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关键词： 测力轮对   载荷谱   气动载荷   核密度   疲劳寿命   裂纹扩展寿命  

摘要： 我国新一代时速400公里动车组CR450的研制稳步推进,对列车轮轴的服役安全性提出更高要求。随着列车运行速度、运输密度的提升,轮轨之间作用力越发剧烈,作用频次显著增多,更易导致疲劳发生;且列车在线路上行驶受到击打产生车轴缺陷或形成裂纹时轮轴疲劳强度明显下降。因此基于实测数据进行轮轴可靠性分析具有重要意义。本文基于郑万与郑济线路实测数据,进行轮轴不同运行工况下载荷谱与应力谱的编制与分析。并且对列车交会的极端工况进行重点研究,完成对实测数据的补充。将数据基于非参数核密度法进行拟合外推,进而展开含缺口车轴的疲劳寿命分析与裂纹扩展寿命研究。具体开展了如下工作: (1)据标准进行有限元加载约束,计算确定载荷识别位置与车轴危险截面;结合仿真结果与实际结构进行测力轮对研制,得出合理的贴片组桥方案;而后开展标定试验并利用有限元法进行标定工况的补充,最终得到横、垂、纵向载荷传递系数。 (2)在郑济线路与郑万线路上开展不同线路工况测试,通过数据处理流程还原数据真实信息并对标公里标进行工况识别。分别对信号时域波形与基于雨流计数法所编制的不同工况载荷/应力谱的谱型特点进行分析。着重研究列车交会恶劣工况,在FLUENT中通过动网格与滑移网格两种方法完成列车明线交会与隧道交会的仿真分析,将监测所得的列车气动力作为外部输入施加于SIMPACK的整车动力学模型中,从柔性轮对提取应力信号,载荷信号等完成实测数据的补充。最终将含补充工况的所有数据进行全程载荷谱与应力谱的编制。 (3)由于测试时间与里程有限,因此需要对实测全程载荷谱与应力谱进行外推。对比参数法拟合与非参数法拟合的效果,最终采用非参数核密度估计拟合;对比10倍外推与100倍外推的趋势,从概率密度分布、损伤量等方面进行外推效果验证。最后结合实测数据采用非参数估计法得到全寿命周期载荷谱、应力谱。 (4)在车轴危险位置插入缺陷,并通过仿真得到缺陷处应力大小,计算得到疲劳缺口系数,完成对含缺陷车轴S-N曲线的估计与修正;并分析缺陷不同形状比、尺寸、深度、入射角度的影响;最后基于名义应力法进行含缺陷车轴疲劳寿命分析。 (5)计算得到车轴表面裂纹应力强度因子解析解随初始裂纹深度与形状比的变化规律;并进行临界裂纹尺寸的计算;在车轴上预置裂纹,基于Paris裂纹扩展速率模型联合Franc3D与ABAQUS进行裂纹扩展的仿真分析,进行剩余寿命预测。 图161幅,表37个,参考文献92篇。

关键词： 激光熔覆技术   弧形试样拉伸行为   本构模型   汽车桥壳   疲劳寿命预测  

摘要： 随着现代制造技术的不断发展,激光熔覆技术作为一种先进的表面处理手段,在提高材料性能和延长工件寿命方面展现出了巨大的潜力。本研究以某满载10 t的胀旋焊组合汽车桥壳为研究对象,聚焦于激光熔覆技术在桥壳制造工艺中的应用,旨在深入探究激光熔覆技术对桥壳力学性能和疲劳寿命的强化机制,拓展激光表面强化技术在汽车零部件制造等领域的应用。 首先,本文采用GW连续光纤激光设备,在Q460管材表面进行单层和双层激光熔覆强化,制备了两种熔覆层厚度的激光熔覆试样,并对其组织结构进行了分析。结果显示,熔覆式样呈现明显的分层结构,熔覆层与基体层形成了良好的冶金结合,不同区域的晶粒形态存在差异。熔覆层微观组织由枝晶基体和网状共晶结构组成,基础相为马氏体相,双层熔覆试样的晶粒更为均匀且细小。 其次,本文对母材和两种熔覆试样的室温拉伸力学行为进行了研究。拉伸试验测试结果显示,两种激光熔覆试样抗拉强度分别为675.89 MPa和872.26 MPa,相较于母材分别提高了3.88%和34.06%,但延伸率显著降低,试样表现为脆性。随后,本文基于弹塑性变形理论,分别构建了三组试样的室温拉伸本构模型,并通过有限元法验证了三组试样本构模型的准确性。 最后,基于桥壳材料的组织结构和力学行为研究,本文使用ANSYS和n Code软件对胀旋焊组合桥壳进行了刚度强度分析和疲劳模拟,以探究激光熔覆技术对桥壳力学性能和疲劳寿命的影响。静力学有限元结果显示,激光熔覆工艺显著提升了半轴套管的力学性能,改善了桥壳的刚度、强度和应力分布状态。疲劳分析结果显示,台架试验工况下,单层激光熔覆强化桥壳的预测寿命为8.5万次,双层激光熔覆强化桥壳的预测寿命为224.30万次。 综合而言,引入激光熔覆技术显著提升了胀旋焊组合桥壳的力学性能并延长了其疲劳寿命,其中双层激光熔覆展现出更好的强化效果。

