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关键词： 轴向载荷   无损检测   应力波   时域幅值   信号处理  

摘要： 煤矿锚索支护中,轴向载荷是反映锚索支护效果与支护质量的关键指标。目前锚索轴向载荷的检测多采用机械式检测设备,操作不便且难以对井下锚索进行大面积的检测。锚索轴向载荷的无损检测具有方便、快捷的特点,可有效解决现阶段锚索机械检测所面临的问题,但当前锚索无损检测主要是对锚索的长度与注浆效果的检测,针对锚索轴向载荷的无损检测方法研究较少。本文采用实验室实验、理论分析、数值模拟等方法,分析锚索中的激振反射应力波信号特征,揭示轴向载荷作用下锚索中激振反射应力波传播特性,寻找应力波信号特征参数与轴向载荷之间的定量关系,提出基于锚索激振反射传播特性的轴向载荷计算方法,为锚索轴向载荷无损检测提供了理论基础和科学依据。论文的主要研究成果如下: （1）基于实验室实验,采集不同轴向载荷作用下的锚索的单股应力波信号,并对采集到的应力波信号进行时频特征参数进行分析。结果表明:锚索单股信号具有相似性与稳定性,有效解决了锚索截面不密实存所导致采集信号不稳定的问题;从时域特征参数中发现,随着轴向载荷的增大,时域波形幅值的最大值逐渐减小,呈现降低趋势先缓慢后变快的趋势。 （2）对比EMD、小波分解、VMD联合小波阈值去噪三种降方式的降噪效果,结果表明:VMD联合小波阈值去噪在与原始仿真信号的信噪比、图像的相似性、平均绝对误差、均方根误差、相关系数等方面均优于其他两种方法。对VMD联合小波阈值去噪分解的各个IMF分量进行希尔伯特变换,通过计算能量熵值与相关系数,确定了包含信号主要特征的IMF分量,进行信号重构并完成了对锚杆激振反射应力波信号特征—应力波幅值的提取。荷载施加前幅值最大值为124.12,最后载荷增大到500k N时,幅值降到81.13。变化趋势为先慢后快,与降噪处理前规律保持一致。 （3）通过数值模拟研究了锚索拉伸过程中的应力分布特征,揭示了轴向载荷对锚索应力波传播的影响规律,研究发现:应力波幅值与载荷呈显著反比,载荷由0k N增加到500k N时,加速度幅值由21.0mm/s2衰减到4.8mm/s2,衰减呈现先慢后快的趋势,与实验趋势一致;锚索拉拔呈现弹性（周围股旋转致载荷阶梯增长）、塑性（中间股优先屈服）及强化阶段（峰值532k N颈缩断裂）,中间股与周围股受力差异（纯拉伸与拉伸-挤压耦合）是失效主因,为无损检测提供量化依据。 （4）通过实验室实验,验证基于激振反射应力波传播特性的锚索轴向载荷无损检测方法的可行性,结果表明:绝对误差0.8～6.34k N,误差率0.5～3.8%,且误差率随荷载增大递减（高荷载区间380～450k N误差率<1.2%）,证实应力波法可精准计算锚索的轴向载荷,为锚索轴向载荷应力波无损检测提供可靠技术支撑。 图68表11参[92]

