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关键词： 刨煤机   刨刀   载荷   变形  

摘要： 刨煤机是薄煤层开采的主要机械,刨刀是刨煤机刨削煤的工具。由于煤层结构复杂多变,在刨削过程中刨刀会受到不同形式的载荷作用,这些载荷对刨刀的刨削性能和刨煤机生产率有着重要影响。文中选取恒定载荷、Normal分布的随机载荷、Γ(Gamma)分布的随机载荷、冲击载荷4种典型载荷及实验测试载荷。基于破煤理论,对单把刨刀进行受力分析。基于ANSYS Workbench对典型载荷及实验载荷作用下的刨刀应力和变形规律进行研究。基于小波能量谱对等效应力信号进行能量谱分析。结果表明:当刨刀受到的载荷为恒定载荷、Normal分布的随机载荷和冲击载荷时刨削阻力(均值)增大确定的倍数,其最大变形量及受到的最大等效应力也会增大相应的倍数;实验测试载荷与Γ(Gamma)分布的随机载荷不会增大相应的倍数。刨刀变形量及所受等效应力的变化趋势与刨削阻力变化趋势一致;刀头部位变形最大且最大等效应力出现在刀头与刀身的连接处及刀身与底座连接处,等效应力信号的能量主要集中在0~1.562 5Hz的较低频带中,实验测试载荷时能量主要集中在0~3.875 Hz。对刨刀在典型载荷和实验测试载荷作用下的变形、应力及应力信号能量分布的规律研究,为刨刀的结构设计及优化,刨刀的破坏和可靠性分析,提高刨刀刨削性能和刨煤机工作效率等提供了理论依据。

关键词： 6061铝合金   应力腐蚀   恒载荷   热处理状态  

摘要： 采用恒载荷全浸腐蚀拉伸、断口扫描和室温拉伸等方法研究了拉应力对两种热处理状态6061铝合金(6061-T4和6061-T6)应力腐蚀行为的影响。结果表明,在O2和Cl-共存环境中,6061-T4铝合金的应力腐蚀敏感性很低,力学性能降低主要受腐蚀介质的电化学腐蚀影响;6061-T6铝合金的应力腐蚀开裂敏感性高于6061-T4铝合金,其应力腐蚀开裂倾向受腐蚀影响为主,力学因素影响为辅;应力腐蚀后,6061-T4和6061-T6铝合金表层腐蚀区域为沿晶脆断,次表层为准解离断裂,中心为穿晶断裂;在腐蚀介质与应力同时作用下,6061-T4铝合金由点蚀发展为晶间腐蚀,并随应力增大变为剥落腐蚀;6061-T6铝合金点蚀不明显,但晶间腐蚀深度随应力增大而加深。

关键词： POP堆叠焊点   热应力   灵敏度分析   响应面法   粒子群算法  

摘要： 建立叠层封装(packaging on packaging,POP)堆叠焊点有限元模型,基于ANAND本构方程,分析了热循环载荷下焊点应力分布状态及热疲劳寿命;基于灵敏度法分析了POP封装结构参数对焊点热应力的影响显著性;基于响应面法建立POP堆叠焊点热应力与结构参数的回归方程,并结合粒子群算法对结构参数进行了优化.结果表明,焊点与铜焊盘接触处应力最大,该处会率先产生裂纹,上层焊点高度和下层焊点高度对POP堆叠焊点热应力影响较为显著;最优结构参数水平组合为上层焊点高度0.35 mm、下层焊点高度0.28 mm、中层印刷电路板厚度0.26 mm,优化后上、下两层焊点的最大热应力分别下降了0.816和1.271 MPa,延长了POP堆叠焊点热疲劳寿命.

关键词： 供热管道   吊车载荷   防护层   强度   地面载荷   有限元分析  

摘要： 针对在吊车载荷作用下直径1020 mm、壁厚12 mm热水供热管道,先采用加拿大能源管线协会发布的经验公式法对直埋管段进行强度校核,然后采用ANSYS有限元分析软件模拟计算直埋管段及其防护层的应力。结合两种应力算法核算结果对直埋管段及其防护层的安全性进行评估。分析校核结果表明,直埋管段及其防护层均满足强度要求,管道有限元分析结果与经验公式法验算结果基本一致,但是经验公式法无法对防护层的强度进行校核。建议工程项目中分情况采用不同的方法进行应力校核,无保温防护层管道直接采用公式法,设计了保温防护而且有必要考虑防护层强度失效的工况则采用有限元分析方法。

