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关键词： FPSO   主甲板冷却水管路系统   应力分析   加速度载荷  

摘要： 借助船级社规范与MATLAB软件,开发可提取浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)管道任意位置处加速度的程序,以便更好地对FPSO主甲板冷却水管路系统进行应力分析。将该系统任意位置处实际加速度值和FPSO船体重心处加速度值以均布载荷形式分别施加至管道上,利用CAESARⅡ软件分析在满载工况条件下该系统的应力变化。结果表明,在FPSO满载工况条件下,采用重心处加速度值得到的结果相较于其自身实际加速度值的作用结果会出现应力冗余和应力不足的情况,例如节点50应力增加1.01%,而节点2570应力减小0.19%。

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： 柔性电子   异质层合结构   热/力载荷   界面应力   应力调控   失效预测  

摘要： 形态可变、轻质便携和易曲面集成的柔性电子器件在信息、能源、医疗和国防等领域有广泛应用前景。基于无机半导体薄膜和柔性有机基底的异质层合结构使电子器件兼具优异电学性能和可延展柔性,然而,不同材料间显著的热、力性能差异使结构易出现变形失配和界面应力,由此导致的结构失效严重影响柔性电子的可靠性和规模化商业应用。当前亟需解决的关键科学问题是异质层合结构界面应力的定量预测和调控管理,而现有研究鲜有综合考虑力热载荷、层间温变差异、粘结层模量、厚度变化和非均匀剪切变形等影响下界面应力和失效模式的定量预测和分析。 本文对电子器件异质层合结构界面应力的定量表征、调控和失效预测进行了理论分析、有限元仿真和试验验证研究。首先,建立了同时考虑层间温变差异、粘结层厚度变化和非均匀切应变的界面力学模型,推导了界面切应力解析解,以柔性光电器件层合结构为例提出粘结层的三段线性柔度模型修正了解析解,并得到了文献和有限元仿真的验证,导出了界面剥离应力、拉压与弯曲组合正应力(简称拉弯正应力)解析解。其次,建立了力热综合载荷下界面应力模型,以柔性硅电路层合结构为例导出了界面切应力解析解,并提出了关键材料和尺寸参数设计来调控切应力的主要策略和措施。再次,基于导出的层合结构应力解析解,提出了以强度理论与应力比相结合的层合结构失效判据和失效模式预测方法,并以塑封器件层合结构为例进行了失效模式预测。最后,以塑封器件中典型层合结构为例,通过试件测试和有限元仿真验证了层合结构界面应力模型。论文的主要工作及研究成果体现在以下几个方面: (1)针对异质层合结构界面切应力问题,建立了考虑层间温变差异和粘结层非均匀切应变的界面应力模型,提出了三段线性界面柔度模型来改进界面切应力解析解,给出了切应力调控措施,并导出了层内拉弯正应力和界面剥离应力的解析解。首先,针对现有假设的不足,建立了考虑粘结层厚度变化和非均匀切应变、柔性基底和层间温变差异的界面应力模型。其次,提出非均匀因子和三段线性柔度模型来修正界面柔度,改进的界面切应力解析解得到了文献和有限元结果的验证,揭示了粘结层厚度和无量纲长度等对非均匀因子的显著影响和变化规律。再次,以柔性光电器件层合结构为例分析了切应力主要影响因素和变化规律,如:粘结层厚度100μm时界面切应力约为1μm时应力的1/10;PET(聚对苯二甲酸乙二酯)层温变约为Ga N(氮化镓)层温变的0.381倍时界面切应力几乎降为零。最后,提出了温度、弹性模量和尺寸关键参数优化来降低界面切应力的策略和设计规律,可为应力定量抑制和调控提供参考。 (2)针对当前柔性层合结构应力分析多为力、热单一载荷问题,建立了热力综合下界面切应力的理论模型,简化微分方程后导出的切应力解析解得到了文献和微分求积法结果的验证,揭示了切应力变化规律并提出了抑制措施。针对试验较难准确获得电子器件界面应力分布的问题,以柔性超薄硅电路层合结构为例,通过关键参数比较简化得到了切应力三阶微分方程,分别采用理论推导与微分求积法数值计算获得了切应力分布规律。最后,定量分析了切应力影响因素和变化规律,如偏心拉力时的最大切应力可达同等大小轴向拉力时的4倍,弹性模量小于0.5 MPa的粘结层可显著减小切应力,并提出了包括力、热载荷,关键材料和尺寸参数的界面切应力抑制策略。 (3)针对层合结构材料断裂、界面滑移和分层失效问题,提出了一种基于强度理论和应力比的失效判据及失效模式预测方法,并以铜-环氧树脂结构为例利用应力强度比和应力比曲线预测分析了三种失效模式。基于层合结构应力解析解导出了三种最大应力公式,针对满足两种及以上应力强度比失效判据的情况,提出了用最大应力比预测首先发生的失效模式的方法。层合结构有限元仿真验证了最大应力公式的有效性,分析了不同温度和厚度参数下应力强度比和应力比曲线的变化特点,并预测了不同参数下的失效模式,可为层合结构失效模式的预期调控提供参考和借鉴。 (4)针对微电子器件异质层合结构内部应变难测量的问题,以塑封器件中铜-环氧树脂层合结构为例,通过试验测试和有限元仿真综合验证了本文所推导的层内拉弯正应力、界面切应力和剥离应力的解析解。制备了内埋应变片的铜-环氧树脂试件,测得了其界面正应变并进行了有限元仿真。结果表明:温度26℃～110℃时,解析解、试验和仿真获得的拉弯正应力在层合结构厚度方向和长度方向均吻合良好,三者相对误差小于6.93%。温度高于环氧树脂玻璃化转变温度时,出现应力松弛现象导致相对误差显著增大。分别采用界面应力解析解和有限元仿真定量预测了不同温度变化下层合结构界面应力分布特点,界面应力曲线整体吻合良好,相对误差小于6.63%。

