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关键词： 结构健康监测   应力波   复合材料   疲劳损伤   小波变换   半解析有限元方法   模式识别  

摘要： 复合材料因具有比强度高、比刚度大等优点,而在航空航天领域得到日益广泛的应用。但复合材料结构在长期交变载荷作用下,不可避免地会产生疲劳损伤,这些疲劳损伤和结构中既有的缺陷以及损伤在疲劳载荷作用下会不断扩展直至引起结构失效,给结构安全带来重大威胁。因此,应用结构健康监测系统对复合材料结构在疲劳载荷作用下的损伤状态进行实时在线监测,对进一步评估疲劳损伤状况,及时对损伤结构进行维护,提高结构使用安全性具有重要意义。本文首先对应力波在复合材料结构中的传播问题展开研究,利用半解析有限元方法建立应力波在各向异性复合材料层合板结构中的弥散关系,并通过算例模拟疲劳损伤产生时的群速度变化,为利用应力波对疲劳载荷作用下的损伤监测提供依据;然后对应力波信号的处理进行研究,采用小波变换对由压电传感元件激励和接收的应力波信号在时频域内进行分析,提取与疲劳损伤相关的特征信息以及测量出应力波在结构中实际传播的速度用于表征疲劳损伤的产生与发展,并通过模式识别方法引入偏值分析和最小二乘支持向量机,融合提取的多个与疲劳损伤有关的信号特征,确定复合材料试件中是否存在疲劳损伤以及疲劳损伤发生的程度;最后,采用应力波对复合材料结构在疲劳载荷作用下的损伤监测进行了实验研究,分别考虑玻璃纤维层合板拉伸疲劳情况和低速冲击后碳纤维层合板压缩疲劳情况,并通过模式识别方法对判断疲劳损伤的发生和扩展等情况进行了分析,实验结果验证了基于应力波的方法在疲劳载荷作用下对复合材料结构进行损伤监测的可行性和有效性。