关键词： 油气管道   环焊缝   弯曲载荷   应力计算  

摘要： 滑坡等地质灾害引起的弯曲载荷是导致环焊缝失效的重要因素,管道环焊缝焊接过程中的错边缺陷,容易形成局部应力集中,除设计压力外,环焊缝还能承受的弯曲载荷已成为管道完整性管理中的重点和难点。基于有限元分析数据提出了一种针对弯曲载荷作用下含错边缺陷环焊缝的应力计算方法。首先,给出了管道承受均匀内压和弯曲载荷的近似解析计算公式;然后,针对无错边和含错边缺陷的环焊缝开展有限元计算,采用子模型方法兼顾了大跨度模型的计算效率和环焊缝的计算精度;最后,基于有限元分析数据对经典解析公式进行修正,得到管道环焊缝单点应力的计算公式。经验证,该方法与有限元结果相差1%以内,可适用于弯曲载荷作用下的环焊缝应力计算,是一种可用于工程强度快速评估的精确分析方法。

关键词： 铝合金   电偶腐蚀   海洋环境   应力载荷   有限元模拟  

摘要： 铝合金由于其轻质、高强度、耐腐蚀等性能,被广泛地应用于航空航天、海洋工程等领域。铝合金的腐蚀是一个复杂的过程,在实际使用中因材料强度、成本、耐蚀性等诸多原因,不可避免地与其它材料组合,从而发生电偶腐蚀,影响工程结构的安全。此外,铝合金结构件在使用过程中必然会受到应力载荷的作用,电偶效应和应力载荷是导致铝合金失效的主要原因。海洋环境中,特殊的高温、高盐、高湿等环境因素与电偶效应以及应力载荷的耦合作用,无疑加剧了对铝合金性能的考验。本研究通过体视显微镜、X射线衍射仪(XRD)、扫描开尔文探针(SKP)、电化学工作站等设备,从力学、电化学、材料微观分析等多角度深入研究了海洋环境下5083铝合金的电偶腐蚀行为以及海洋环境因素与应力载荷耦合作用对7050铝合金失效行为的影响。结果表明,25℃、35℃、45℃时,5083铝合金/Q235钢电偶对的电流密度分别为19.407?A·cm、36.688?A·cm和57.465?A·cm,温度的上升加快了电偶对的腐蚀速率。电偶对中,5083铝合金因其较负的腐蚀电位,作为阳极,腐蚀速率加快;腐蚀电位较高的Q235钢作为阴极被保护。腐蚀形貌结果表明,电偶腐蚀早期,Q235钢在5083铝合金的保护下腐蚀并不明显。越接近偶接线,5083铝合金腐蚀越严重。Q235钢表面存在5083铝合金的腐蚀产物,腐蚀产物的存在抑制了Q235钢的腐蚀速度。以极化曲线拟合参数为边界条件,采用有限元法对5083铝合金/Q235钢电偶对模型表面的电位分布和电流密度分布进行模拟,模拟结果与实验结果基本一致。采用自制的应力加载装置对7050铝合金实验件施加恒拉伸应力,研究海洋环境因素(温度、盐度、p H)与应力载荷耦合作用对7050铝合金的失效行为影响。结果表明,拉伸应力越大,7050铝合金腐蚀速率越快。恒拉伸应力作用下,溶液中H浓度越高,铝合金腐蚀速率越快;不同盐度的溶液中,7050铝合金的腐蚀速率:2%Na Cl<3.5%Na Cl<6.5%Na Cl<5%Na Cl;不同温度的5%Na Cl溶液中,7050铝合金的腐蚀速率:25℃<45℃<35℃<55℃。表面形貌结果表明,腐蚀初期,由于铝合金表面的第二相与铝基体的电化学性质差异,其交界处会优先发生腐蚀形成腐蚀坑。随着腐蚀时间的延长,在应力和腐蚀环境的共同作用下,点蚀坑逐渐扩大,最后扩展形成裂纹。通过有限元方法,对不同拉伸应力作用对铝合金实验件腐蚀缺陷处的应力应变、阴/阳极表面电位和电流密度进行模拟。模拟结果表明,拉伸应力越大,腐蚀缺陷处底部的应力越大。随着施加应力的增加,腐蚀缺陷处的腐蚀电位逐渐负移,腐蚀电流密度逐渐增加。应力的施加加快了铝合金的溶解,从而加快了腐蚀速率。

