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关键词： 球罐   基础倾斜   应力分析   模型修正   极限载荷  

摘要： 球罐作为石油化工重要的储存设备,因承压大、占地小的优点得到广泛应用。然而大型球罐的直径大,各支柱不易安装在同一个平面上,尤其是建造在软土地基上的球罐,更容易出现整体倾斜现象。常规球罐一般采用环梁结构,其主要问题就在于整体倾斜时球罐局部应力突增,进而使支柱造成破坏。因此对球罐支柱在倾斜状态下的受力变形与极限状态下的应力进行分析研究具有重要意义。本文首先应用有限元软件ABAQUS建模,模拟球罐模型在四种无压状态以及三种有压状态下分别倾斜五种不同角度的受力情况,通过有限元计算得到应力最大值及其位置,并得到了球罐模型在不同状态下最大应力点随角度增大而变大的规律,为下一步试验做准备。在有限元模拟的基础上进行球罐模型试验,根据有限元分析的结果在支柱应力变化较大区域粘贴应变片,分别采集四种无压状态以及三种有压状态下的应变曲线。运用DASYLAB软件提取相应的应变值,结果表明试验测得的应变数据大于有限元中仿真获取的数据。对比试验数据与模拟仿真结果,应用一阶优化算法对有限元模型进行修正,修正后的模型计算结果与试验数据对比基本一致。在修正后的有限元模型基础上,建立球罐模型的弹塑性力学模型。对球罐模型在倾斜五种角度下运用极限分析理论求解球罐模型应力的极限载荷,最终得到球罐模型支柱在五种倾斜角度下罐内加压到达材料屈服极限时的极限压力值,为球罐在工程实际中的安全维护提供参考依据。

关键词： 盾构机   花键保险轴   刀盘驱动小齿轮   接触分析   修形  

摘要： 盾构是广泛应用于隧道挖掘工程的大型高新技术装备,而刀盘驱动装置是其关键组成部分。由于国内对盾构的研究起步较晚,核心技术又被德、日、法等发达国家封锁,所以我们还没有掌握其关键技术,一些核心部件仍然依赖于进口。因此,深入研究花键保险轴和多齿轮并联传动系统的生产制造技术,不仅可以为盾构核心技术的进一步实验研究提供一定的理论基础;而且对振兴我国装备制造业和提升国内技术的独立研发能力起到了积极作用。本文以盾构刀盘驱动系统的花键保险轴和多齿轮并联驱动减速单元为研究对象,深入研究啮合过程中的应力变化规律,并提出详细的优化方案。本文根据设计要求完成了盾构渐开线花键保险轴联接和小齿轮与大齿轮减速单元的设计,根据常规理论方法按照国家标准分别对其进行了强度计算。利用三维造型软件Creo建立精准的三维模型,根据联接与传动关系装配花键副及齿轮对,并对盾构刀盘驱动齿轮的安装条件进行了检验。应用有限元软件ABAQUS对保险轴花键副和多齿轮并联驱动减速单元在传递扭矩时的应力分布状态进行分析,并与理论强度校核结果进行对比,分析其设计是否合理。根据仿真分析结果,对边缘效应引起的应力集中问题进行深入研究,并针对花键齿提出多种修形方案来降低或避免应力集中,最后用有限元法对其修形效果进行检验。选取刀盘驱动小齿轮和内齿圈在啮合周期内的几个特征位置,利用Hertz公式计算其最大接触应力,并用有限元法对其进行详细的仿真分析,观察其应力的变化规律,再与Hertz公式所计算出的结果对比。本文的研究结果表明,保险轴花键齿的齿面存在载荷分布不均的情况,在接触边缘处产生了明显的应力集中,其应力值远大于理论计算值,而提出的修形方案则明显改善了这种现象。同时也得出了驱动小齿轮在啮合过程中的特殊位置的应力变化规律,为我国盾构技术的进一步研究提供了理论基础。