关键词： 地应力   爆破安全   质点峰值振速(PPV)   振速衰减  

摘要： 为研究深部高地应力条件下巷道围岩质点峰值振速(Peak particle velocity, PPV)衰减规律,以淮南潘三矿超前卸压预裂爆破扰动瓦斯综治巷为工程背景,使用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件对不同地应力下巷道围岩的PPV衰减规律进行研究。使用理论分析与数值模拟相结合的方法,从动应力、振动能量的角度对地应力与PPV之间的关系做出了解释。结果表明:随着爆心距增大,PPV整体上呈指数型衰减;在相同爆心距下,地应力越大,PPV越小且衰减速度越慢;随着爆心距增大,地应力对PPV抑制作用减弱;由于爆炸应力波的反射叠加效应,巷道迎爆侧围岩PPV衰减曲线出现反复波动,在自由面处获得最大峰值;迎爆侧围岩仍然遵循地应力越大PPV越小的规律。研究结果对深部高地应力爆破作业方案优化设计及深井爆破振动安全判据、构筑物动力响应特征的研究具有指导意义。

关键词： 应力松弛   反常载荷损失   对数方程   条带状组织   可激活位错   Cottrell气团  

摘要： 揭示弹簧应力松弛性能与材料组织之间的联系,对研究开发弹簧新材料、提升弹簧性能等具有重要的意义。本工作以圆柱螺旋压缩弹簧为例,采用周期试验法研究了试验温度和初始载荷对弹簧载荷损失和微观组织的影响。结果表明,温度和初始载荷耦合作用会引起载荷损失的反常变化——施加较低的初始载荷条件下温度较低时载荷损失较大,应力松弛后弹簧材料内形成了由位错富集区与位错贫瘠区组成的条带状组织。根据材料的组织特征,通过引入可激活位错与不可激活位错、可激活应力与不可激活应力的概念,导出了应力松弛的对数方程,明确了该方程的物理含义,解释了载荷损失的反常变化现象。由此认为应力松弛是可激活位错在可激活应力和热激活共同作用下运动引起的。

关键词： 数字梯度敏感法   数字图像相关   荧光散斑   应力应变测量   透明材料  

摘要： 本文提出了一种结合数字梯度敏感(digital gradient sensing, DGS)方法和数字图像相关(digital image correlation, DIC)方法,可实现平面应力状态下透明试样受集中载荷的应力应变同步测量方法。分别在透明试样和散斑板表面制备蓝色和红色的荧光散斑,然后利用3CCD相机分离试样和散斑板上特定光谱的荧光散斑,从而实现前后两个散斑图像的独立成像。分别计算可得到透明试样的应变和应力梯度场。通过展开半平面集中力加载实验,进行实验结果与解析值的对比,验证了此方法的可行性。

关键词： 滚动轴承   深沟球轴承   氮化硅陶瓷   径向游隙   径向载荷   载荷分布   接触应力  

摘要： 根据接触力学基本原理和滚动轴承设计基本理论给出了轴承载荷分布和接触应力的计算公式,应用滚动轴承载荷分布离散模型,通过编程求解轴承的载荷分布和接触应力。并以某电动机用深沟球轴承为例,计算不同径向游隙时全钢轴承和陶瓷球轴承的载荷分布和接触应力,结果表明:径向游隙对全钢轴承和陶瓷球轴承载荷分布的影响规律相似;在相同载荷下,陶瓷球和钢球的接触应力大小与轴承径向游隙密切相关,且存在最优径向游隙值。