关键词： 吊弦   应力   疲劳寿命   移动载荷   脉动风载  

摘要： 在高速铁路运营中,受电弓与接触网通过滑动接触完成电力传输。由于接触网在铁路沿线露天设置,并且没有备用设施,所以,一旦接触网发生故障影响到电流的接收,那么列车必然就会停止运行。而吊弦作为接触网的关键零部件,一旦发生断裂,就会导致弓网故障,严重影响列车的安全行驶。吊弦断裂最本质的原因是长期受到交变应力的影响,因此,对吊弦应力及其疲劳寿命的研究十分重要。为此,本文研究移动载荷和脉动风载对吊弦应力及其疲劳寿命的影响。研究的主要内容如下: 一、基于正弦力建立简单链型悬挂接触网模型,研究移动载荷作用下的吊弦应力及其疲劳寿命情况。然后在移动载荷的基础上对接触线施加脉动风载,研究脉动风载对吊弦应力及其疲劳寿命的影响。分析了不同风速、不同初始风攻角、不同幅值工况下吊弦最大拉应力以及疲劳寿命值的变化情况,并与对接触线仅施加移动载荷的情况进行对比分析。结果表明:在移动载荷的基础上对接触线施加脉动风载,当风攻角一定时,风速越大,脉动风对吊弦的疲劳损伤越严重。当风速一定时,不同风攻角对吊弦应力及其疲劳寿命的影响不同,风攻角越小也就是来流风向越接近于水平,脉动风对吊弦的不利影响越小。在脉动风下,固定风攻角和风速,正弦力的幅值越大,吊弦越容易断裂,并且吊弦Ⅳ对于幅值的增加更为敏感。在不同风速、不同风攻角、不同幅值的工况下,吊弦Ⅳ相较于其它吊弦更容易发生断裂。 二、基于吊弦抬升量建立接触网模型。我们课题组使用一些软件和硬件设备获取了受电弓通过时吊弦与接触线连接处的位移,即吊弦抬升量,在本文我们将该位移代替移动载荷施加到接触线上,研究该载荷作用下吊弦应力及其疲劳寿命的情况。然后,在上述研究的基础上将脉动风载施加到接触线上,研究脉动风载对吊弦应力及其疲劳寿命的影响。分析不同风速以及不同初始风攻角工况下吊弦最大拉应力以及疲劳寿命值的变化情况,并与未施加脉动风的情况进行对比分析。结果表明:无风情况下,列车以250km/h的速度向前行驶时,吊弦的应力变化过程都经历即刻回弹、衰减振动、弯曲压缩三个阶段。在接触网中,不同位置的吊弦其最大拉应力值不同,并且达到最大拉应力值的时间也不同。对接触线施加脉动风载,高风速时的脉动风会对吊弦产生不利的影响,当风攻角一定时,风速越大,脉动风对吊弦造成的疲劳损伤越严重。当风速一定时,风攻角越大,脉动风对吊弦Ⅰ～Ⅳ的影响越不利,但风攻角的变化对吊弦Ⅴ的影响不明显。同一跨中,相比于吊弦Ⅰ、Ⅴ,吊弦Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ对不同风速的风载荷的施加更为敏感。并且,吊弦Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ比吊弦Ⅰ、Ⅴ更容易发生疲劳断裂。因此,在实际运营中,应采取适当的防风措施来减少吊弦的损伤,并且应重点注意对吊弦Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的维护。