关键词： 管材   液压成形   液体冲击成形   应力应变关系   应变率  

摘要： 液体冲击成形技术(Liquid Impact Forming-LIF)是一种在液压胀形技术基础上的改进型技术。该技术是通过液体作为媒介将能量瞬间释放,然后将零件成形的高能率成形技术,既保留了液压胀形技术的优点,又提高了成形效率,因此,一经提出就取得了研究者的青睐。但是,在LIF中,由于冲击载荷的快速加载会造成材料的动态力学响应等与常规准静载荷下材料的动态力学响应有较大差别。因此,对冲击载荷加载下材料的动态力学研究有着重要的理论意义和工程应用价值。本文通过理论推导、试验研究以及有限元模拟等相结合的方法,对液体冲击加载下管材的动态力学性能展开了以下研究:(1)构建了管材的受力模型,结合薄膜理论以及力学平衡理论等理论,推导出了管材等效应力,等效应变以及应变率等的求解公式;(2)提出了研究管材动态力学性能的试验方法,并开发了进行管材液体冲击成形试验的试验装置;(3)基于所开发的实验装置,在室温下分别进行了常规准静态加载下管材液压胀形试验以及冲击速度分别为6 mm/s、8 mm/s、10 mm/s以及150 mm/s的管材液体冲击成形试验,基于试验数据及所推导公式最终确定了表征管材动态力学性能的应力应变关系,并对结果进行分析;(4)对管材的液体冲击成形过程进行了有限元模拟,分析验证所确定管材应力应变关系的精度。研究结果表明:(1)基于管材受力模型、力的平衡理论以及金属塑性变形体积不变理论等推导的公式能很好的适用于管材应力应变关系的确定;(2)研究发现,随着冲击速度的提高,管材的成形更加困难。相同内压力下,冲击速度越高,管材的最大胀形高度越低,说明随着冲击速度的提高,要想使管材胀形的更好,需要更大的内压力;(3)研究发现,冲击速度越高,管材发生塑性变形时应变率越高,且不是一个定值,而是在增大;(4)研究发现,随着冲击速度的提高,管材应变率硬化现象更加明显,且随着冲击速度增加,管材的屈服应力也在增加;(5)本研究中对管材的液体冲击成形过程进行了有限元模拟研究,在模拟完成时提取了管材的胀形区几何形状与实验得到的胀形区几何形状作对比研究,研究发现试验得出的管材最大胀形高度与模拟得到的最大胀形高度的偏差率均在7%以内,说明本研究中基于实验结果及相关公式推导得到的应力应变关系能够很好的描述管材的动态力学响应。

关键词： 煤层气   各向异性   多尺度   渗流   扩散  

摘要： 为更加高效的抽采瓦斯,减少钻孔区域内的空白带,降低突出危险性,考虑煤层中孔裂隙导致的煤层结构各向异性,研究了应力载荷作用下煤层瓦斯的渗流扩散各向异性特征。为研究应力载荷下煤层中瓦斯渗流的各向异性特征,开展了以下研究。理论方面:A.导出了各向异性渗透率的莫尔圆表示方法;B.联立Kozeny-Carman方程和平板流动方程得出各向异性渗透率主值与应变之间的关系;C.定义了方向压缩系数和方向敏感系数,得出各向异性渗透率与应力之间的关系,进而得到应力作用下的气体各向异性渗流方程。实验方面:分别钻取0°、45°、90°方向煤样,开展了应力载荷作用下各向异性渗流实验。研究结果表明:(1)按压力梯度方向渗透率的定义,当气压0.5MPaDA2450>DA3900;(2)当围压2MPa<σ2<4MPa之间,扩散系数随围压的增大而减小,相同围压下的初始扩散系数,满足DA100>DA2450>DA3900。衰减系数随着围压的增大有减小的趋势。为计算瓦斯抽采的效果,导出单孔抽采时的压力分布、有效抽采半径与时间的解析函数关系。考虑渗透率的各向异性,分别计算了均匀布孔于非均匀优化布孔下的瓦斯压力分布。模拟结果表明:120d内,采用均匀布孔方式抽采仍未能达标,而采用优化后的非均匀布孔方式,90d即可抽采达标,同时每百米煤巷节省钻孔12个。