关键词： 机械式   变速器   齿轮   啮合周期   接触载荷   应力分析  

摘要： 当机械式变速器齿轮存在边缘接触时,就会产生一定的干扰信号,严重影响其啮合周期接触应力的分析效果。为此,提出机械式变速器齿轮啮合周期接触载荷及应力分析。通过Pro/E建模软件对齿轮展开参数化建模处理,定义齿轮的接触属性,施加接触载荷,从静态和动态2方面对齿轮啮合周期接触应力进行分析,计算齿轮不同状态下的接触应力。静态下的齿轮啮合接触可直接输出分析结果;对于动态下的齿轮啮合接触,首先需要确定每一帧变化的最大等效应力,然后完成整体应力分析。实验结果表明:在齿轮存在边缘接触的情况下,此方法的计算时间在100 s以内,最高计算误差为1.7%,应力变化模拟较准确,抗干扰性较强。

关键词： 水力压裂   页岩储层   套管载荷   地应力   天然裂缝  

摘要： 为了研究水力压裂工况下套管损坏机理及套管载荷影响因素,开展了储层岩石力学参数测试,建立了套管-水泥环-地层-裂缝的多场耦合有限元分析模型,分析了水力压裂扩展时近井筒地应力及套管载荷的分布规律及影响因素。研究结果表明,储层中天然裂缝的存在引起水力裂缝的非均匀扩展,套管承受非均匀载荷;当储层地应力差增加、弹性模量降低时,近井筒地应力及套管载荷增加;天然裂缝数量及天然裂缝分布形态对近井筒地应力及套管载荷的影响较为复杂。研究结果为页岩储层优化固井设计及压裂设计、减少套管损坏问题提供了理论依据。

关键词： 动态张拉强度   强度弱化效应   BD试样   张拉预应力   冲击载荷   分离式霍普金森压杆(SHPB)  

摘要： 深部围岩的张拉破坏是一种常见的破坏模式,这与深部围岩处于高应力和冲击荷载的组合受力状态密切相关。本研究中,使用分离式霍普金森压杆(SHPB)设备对不同张拉预应力水平下的红砂岩巴西圆盘试样进行不同加载速率下动态张拉试验。基于试验的准静态峰值拉伸应力,确定了试验的张拉预应力水平分别为0,0.48,1.44,2.39,3.45和4.30 MPa,以及400~1200 GPa/s范围内的冲击荷载的加载速率。试验结果表明,动态张拉强度与加载速率呈显著的线性正相关关系,且随着加载速率的增加而逐渐增加,表现出明显的率效应。在相同加载速率下,动态张拉强度随着张拉预应力水平的增加而显著降低,表现出明显的动态张拉强度弱化效应。此外,总结了动态张拉度弱化效应机理,其中张拉预应力水平决定了动态张拉强度弱化水平,而冲击载荷则促进了强度弱化效应的显现。

关键词： 裂纹   轮轨热接触   应力强度因子   虚拟裂纹闭合技术  

摘要： 利用有限元法建立轮轨瞬态热载荷三维弹塑性接触计算模型,从实际角度出发,分析列车制动时产生高热条件下的车轮内部裂纹处的应力场与温度场。系统地分析了多种裂纹参数对裂纹周边应力场的影响规律。基于实测,建立了两种类型的裂纹,其中直裂纹长度和深度分别取10~20mm和2~4mm(长深比固定为5)。作为对比的斜裂纹特征参数:长为6~30mm,深为10~20mm,裂纹角度为15°~40°热载荷工况下计算结果表明:热应力对裂纹尖端应力场的增强效应不可忽略,某些工况下热应力对合成应力的贡献率可达24.8%;各工况下,直裂纹裂尖应力场普遍高于斜裂纹,说明该型裂纹更危险,更易拓展;裂纹位置越靠近车轮表面,裂尖应力越高,越易拓展并发展至表层,进而引起车轮踏面剥离掉块。