关键词： 动态加载   三维有限元   应力   后牙种植单冠   面开孔  

摘要： 研究目的采用三维有限元分析法对后牙种植单冠的不同修复方法在动态载荷作用下的应力分布进行分析。研究依照临床治疗方案所构建的不同种植修复体模型在咀嚼周期中的应力值及应力分布规律,观察面开孔是否影响种植修复体应力分布,从生物力学角度为临床选择后牙种植单冠的修复方法提供理论依据。研究方法1、建立下颂骨和种植牙冠的三维有限元模型选用一个牙列完整(除第三磨牙外)的健康成人头颅骨标本,CT断层扫描标本后以DICOM格式输出保存,通过Mimics19.0医学图像软件、Geomagic Studio 2012软件和CATIAV5R19软件构建下颌骨(右侧下颌第二前磨牙缺失)及种植义齿(种植体、基台、全冠、粘接剂)的三维实体模型。实验分组:A组:传统全锆种植全冠;B组:面开孔全锆种植全冠。2、有限元模型应力分析将各组实验模型导入有限元分析软件ANSYS18.0中,进行自动网格划分,设定实验假设、边界条件和参数,以250N力模拟咀嚼周期为0.875s的动态载荷加载于下颌第二前磨牙种植全冠的颊尖上:第IP阶段0.000～0.130s:无接触;第Ⅱ阶段0.130～0.150s:方向垂直于平面,位置加载于颊尖顶;第Ⅲ阶段0.150～0.260s:方向由颊侧斜向舌侧,与牙体长轴呈45°,加载于颊尖颊斜面;第IV阶段0.260～0.300s:方向由舌侧斜向颊侧,与牙体长轴呈45°,加载于颊尖舌斜面;第V阶段0.300～0.875s:卸载阶段无接触。选择每组全锆全冠、粘接剂层、基台、种植体及周围骨组织的Von Mises应力、最大主应力作为分析指标进行有限元分析。结果1.在一个动态周期内,每组模型中全冠、粘接剂、基台、种植体和周围骨组织的最大Von Mises应力值和最大主应力峰值分布特点均为:从第二阶段到第四阶段应力值逐渐增大,即垂直向加载<颊舌向加载<舌颊向加载,第四阶段舌颊向加载末期达到动态载荷周期的最大值。2.B组全冠、粘接剂、基台、种植体和周围骨组织的Von Mises应力峰值和最大主应力峰值均分别大于A组。3.A组全冠的应力集中区在加载部位以及颈缘部位,B组全冠的应力集中区在加载部位、颈缘部位以及面孔周围部位。B组全冠的Von Mises应力峰值达到128.75MPa,比A组增加100%,均位于加载部位。A组全冠的最大拉应力位于舌侧颈缘,应力峰值为56.39 MPa,比B组全冠舌侧颈缘最大拉应力峰值小7%;B组全冠最大拉应力位于面孔,峰值达69.54MPa。A、B组全冠应力峰值均小于氧化锆材料的应力极值(1200MPa)。4.A组粘接剂层应力集中区位于颈缘处,B组粘接剂层应力集中区位于颈缘和基台上缘周围。B组粘接剂层的Von Mises应力峰值为83.94MPa,比A组增加40%,均位于颊侧颈缘。两组粘接剂层的最大拉应力均位于舌侧颈缘,B组应力峰值为65.58 MPa,比A组增加13%。5.在本研究中,两组模型的基台、种植体及周围骨组织的各阶段应力分布情况相似,应力值无明显差距。两组种植体颈部与皮质骨交界处是种植体及骨组织的应力集中区,B组Von Mises应力峰值比A组增加6%,位于颊侧颈部。两组基台和种植体连接处是基台应力集中区,B组基台Von Mises应力峰值比A组增加5%,位于颊侧颈部。结论1.在咀嚼周期中,斜向载荷比垂直载荷产生更大应力且达到应力峰值。动态载荷对种植修复体的应力分布影响较大,其中对雅面开孔型种植修复体的应力值影响更大,在使用过程中发生破坏风险更高。因此,临床上在进行种植义齿修复时,可通过减小颊尖斜度、消除侧方耠干扰等措施尽量减少种植义齿所受到的侧向力。2.种植全冠面开孔影响全冠的应力分布,面开孔型种植全冠的应力值明显增大。面开孔型种植全冠抗折能力相对较弱,容易发生断裂,生物力学失败风险比传统粘接固位修复的高。牙冠的舌侧颈缘部位及龄面孔周围为拉应力集中区,容易发生折裂。因此在临床应用中,应注意牙冠颈缘和面孔的设计与制作,尤其注意咬合的设计和调改。3.种植全冠面开孔影响粘接剂的应力分布,面开孔型种植全冠粘接剂的应力值明显增大。抬面开孔型种植全冠的粘接剂层的拉应力集中区位于舌侧颈缘和基台上缘周围,更容易发生应力疲劳,增加牙冠脱落风险。4.种植全冠胎面开孔对基台、种植体及周围骨组织应力集中部位的变化规律及分布情况的影响无明显差异。

关键词： 铝合金   薄壁零件   运输振动   残余应力   应力松弛   结构变形   变形控制  

摘要： 铝合金由于其比强度高等特点,广泛应用于航空整体结构件中。然而,铝合金大型薄壁长桁在运输过程中产生变形,且变形程度不一。为控制运输变形,本文开展了运输振动载荷下铝合金薄壁件残余应力演变规律及变形的研究。主要研究内容和成果如下:(1)设计了一套安全可控且无漏液的电解剥层装置,用200g/L的NaCl电解液开展了7050-T7451铝合金电解试验,优选了电流密度和电解液流量等工艺参数,标定了实际电解剥层速度,进而结合X射线衍射法测量了薄壁试样的铣削残余应力分布。(2)基于切削加工和运输随机振动产生的复合应力,设计了薄壁试样循环加载试验,分析了循环加载后试样表面及深度上残余应力的松弛规律,根据试验数据建立了7050-T7451铝合金材料的应力松弛解析模型。(3)针对某7050-T7451铝合金薄壁长桁开展了多工况下的公路运输随机振动仿真,得到了长桁高振动应力的分布区域,推导了长桁运输振动变形的数学模型,分析了阻尼比和支撑位置对薄壁长桁运输振动变形的影响,提出了避免运输变形的阻尼范围和固定方案。