关键词： 光互连   微尺度焊点   对准偏移   耦合效率   灰色关联   BP神经网络  

摘要： 光互连技术因其抗干扰能力强、互连密度高、传输功耗低等优势,已成为克服电互连所面临难题的重要研究方向。然而,因光路对准偏移导致的光耦合损耗问题与光器件的微尺度焊点可靠性问题一直是光互连技术面临的主要困难和挑战。对此,本文以光互连模块为研究对象,研究了弯扭和弯振复合载荷下光互连模块中微尺度焊点应力应变以及光互连模块关键位置耦合效率,主要分为以下四分部内容: 首先,基于ANSYS软件建立了光互连模块有限元分析模型,对模型施加了弯曲-扭转复合载荷,分析了微尺度焊点的应力应变分布规律,以及关键位置的X、Y、Z方向及角度对准偏移,并通过ZEMAX软件计算出了耦合效率。利用正交试验法设计了16组实验,通过极差和方差分析得到了影响排序和显著性,并通过灰色关联法进行了双目标优化。结果表明:影响微尺度焊点应力和关键位置耦合效率的焊点形态参数大小排序分别为:焊点体积>焊点高度>焊盘直径,焊点高度>焊盘直径>焊点体积;置信度90%下,焊点体积对微尺度焊点应力的影响具有显著性,焊点高度对关键位置耦合效率的影响具有显著性;双目标优化后,微尺度焊点应力降低了47.6%,耦合效率提升了6.22%。 其次,对模型施加了弯曲-随机振动复合载荷并进行了仿真分析。结果表明:影响微尺度焊点应力和关键位置耦合效率的焊点形态参数大小排序分别为:焊点体积>焊点高度>焊盘直径,焊点高度>焊盘直径>焊点体积;置信度90%下,焊点高度、焊点体积对微尺度焊点应力的影响具有显著性,焊点高度对关键位置耦合效率的影响具有显著性;双目标优化后,微尺度焊点应力降低了43.5%,耦合效率提升了6.17%。 再次,建立CIWOA-BP神经网络实现了微尺度焊点应力和关键位置耦合效率的预测。结果表明:在4种输出值的预测中,CIWOA-BP神经网络的预测最大相对误差分别为3.444%、0.851%、8.057%及2.212%,均比标准BP神经网络更好,表明了CIWOA-BP神经网络的预测结果更准确。 最后,制作了相应的实验样件,进行了光互连模块弯扭复合加载和弯振复合加载实验。实验结果表明:在两种复合载荷下,光互连模块测试点1和测试点2的相对误差均不大于15%,验证了有限元仿真结果的准确性。

