下700℃比375℃拉曼频移更大,残余应力变化的更为剧烈。本文进一步研究了不锈钢基底的TiAlN涂层未热冲击、375℃下10次热冲击和700℃下10次热冲击的截面残余应力的分布。结果显示,TiAlN涂层的拉伸残余应力随着涂层深度的增加而增大,且热冲击后的涂层截面残余应力高于未经热冲击的涂层的截面残余应力。本文的研究结果阐明了TiAlN涂层中的残余应力随热冲击载荷的变化规律,有助于对刀具涂层服役寿命进行更科学的预测。

关键词： 钢芯铝绞线   股间应力   张拉载荷   有限元仿真  

摘要： 电网的正常稳定运行关系着国计民生。输电线路作为电网系统的重要组成部分,其安全问题必然受到广泛关注。由于输电导线的破损是影响输电线路安全的重要因素,研究其破损机理有重要的工程意义。钢芯铝绞线(ACSR导线)是应用最广泛的输电导线类型。张拉载荷是导线运行过程中最普遍的载荷形式,对导线整体力学性能有着重要的影响。实际工况发现,受股线应力分布的影响,导线破损断股现象多发生在铝股线部分。在此背景下,本文围绕张拉载荷下输电导线的股间应力问题开展了研究,主要研究涉及以下内容:(1)对受张拉载荷的导线进行了力学分析,建立了线股力学平衡方程,得到了张力与导线应力的关系式;对钢芯铝绞线相邻线股之间的接触模式进行了分析,给出了接触区域接触应力的计算式,并结合导线结构,推导了接触点的位置。(2)为解决传统研究中模型复杂与内层应变难以测量的问题,提出了一种新的建模分析方法,利用导线的循环螺旋对称特性,将每一层股线简化为相邻的三根股线进行分析研究。利用abaqus软件对所提出的建模分析方法进行了有限元研究,通过将仿真结果与文献中的结果进行对比,验证了分析模型有效性。同时利用此分析方法建立了 JL/G1 A-630/45型钢芯铝绞线模型,对其进行了研究,研究结果表明:铝股线内层应力大于外层导线,跨中与约束端位置应力较大,接触区域呈椭圆形,接触中心有应力集中现象,容易引起导线的破坏。(3)为实现ACSR导线股间应力的测量与动静力学实验分析,对张拉导线股应力试验台进行了设计。利用试验台对前述的导线进行了试验研究,利用光纤光栅传感系统采集了应变信号,得到了导线张力-应变数据,将试验结果与有限元结果,理论计算结果进行了对比,验证了所提出的分析建模方法。为进一步研究工作开展提供了基础条件。