关键词： 高速列车   设备舱   气动载荷   CFD数值模拟   应力响应  

摘要： 随着列车运行速度的提高,气动载荷对车体和车下设备舱的影响越来越显著。设备舱裙板、底板和支架发生疲劳失效的现象时有发生,影响了高速列车行车安全,因此,对车下设备舱气动载荷的研究不容忽视。本论文主要以时速400km高速列车设备舱气动载荷特性为研究目标,分别从试验和仿真两方面出发,通过线路跟踪测试及实测应力数据处理、CFD数值模拟计算、有限元分析等方法,得出时速400km高速列车设备舱不同工况下的气动载荷分布及其应力响应。本论文对以下几个方面进行了研究:(1)基于中国标准动车组线路跟踪测试数据,得到设备舱各测点应力-时间历程,结合速度信号分段分析,得到头车设备舱各模块在不同速度级下的应力幅值和应力谱。(2)利用CFD流体力学数值模拟分析技术,建立了明线稳态运行工况、明线交会工况下3辆编组高速列车空气动力学模型,对高速列车在不同条件下的气动载荷进行了数值模拟研究。明线稳态运行工况下,得到车体及设备舱在不同速度级下的压力分布情况,进一步分析得出时速400km明线稳态运行时设备舱裙板、底板从头部到尾部表面压力变化曲线。等速交会工况下,得到交会不同时刻车体及设备舱表面压力分布情况,并对设备舱设置监测点,得到时速400km交会过程中不同位置表面压力的变化规律和变化曲线,以及其压力波动的波峰值、波谷值、幅值。计算结果表明,列车交会过程中设备舱大部分位置的压力值均表现为负压,并且随着交会车速的提高,交会压力波动幅值呈现升高的趋势。相同速度交会过程中,头车设备舱表面压力波动幅值大于尾车设备舱的压力波动幅值。(3)建立设备舱有限元模型,研究了气动载荷下的应力响应。分模块建立有限元模型,提取CFD数值模拟分析得到的不同速度级各模块不同位置的气动载荷,得出设备舱各模块关键部位在不同速度级气动载荷下的应力云图;将仿真结果与线路实测应力幅值进行比较,结果表明设备舱各模块测点应力的相对误差均在10%范围内,验证了仿真计算的有效性。上述研究为时速400公里高速列车设备舱设计与试验评估提供了载荷基础,为设备舱载荷谱的建立奠定了基础。