关键词： 应力集中系数   多面DT型管节点   轴向载荷   参数方程   概率密度函数  

摘要： 当受力的含孔弹性体中存在孔,则孔边的应力将远大于无孔时的应力,也远大于远离孔的位置处的应力,这种现象称为孔边应力集中现象。本文采用极坐标计算了含圆孔无限大板两端受均布拉力时的孔边应力,采用复变函数方法计算了椭圆孔在不同边界条件下的孔边应力,并且分析了线弹性条件下裂纹尖端的应力。应力集中系数在导管架平台管节点的疲劳强度及可靠性分析中起着重要的作用。针对导管架平台中常见的多面DT型管节点,本文采用有限元方法分析了沿其焊缝的应力集中系数。利用分区划分网格的方法在保证网格质量的前提下尽量减少网格的数量以确保计算精度和提高计算效率。基于有限元计算结果,研究了不同几何参数对应力集中系数的影响并且采用多元非线性回归方法提出了一组计算应力集中系数的参数方程。通过两种误差分析验证了参数方程的准确性。在对于管节点和由它们制成的结构的疲劳可靠性评估中,应力集中系数被当做一个对管节点或结构影响非常大的一个随机变量。沿着焊缝的应力集中系数的最大值依据载荷形式的对应位置被用来构建4组样本。15个在疲劳可靠性分析中常用的分布模型被用于拟合样本的概率密度直方图和经验分布函数,分布模型中的参数由极大似然估计得到。依照卡方检验和Kolmogorov-Smirnov检验的结果,Birnbaum-Saunders分布被选择为最适合的模型。将相应参数值代入概率模型之后,提出了一组描述多面DT型管节点在轴向载荷下沿着焊缝的应力集中系数最大值的概率密度函数。

关键词： 高强钢   焊接接头   疲劳裂纹扩展   残余应力重分布  

摘要： 残余应力对焊接结构疲劳性能的影响严重,且在疲劳过程中经常发生应力松弛及重分布现象。本文以具有缓冲层的高强钢焊接接头为对象,研究了疲劳载荷作用下焊接残余应力重分布以及对疲劳裂纹扩展性能的影响,主要研究内容如下所述:(1)通过疲劳载荷作用下焊接接头试样裂纹尖端受力分析,根据扩展紧凑试样(E-CT试样)应力强度因子计算公式,结合线弹性断裂力学相关理论建立了疲劳裂纹扩展过程中裂尖残余应力“真值”的数学模型。基于上述理论,研究了三组不同焊接接头试样母材区的残余应力重分布规律,并与X-射线衍射试验及有限元仿真获得的残余应力初始分布结果进行了对比分析,合理解释了焊接残余应力随疲劳循环周次增加及裂纹长度变化的释放规律。(2)通过对比三组不同焊接接头试样退火前后的微观硬度、金相组织以及Paris曲线。发现焊接接头在600℃下,保温4小时后的微观硬度和金相组织等力学性能基本无变化,焊接残余应力基本消除,进一步研究了三组不同焊接接头试样的热影响区以及熔合区的残余应力重分布规律。(3)研究结果表明残余应力在裂纹进入稳定扩展阶段不再松弛,三组试样具有相同的松弛稳定点,初始焊接残余应力的大小影响松弛量的大小。NO BL和10 mm BL接头试样母材区的残余压应力随裂纹扩展不断增大的原因是由于拉压应力平衡的结果,压应力宽度减小时,为达到新的平衡其幅值会逐渐增大。4 mm BL接头试样没有出现这种现象,是因为4 mm BL接头试样的初始焊接残余拉应力主要是靠焊缝区的压应力与之平衡。重分布后的拉压应力转变点发生改变,初始应力较大时,转变点滞后,并且初始应力越大,转变点滞后程度越高;初始应力较小时,转变点提前。