关键词： 全长锚固锚杆   软岩巷道   锚注一体化支护   拉拔载荷   数值模拟  

摘要： 随着煤矿开采深度的增加,岩体在高地应力、强采动影响下呈现以大变形和长时流变等为主的软岩性质,导致常规的端锚支护适应性不足,锚杆(索)破断及锚固界面脱黏等失效问题日趋显著。虽然全长锚固是控制软弱围岩稳定的有效方法,但仍无法完全避免支护过程中出现的锚固失效现象。因此,深入理解全长锚固锚杆与软弱围岩之间的相互作用机理,并提出高应力软岩巷道围岩高效支护技术,对于解决深部复杂地质条件下的围岩稳定控制难题具有重要工程意义。本文综合采用理论分析、数值模拟、实验室试验和工程实践等方法,首先分析围岩变形作用下全长锚固锚杆的载荷传递规律,揭示全长锚固锚杆与软岩巷道围岩之间的相互作用机理;其次,基于柔性锚杆提出锚注一体化全长锚固支护技术,探讨其承载特性与加固机制;最后,阐明锚注一体化支护技术的稳定控制机理,优化支护方案并开展工业性试验。主要研究工作和成果如下: (1)通过引入杆体拉伸应力-应变本构模型和二、三折线剪切滑移模型,推导了围岩变形作用下考虑杆体塑性屈服和锚固界面滑移的全长锚固锚杆受力分布解析解,提出了一种更符合实际的全长锚固锚杆力学特性的数值模拟方法。研究结果表明:(1)全长锚固锚杆的杆体塑性屈服发生在中性点处,屈服后杆体轴力分布形成屈服平台,中性点演变为“中性段”。(2)锚固界面滑移始于洞壁位置,滑移导致剪应力向锚固远端传递时呈现软化脱黏特征,同时促使中性点向孔底端移动。(3)围岩变形、锚杆长度、界面剪切峰值强度及托盘反力等因素显著影响杆体塑性屈服和锚固界面滑移的程度。(4)相比于单一失效工况,杆体塑性屈服与锚固界面滑移之间会产生相互抑制作用。 (2)建立了二向等压应力场中锚杆-围岩耦合作用力学模型,揭示了全长锚固锚杆支护下高应力软岩巷道围岩承载结构力学响应,研究了全长锚固锚杆的不同支护失效工况对围岩变形规律的影响机制。结果表明,提高全长锚固锚在正常支护状态下轴力,对高应力软岩巷道围岩破坏范围的控制作用不明显。全长锚固锚杆对围岩变形的抑制作用主要集中在杆体附近区域,并且当考虑杆体塑性屈服与锚固界面滑移时,改善支护参数对围岩整体变形影响较小此外,巷道全断面不同位置锚杆的受力形式与失效特征受侧压系数和主应力偏转角度的影响显著。 (3)针对高应力软岩巷道的锚杆全长锚固失效及稳定性控制难题,提出了集预应力树脂端部锚固、注浆全长锚固和浆液加固作用于一体的柔性锚杆锚注一体化支护技术。基于该技术“先锚后注”的支护工艺特征,建立了分段式全长锚固足尺拉拔数值模型,研究了锚固系统承载特性及细观损伤演化机制。柔性锚杆端锚注浆实现全长锚固后,锚固系统承载能力显著提高,锚杆拉拔力-位移曲线表现出“先柔-后刚-再强”承载特性。在拉拔载荷作用下,锚固系统黏结裂纹不断向锚固远端扩展,锚固界面主要发生剪切破坏,而树脂锚固剂与注浆体则发生显著的拉伸破坏,且在锚杆两侧的岩体中形成了大量倒锥形分布的黏结裂缝。 (4)对含不同裂隙倾角的未注浆锚固(RBN)和注浆锚固(RBG)试样进行了单轴压缩对比试验,重点分析了加锚裂隙试样在注浆前后的力学特性、破坏模式及裂纹扩展特征。同时基于锚杆受力特征,建立了压剪状态下的锚注裂隙岩石力学模型,揭示了锚注支护一体化支护技术的止裂加固机制。结果表明,RBG试样的峰值强度、弹性模量和残余强度相比RBN试样均有提高,当裂隙倾角较小时,提高幅度最为显著。锚注一体化支护的加固机制在于有效降低了滑移面上的等效剪应力。 (5)以深部高应力软弱围岩巷道为工程背景,揭示了无支护、端锚、全锚及锚注一体化支护条件下的围岩变形破坏特征。与其他支护形式相比,锚注一体化支护后围岩裂纹扩展深度、变形量及应力松弛区范围显著减小,有效提高了围岩的完整性和承载能力。在此基础上,阐明了高应力软岩巷道渐进破坏失稳机制及关键控制要点,提出了“高强预应力锚杆、索支护为核心,注浆加固为基础,底角与底板锚注加固为关键”的分次强化锚注联合控制对策。最后,在淮北袁店二矿深井软岩巷道开展了工业性试验,采用柔性锚杆锚注支护技术优化了原支护方案,并通过数值试验与现场矿压监测验证了优化方案对围岩变形破坏的良好控制效果。 图[131]表[18]参考文献[173]

关键词： TA15钛合金   加工残余应力   切削力   切削温度   数字图像相关技术  

摘要： 随着我国航空航天事业的快速发展,对于高强度结构件的需求日益增加,钛合金因其优良的力学性能而得到广泛应用。加工残余应力作为表面完整性的重要组成部分,严重影响部件的使用寿命,因此开展加工残余应力预测相关研究可以为钛合金材料的合理使用提供帮助。数字图像相关技术(Digital Image Correlation,DIC)是一种测量应变场的光学手段,结合力热载荷分析可以准确描述材料弹塑性变形,为加工残余应力预测提供支撑。因此本文以TA15钛合金为研究对象,开展基于DIC与力热载荷分析的TA15钛合金铣削残余应力预测研究。 首先分析加工残余应力的相关理论,建立预测模型。通过相关理论分析,讨论切削残余应力的形成过程与影响因素。通过Hertz接触应力及胡克定律计算弹性应变,并依据Mises屈服条件和Druker关联流动法则确定相应的塑性应变。基于弹塑性接触近似分析实现应力加载,通过应力松弛算法满足加工残余应力的边界条件,建立加工残余应力预测的解析模型。另外提出一种基于DIC的残余应力预测半解析模型,通过对于塑性应变的测量提高了残余应力预测的准确性。 为确定铣削加工中的力热载荷分布情况,对TA15钛合金铣削力与切削温度场建模及分析。针对TA15钛合金材料性能,依据Johnson-Cook本构方程讨论其热软化效应和应变率强化效应。基于斜角切削力解析模型,建立TA15钛合金铣削的瞬时切削力预测模型。通过对铣削过程中的热源分析与简化,建立一种基于运动螺旋线热源的切削温度场预测模型。通过TA15钛合金槽铣实验确定铣削力系数与热流密度系数,并验证了模型的准确性。 为获取残余应力预测模型相关信息,进行加工表面塑性变形和应变的测量,提出一种基于多级特征融合与注意力机制的DIC算法。通过对传统DIC原理的分析,搭建一种多级特征融合网络结构,通过跳跃连接的卷积神经网络结构实现多维多尺度的特征提取与融合,引入注意力机制增强网络对于全局与局部信息的整合能力,提高对变形场的测量能力。另外提出一种基于布尔模型和二维高斯变形场的合成变形场数据集生成方法,用于网络训练。通过消融实验与不同情况下的精度评估实验验证了所提网络的可用性。 最后通过实验验证加工残余应力预测模型的预测精度。进行TA15钛合金侧铣实验,利用所提基于多级特征融合与注意力机制的DIC算法测量不同进给量下的加工表面塑性变形与应变,实现加工表面残余应力预测。通过与实测残余应力结果的对比,验证所提预测模型的准确性。