关键词： 转向架构架   载荷   动应力   动力学仿真   载荷应力传递系数   刚柔耦合  

摘要： 近年来,中国高速铁路已经取得了重大发展,高铁已经成为改善国民生活水平、带动铁路沿线经济发展的重要工具以及中国对外经济往来的重要名片。高铁作为重要的载客交通工具,其安全性意义重大。而转向架构架作为高速列车重要的承载部件之一,在列车走形装置中发挥着举足轻重的作用,因此对其实际运行时的受载情况进行研究十分重要,且其受载特征也会为构架生产设计、结构优化、服役寿命预测提供重要的参考。本文以国内某型高速动车组构架为研究对象,以其在大西线路试验专线上典型线路的构架实测载荷和动应力数据为基础,结合SIMPACK整车刚柔耦合动力学模型及模态应力恢复方法,从线路实测和理论计算两个角度研究了构架载荷及应力特征,并优化了构架载荷应力传递系数。主要完成以下工作:(1)完成了线路实测构架载荷和应力数据的处理,分析了构架14种载荷系在不同线路工况下,时域和频域上的变化特点。计算了构架各个载荷系之间的Pearson相关系数,分析了载荷系之间时域上的相关性。研究了实测载荷谱的编谱方法,编制了不同速度级、直曲线工况和空重车工况构架载荷谱。(2)处理了实测构架动应力数据,完成了构架应力测点的区域划分,分析了构架载荷和应力在时域上的相关性。基于室内标定试验的载荷应力传递系数,计算了构架各个载荷系对构架不同区域应力测点损伤的贡献比例。发现了部分载荷应力传递系数可能存在的误差,利用神经网络算法优化了载荷应力传递系数,并利用实测载荷和应力数据验证了优化结果。利用实测载荷数据和优化的载荷应力传递系数,完成了线路直线和曲线其他速度级工况的动应力预测,并验证了预测动应力的效果。(3)利用多体动力学软件SIMPACK,建立了刚柔耦合整车精细化模型。输入武广轨道激励谱,仿真计算了该线路上运行时构架各个载荷数据,同时利用模态应力恢复法,计算出了构架各个节点的动应力。分析了速度级和直曲线工况对构架载荷的影响情况,对比了仿真动应力和线路实测动应力的差别。利用优化的载荷应力传递系数计算出了构架动应力,对比了其与仿真动应力的差别,验证了优化的载荷应力传递系数的效果。本文从实际测试和理论仿真两个角度研究了构架载荷及动应力,提出了构架载荷应力传递系数的优化,可以为构架载荷谱的运用及线路动应力获取方法提供参考。图125幅,表22个,参考文献76篇。

关键词： 瓦斯爆炸   地应力   爆炸超压   瞬态卸荷   动态损坏  

摘要： 煤矿瓦斯爆炸危害极大,可在较短的时间内造成群死群伤。而且一旦发生事故,爆炸波还会破坏巷道围岩材料及结构,使巷道失效破坏、甚至垮塌,造成人员被困,进而直接阻碍救援工作的开展,给救援带来极大困难。本文研究了瓦斯爆炸载荷与地应力耦合作用下巷道损伤破坏效应,综合运用理论分析、实验研究及数值模拟相结合的方法,研究了巷道围岩材料及其结构的动力响应及围岩损伤特性,取得创新结果如下:(1)研究了煤岩体材料的静、动态力学性能,揭示了其在高速冲击压缩过程中的裂隙演化规律及损伤特征。发现与静态压缩不同,动态压缩在曲线回弹阶段会出现明显的滞回现象;硬度较大的石灰岩的破裂形态表现为径向破坏,而硬度较小的烟煤试样的破裂形态表现为剪切破坏;此外,研究了冲击载荷与试样破碎尺度分布特征的关系,发现小尺度试样碎片的分布特征随冲击载荷的增大而明显。(2)揭示了瓦斯爆炸载荷与深部高应力耦合作用下巷道围岩的应力演化规律。发现与浅埋基岩相比,深部煤岩体在瓦斯爆炸载荷和高应力耦合作用下,围岩内的应力时程曲线呈多波峰特点,巷道围岩先后受到冲击波、压缩波以及弹性波的作用,对应产生了多个应力波峰、负压区以及明显的应力振荡。在巷道角隅处应力曲线存在一定的滞留期,且随地应力的增大,滞留周期会减小,甚至消失。(3)研究了爆炸载荷和地应力耦合作用下的巷道围岩损伤机制,提出了其损伤分区划分方法。发现在爆炸载荷和地应力耦合作用下,巷道围岩损伤区大致呈梯形分布,且损伤范围分为三个区域,即完全损伤区、塑性损伤区和弹性损伤区。此外,在爆炸载荷与初始应力耦合作用下,巷道顶底板角隅处会出现应力集中,在水平和竖直方向均呈现出明显的扩张变形,导致巷道在角隅处产生宏观破坏,而在两帮和顶底板未出现明显的宏观破坏。(4)发现了爆炸载荷诱发的地应力瞬态卸荷现象,揭示了两者耦合作用下巷道围岩的损伤规律。瓦斯爆炸造成的瞬态卸荷主要发生在巷道两帮和顶底部周围小部分区域,且随着侧压系数的增大,巷道两帮围岩塑性损伤范围减小。研究结果对于丰富和完善高地应力、爆炸载荷和瞬态卸荷耦合作用致灾机理具有一定的学术价值和科学意义,对指导巷道抗爆设计具有现实意义。另外,相关研究成果发表论文2篇,其中SCI已发表1篇,EI发表1篇。