关键词： 焊接接头   疲劳裂纹扩展   残余应力   应力重分布  

摘要： 工程实践和科学研究均表明,对于承受疲劳载荷的焊接结构,疲劳失效绝大部分发生在焊接接头处,严重影响了设备的使用寿命和可靠性。残余应力效应是焊接接头疲劳定寿、延寿及失效机理分析涉及的共性问题。此外,焊接残余应力的精准测量以及在疲劳进程中的动态演化的准确表征,一直是焊接接头疲劳研究的热点。本文以5052-H32铝合金焊接接头为研究对象,建立了一种残余应力分布的估算方法,阐释了疲劳裂纹扩展过程中残余应力受循环载荷影响的基本规律。主要研究内容如下: (1)采用裂纹扩展路径平行于焊缝的焊接接头试样,通过不同应力比下疲劳裂纹扩展曲线的对比分析,获得了焊接接头各区域的材料参数,研究了疲劳裂纹在焊接接头各区域的扩展行为对应力比变化的敏感程度。发现高应力比下,残余应力不起作用时,焊接接头各区域疲劳裂纹扩展曲线与母材基本重合。对比母材和焊接接头试样的疲劳裂纹扩展曲线,研究疲劳裂纹扩展行为在残余应力影响下的变化情况。 (2)通过对比裂纹扩展路径垂直于焊缝的焊接接头试样和母材的疲劳裂纹扩展曲线,在断裂力学和叠加原理的基础上,结合焊接接头各区域疲劳性能对应力比的敏感性,建立了残余应力强度因子的计算模型,利用权函数的逆向运算和离散化分析,得到了残余应力分布的计算方法。将计算结果与试验测量结果进行对比,证实了残余应力计算方法的有效性。通过对比裂纹尖端距离焊缝中心不同距离的多组焊接接头试样的疲劳裂纹扩展曲线,利用计算方法对各个试样的残余应力分布进行求解,分析了残余应力在疲劳裂纹扩展时的重分布规律。 (3)探究在恒定的高应力比下,裂纹扩展路径垂直于焊缝的焊接接头试样,在不同最小应力强度因子下,疲劳裂纹扩展行为和最小应力强度因子对残余应力效应的影响规律。保持最大应力强度因子不变,分析应力比改变时,裂纹扩展路径垂直于焊缝的焊接接头试样疲劳裂纹扩展行为以及残余应力效应与应力比的联系。

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： 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： 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： 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。