关键词： 高温应力松弛   组合载荷   螺栓连接系统   预测模型   有限元分析  

摘要： 螺栓连接是一种常见的连接方式,因其具有可靠性高,拆卸方便,重复使用等特点,在设备中被广泛采用。然而在服役过程中螺栓易因高温环境或载荷波动发生应力松弛,从而导致设备的失效。因此,针对核电等难以反复维修的工作环境,有必要在设计环节中提前考虑螺栓的应力松弛行为,以保障设备的安全服役。此外,服役过程中载荷形式复杂,弯矩、剪切及扭转载荷的存在会影响螺栓的轴向应力松弛行为,而现有应力松弛模型往往是基于材料承受单一轴向载荷的假设建立。因此,本文以高温螺栓连接系统为研究对象,建立了高温螺栓杆的应力松弛预测模型,基于有限元分析了螺栓连接系统应力松弛过程中整体应力应变响应规律,并形成了考虑螺纹区域应力应变响应的螺栓连接系统应力松弛模型。具体研究内容如下: (1).考虑复杂载荷应力松弛特性,推导了适用于复杂载荷作用下螺栓轴应力松弛预测模型。分析了单一载荷(拉伸、弯曲、剪切、扭转)在螺栓应力松弛过程中的演化规律,结合Norton-Bailey蠕变本构方程和圆形截面梁力学模型,提出了多种复杂载荷作用下应力松弛理论模型。结合有限元方法分析了螺栓在拉伸-弯曲、拉伸-剪切、拉伸-扭转以及拉-弯-扭四种组合载荷形式下的应力松弛行为,并验证了高温螺栓应力松弛理论模型的准确性,在不同组合工况下的最大误差结果不超过8%。 (2).通过有限元方法,揭示了组合载荷下高温螺栓连接系统的在应力松弛相应规律。在螺栓连接系统中扭转、弯曲和剪切载荷的存在加速了螺栓轴向应力松弛;螺栓连接系统的应力松弛行为同时受螺纹区域和螺杆区域应力应变响应控制,相较于单一螺栓杆应力松弛行为,螺栓连接系统的应力松弛速率降低且螺栓应力松弛极限提高;螺距显著影响螺纹根部的应力集中现象,随着螺距的增大,局部应力集中逐渐显著,进一步加速螺栓连接系统应力松弛行为。 (3).基于螺栓连接系统应力松弛响应特征,考虑螺纹区域影响,引入应力松弛影响因子k,建立了单一拉伸、拉伸和扭转组合载荷作用下螺栓连接系统的应力松弛理论方程。参数k在载荷形式固定的情况下不受载荷水平影响。通过与有限元分析结果和试验结果对比,可知修正后的模型预测精度较好,与有限元分析结果的最大相对误差小于10%。