关键词： automobiles   adhesive joints   failure loads   temperature   cohesive zone model  

摘要： To predict the failure loads of adhesive joints under different stress states over the service temperature range of automobiles,adhesively bonded carbon fiber reinforced plastic( CFRP)/aluminum alloy joints under shear stress state( thickadherend shear joints,TSJ),normal stress state( butt joints,BJ) and combined shear and normal stress states( scarf joints with scarf angle 45°,SJ45°) were manufactured and tested at-40,-20,0,20,40,60 and 80 ℃,respectively. The glass transition temperature Tgof the adhesive and CFRP,failure loads and fracture surfaces were used to analyze the failure mechanism of CFRP/aluminum alloy joints at different temperatures. A response surface,describing the variations of quadratic stress criteria with temperature,was established and introduced into the cohesive zone model( CZM) to carry out a simulation analysis. Results show that the failure of CFRP/aluminum alloy joints was determined collectively by the mechanical performances of adhesive and CFRP. Besides,reducing temperature or increasing the proportion of normal stress of adhesive layer was more likely to cause fibre tear or delamination of CFRP,resulting in a more obvious effect of CFRP. The validity of the prediction method was verified by the test of scarf joints with the scarf angle of 30°( SJ30°) and 60°( SJ60°) at-10 and 50 ℃.

关键词： 面板应力   波动分析   夹层板   载荷   弯曲刚度   波动现象   冲击速度   压力分布  

摘要： 文章针对轻质夹层板板格在承受轮印载荷时出现应力波动现象进行分析,建立轮胎-夹层板模型,考虑轮胎冲击速度、位置和方向因素,通过显式动力求解获得不同载荷设置下夹层板板格的应力、应变规律和冲击压力分布特点。研究结果表明,上面板应力波动现象主要是由于薄板的弯曲刚度不足形成塑性区域从而一定程度丧失承载能力造成的,夹芯层设置可为上面板提供较大刚度有利于载荷重新分配;轮胎冲击位置和冲击方向的变化对应力分布和应力低谷现象存在一定影响。

关键词： 电子器件   有限元   球珊阵列   热应力  

摘要： 构建了热循环条件下球栅阵列(ball grid array,BGA)封装体传热和应力耦合的非稳态理论模型,通过器件自身发热功率随时间变化来实现循环热载荷,研究工作过程中流场、温度场、应力场的动态变化,并采用有限元方法进行数值求解,分析了热循环载荷对器件所处物理场的影响。研究结果表明:热循环过程中,器件整体温度与方腔内自然对流强度在高温保温时间开始时刻出现峰值,在低温保温时间结束时刻出现谷值;BGA封装体最高温点均位于作为热源的芯片上,承受应力最大点位于阵列最外拐点与上下侧材料的连接部位;随着循环次数的增加,每个热循环周期中关键焊点上端点处的最大等效应力不断增加。

关键词： 热力载荷   复合材料板   铝合金板   接头   钉载分配   应力  

摘要： 采用试验和有限元方法研究复合材料板-铝合金板单搭接接头在热和力载荷共同作用下的钉载分配和钉孔周边应力分布。将仿真模型得到的钉载分配结果与试验结果进行对比发现:温度升高后,靠近加载端承载最大的螺栓载荷分配比例增大,相应位置钉孔周边应力水平也有较大幅度的增加。对比未考虑热残余应力模型发现:考虑热残余应力模型与试验结果最相近;同样温度时热残余应力的存在使应力水平提高10%左右,说明在热载荷作用下考虑热残余应力的必要性。复合材料与金属接头钉孔周边应力分布呈"枫叶"状。