关键词： 高速列车   测力轮对   标定试验   数据处理   载荷谱   疲劳强度  

摘要： 轮轴系统作为高速列车运行的重要组成部分,其结构强度对行车安全影响是显而易见的。随着中国标准动车组“复兴号”重归350km/h运营速度,对走行部尤其是轮轴的疲劳寿命问题提出了更为严格的要求。本研究以四方股份新造的标动试验车CRH-0208动、拖车测力轮对为研究对象,对轮轴载荷谱与应力谱开展试验研究:(1)基于连续测量法的高精度测力轮对研发:参照四方股份提供的技术图样,对车轮建模仿真找到合适的垂、横向载荷识别点,有效减小交叉串扰;参照UIC510-5技术法规对测力轮对进行Ansys有限元仿真;并对连续测量理论的组桥和输出的数学规律进行分析;结果表明该高精度连续测力轮对的研制条件成熟,各方面均符合技术规范,车轮静强度和疲劳强度满足安全运营要求。(2)应力-载荷传递系数的获取:给出了静态标定试验下涵盖列车线路运行各个工况的轮轨力解耦加载标定方案;并基于准静态法理念对标定数据进行一系列处理,得到轮轨力垂向、横向、纵向应力-载荷传递系数,并分析各方向作用载荷之间相互的影响。(3)线路实测轮对载荷谱的编制:对采集的数据按照典型工况和不同速度级进行处理并分析其波形,通过编程手段综合速度信号与载荷时间历程等多个数据来统计各级载荷水平下车轮旋转作用频次,编制了显示各级载荷作用频次热点占比的二维综合载荷谱。分析轮对载荷谱得出:大西试验线路况良好,轮对垂向载荷数值大小受路况和轴重影响,最大频次载荷不随速度的提高而明显改变,但主要频次下载荷范围在速度提升时变大;横向载荷大小和分布范围在线路上受路况和速度的综合影响;纵向载荷受启动制动时齿轮箱牵引扭矩影响较大,列车稳定运行时载荷平稳。(4)雨流法编制车轴各断面测点应力谱与车轴疲劳强度校核:分析了应力谱的特点,发现重车工况下各测点主频应力值均大于空车工况,然后通过修正后的Miner法则,计算得出空、重车下车轴各断面位置的等效应力值。最后比较等效应力值与EN标准中的许用应力值,得出动、拖车测力轮对可以满足1200万公里寿命服役里程的结论。

关键词： 测力轮对   载荷谱编制   疲劳评估   分布拟合  

摘要： 高速列车轮轴是车辆运行安全的主要部件之一,近年来随着我国高速列车的迅速发展,车辆运行速度也得到了进一步提高,对轮轴疲劳问题也提出了更加严格的要求,而载荷谱的编制及其分布特征的确定是对轮轴进行疲劳评价和可靠性设计的重要依据。由此,本文以CRH380A型动车组测力轮对为研究对象,以仿真及试验相结合的的方式,对轮轴载荷谱进行分析研究。本文对以下几个方面进行研究:(1)通过有限元仿真计算得到辐板上载荷-应力输出特性,通过合理选择载荷识别点分别识别垂向载荷及横向载荷,减少交叉串扰带来的干扰。根据UIC510-5标准,对打孔前后的车轮进行静强度及疲劳强度评估,结果表明车轮强度满足要求。(2)制作测力轮对,设计标定试验方案,完成静态标定试验,通过处理试验数据得到垂向和横向载荷应力传递系数。(3)基于实测数据区分列车运行直线、曲线、启动、停车等工况,分析不同工况下各桥路的时域特性。处理垂向、横向载荷识别桥路实测数据,分速度级编制不同工况下载荷谱,并分析速度变化对载荷谱分布的影响。(4)针对编制出的载荷谱,对其分布特征进行拟合,通过卡方检验、r检验对拟合结果进行假设检验,最后确定无论垂向还是横向载荷谱都服从截尾正态分布。分析不同速度下各工况拟合出的概率密度函数中各参数的变化情况,采用回归分析其变化趋势,最终推断出400km/h速度下轮轴载荷谱。(5)基于实测数据编制不同最高速度运行下车轴各截面应力谱,拟合分布并假设检验,推断出400 km/h速度下车轴各截面应力谱,根据线性累积损伤理论对车轴进行疲劳强度评估,结果表明车轴满足服役需求。