关键词： TBM刀盘   静力学分析   应力强度因子  

摘要： 以某实际工程刀盘为例,利用ANSYS Workbench对TBM刀盘结构在典型工况下进行静力学分析,得到3处薄弱位置,在刀盘薄弱位置引入预制裂纹,后改变裂纹形状比,得到不同位置裂纹随形状比改变时应力强度因子的分布变化。结果表明,正滚刀刀座处主要裂纹是开裂式且主要往深度方向扩展,边滚刀刀座处第一种裂纹类型应力强度因子呈现负值,而后两种裂纹数值都在6 MPa·mm 1/2以下,说明裂纹扩展不是该处的主要失效形式。该研究可为刀盘设计过程中裂纹扩展和寿命预测领域提供参考,对延长刀盘寿命,减少工程中的经济损失有重要意义。

关键词： T梁桥   空中爆炸   接触爆炸   内爆炸   钢筋混凝土   毁伤效应  

摘要： 目的研究不同打击模式下钢筋混凝土预应力T梁桥的毁伤效应,为钢筋混凝土预应力T梁桥的毁伤评估及打击决策提供参考。方法通过数值仿真研究某弹药装药空中爆炸、接触爆炸和内爆炸3种打击模式下,钢筋混凝土预应力T梁桥的毁伤效应。结果不同打击模式下钢筋混凝土预应力T梁桥的毁伤模式差异较大:空中爆炸和接触爆炸桥梁主要发生桥面破孔及塑性变形;内爆炸桥梁除桥面发生层裂破碎外,T梁腹板及横隔梁也发生外凸变形、混凝土崩塌破坏等。结论半密闭空间内爆炸T梁桥的毁伤效果要优于桥面接触爆炸和空中爆炸。

关键词： 冲击载荷   冲击脉冲   可靠性   帕斯瓦尔定理   应力-强度干涉模型  

摘要： 提出了一种基于能量法计算冲击载荷条件下结构可靠度的新方法。利用该方法,首先分析假设冲击载荷信号的波形形式,给出冲击载荷信号的时域表达式,在能量守恒的基础上,由帕斯瓦尔定理计算冲击载荷作用在结构上的能量大小,计算冲击载荷使结构产生应力的表达式,基于应力强度干涉模型推导出冲击载荷条件下的结构可靠度模型,并通过具体算例对所建模型的有效性进行验证和分析。结果表明,该模型能有效计算结构的可靠度,对冲击载荷作用下的机械结构可靠性分析具有一定的指导意义。

关键词： 卷破波浪   雷诺平均Navier-Stokes方程   湍流模型   破碎波浪载荷   海洋平台  

摘要： 本文利用开源计算流体力学软件OpenFOAM,数值模拟极限海浪环境下卷破波浪和非破碎波浪对海洋平台立柱的影响,目的是对比分析立柱在上述两种波浪类型下的波浪载荷及结构应力的变化情况。基于雷诺平均Navier-Stokes方程结合k-ωSST湍流模型对流体质点运动方程进行求解。通过数值结果发现,在相同设计波浪参数输入下,作用在海洋平台立柱上的卷破波浪载荷远远高于非破碎波浪载荷。立柱各个结构在非破碎波浪载荷作用下的最大应力值均小于材料的屈服极限。然而,在卷破波浪载荷作用下,部分结构受到的最大应力超过了材料的屈服极限,不满足结构安全要求。因此,在海洋结构物安全设计中需要考虑卷破波浪载荷对结构强度的影响,以确保结构具有足够的安全裕度。

关键词： 瓦斯爆炸冲击   地应力   动静载荷   巷道壁面   损伤  

摘要： 为了解决瓦斯爆炸事故中的深部高地应力巷道壁面破坏问题,采用LS-Dyna软件,建立巷道壁面动力响应损伤数学模型和物理分析模型,分析瓦斯爆炸冲击-地应力动静载荷作用下的巷道壁面位移、应力和损伤特征,并研究瓦斯爆炸冲击-不同地应力(水平地应力和垂直地应力)动静载荷下巷道壁面的响应和损伤特性。结果表明:高地应力造成了壁面的初始损伤变形,隅角处的应力集中和初始损伤最大,但是其在瓦斯爆炸过程中,动力响应小于顶板处;在瓦斯爆炸冲击-地应力动静载荷作用下,巷道各个部位的损伤应变随着地应力升高而增加,其中隅角处的损伤度受影响最大且损伤最为严重,其次为顶板位置;地应力升高会使壁面初始损伤变形更为严重,但是明显削弱了爆炸冲击波在围岩中的传播。