关键词： 边坡工程   坝基及边坡   抗滑稳定   耗散力   极值能量   有限元极限平衡   安全系数  

摘要： 针对重力坝深层复杂滑面抗滑稳定计算存在问题,以彻底消除人为假设因素为目标,提出有限元应力载荷宏观刚性滑裂面力学模型,创立矢量力投影方向极值原理,构建微观有限元应力和宏观极限平衡融合的客观定量稳定计算理论模型,给出重力坝深层抗滑稳定弹塑性有限元应力荷载作用下,宏观刚性滑裂面极值投影方向极限平衡方程和能量极值条件方程,得到既满足平衡条件又具有能量极值特征的稳定安全系数客观定量解。通过算例考证,阐明基于投影方向极值原理的有限元应力宏观极限平衡稳定计算理论的合理可靠性。成果对于重力坝深层抗滑稳定客观定量计算、完善坝基与边坡稳定统一分析理论具有重大理论研究意义和工程推广使用价值。

关键词： 高加速应力筛选   振动载荷   热载荷   耦合分析   疲劳寿命  

摘要： 使用先进的可靠性试验技术来提高产品功能可靠性、采用先进的应力筛选技术来提高筛选针对性和筛选效率已成为产品研发和生产过程中不可缺少的重要组成部分,有着极其重要的意义。高加速应力筛选(HASS)试验采用远高于产品技术条件规定值的应力量级进行试验,同时加载温度和振动筛选应力以快速激发并清除产品潜在缺陷,从而达到提高装备可靠性的目的。本文作为基础性理论研究,以装备结构中矩形薄板结构为研究对象,分别研究了在高加速应力筛选试验中热环境载荷、振动载荷、温振耦合作用下的结构响应及疲劳寿命估计。本文主要研究内容如下:(1)HASS热应力试验分为高低温应力步进试验以及循环温度变化应力试验。结合热应力理论分析,高低温步进应力试验过程选取稳态温度场有限元求解模型,循环温变应力试验采用瞬态温度场模型,并得到筛选过程中的结构位移及热应力。通过对板结构施加循环温变剖面得到结构在筛选过程中位移曲线及热应力曲线,并通过有限元ANSYS软件验证了结果的正确性。(2)HASS振动试验载荷量级以步进方式随时间增大,且每个振动量级持续一定时间,其振动载荷在时域上呈现明显的超高斯振动特性。本文针对此问题将每个振动量级,根据国军标选取生成相应的载荷谱,通过控制激励信号峭度值的方法生成超高斯随机振动激励信号,从时域角度分析结构的动力学响应。以板结构为研究对象,选取不同振动量级转化成对应的超高斯信号作为振动激励对结构进行动力学分析,并通过有限元软件验证了过程的可行性。(3)HASS综合试验以热应力载荷和振动应力载荷共同作用并同时在考虑热-结构耦合关系的基础上,推导热应力刚度矩阵,建立考虑热应力刚度矩阵的热载荷与振动载荷耦合有限元方程,给出了在时域内差分离散、相互交替迭代的计算方法。温度场分析采用伽辽金迭代格式,结构场采用Newmark积分方法进行耦合有限元模型的求解。得到在综合筛选过程中结构的耦合位移响应和应力响应结果。以板结构为研究对象,对比分析了耦合与非耦合响应的数值差别。(4)HASS载荷作用下的疲劳寿命分析以温振耦合响应结果为基础,在时域内对结构进行疲劳寿命分析。采用雨流计数法将得到的结构响应时间历程进行循环计数处理,然后以材料疲劳寿命理论为依据对结构进行结构疲劳寿命估算。