关键词： 变齿高   热-力耦合   非线性   应力和变形  

摘要： 涡旋压缩机作为一种高效节能的容积式流体机械,被广泛应用于能源化工、医疗卫生等领域。在我国工业的飞速发展下,工业设备正不断向高温、高压以及高转速等极端工况下发展,这使得涡旋压缩机的工作环境更为复杂,对涡旋压缩机可靠性运行的要求更高。动、静涡旋盘的正确啮合是涡旋压缩机气体力提升和安全可靠运行的关键。在压缩机工作过程中,涡旋盘受各种载荷力的作用,主要包括温度载荷、气体力、离心力和摩擦力。涡旋齿在载荷力作用下发生变形引起的内泄漏及中心齿头粘连问题,直接影响着涡旋压缩机运转的可靠性及性能指标。因此,研究涡旋齿的应力和变形对提升压缩机的性能具有十分重要的意义。本文针对涡旋压缩机向高压比发展采用的变齿高结构,利用理论计算和数值模拟相结合的方法,建立了变齿高涡旋盘的数学模型和三维模型,得到了变齿高涡旋盘在非线性温度载荷、压力载荷及热-力载荷耦合作用下的应力和变形规律;通过三种常见材料变齿高涡旋盘应力和变形规律的分析和比对,确定了性能优良的涡旋盘材料。具体内容如下:(1)通过涡旋压缩机结构和工作原理分析,确定了涡旋压缩机的数学模型和结构尺寸;在运用Solidworks软件建立定齿高涡旋盘三维模型的基础上,基于吸气压力和排气压力确定齿顶和齿底尺寸及突变位置后,建立了变齿高涡旋盘的数学模型和三维模型。(2)借助建立的涡旋盘三维模型,求解并比对了相同吸气压力下,变齿高和定齿高结构各工作腔容积随主轴转角的变化规律及气体力的变化规律;并对变齿高动涡盘驱动轴承内深前后的倾覆力矩进行了比对。(3)借助Ansys软件对变齿高、定齿高动静涡旋盘和装配体在非线性温度载荷、压力载荷及热-力载荷耦合作用下的应力和变形进行了分析及结果比对,借助分析结果比对已有文献相关数值分析结论及实验结果,验证了仿真模型的正确性及数据的可靠性。(4)基于不同材料物理属性对大压比变齿高涡旋盘引起的变形差异性,分析铸铝、铸铜、铸铁三种材料动涡旋盘在非线性温度载荷、压力载荷以及耦合载荷作用下的应力和变形规律。

关键词： 冲击载荷   薄壁圆管   应力波效应   过载特性   动态屈曲  

摘要： 薄壁圆管结构的刚度大、质量轻、成本低、易于加工等优势,使其在汽车、轨道交通、航空航天以及军事等领域得到了广泛应用。在服役过程中,薄壁圆管结构会受到冲击载荷的作用,而冲击载荷作用下薄壁圆管结构中的应力波效应会对其动态响应产生重要影响。因此,研究轴向冲击载荷作用下薄壁圆管结构的应力波效应和过载特性,可为其设计和应用提供理论基础,并具有一定的科学研究意义。本文基于分离式霍普金森压杆动态加载装置,开展了薄壁圆管的应力波加载和质量块冲击加载工况下的动态压缩实验,并根据实验工况,建立了薄壁圆管的数值计算模型。在此基础上,研究了冲击载荷作用下薄壁圆管中应力波效应、过载特性及其动态屈曲机理,分析了撞击速度和撞击杆长度等因素对薄壁圆管动态响应的影响。具体研究内容如下: (1)采用分离式霍普金森压杆动态加载装置开展了应力波加载下薄壁圆管的动态响应实验研究,并建立了薄壁圆管的数值计算模型,数值计算结果与实验结果吻合较好。在此基础上,分析了应力波加载下薄壁圆管中的应力波效应及过载特性,且分析了过载惯性力对薄壁圆管动态屈曲的影响。结果表明:撞击速度较低时,由于应力波的反射和叠加效应,薄壁圆管的后端先发生动态屈曲,随着撞击速度的增大,薄壁圆管的屈曲首先发生在前端;应力波传播过程中,由于应力波波阵面应力差引起波阵面上质点加速度变化,所以薄壁圆管前端加速度响应时间要先于后端。 (2)开展了质量块冲击加载工况下薄壁圆管动态压缩实验,根据实验工况建立了数值计算模型,通过对比薄壁圆管屈曲变形,验证了数值模型的准确性。在此基础上,分析了质量块冲击下薄壁圆管的动态屈曲过程。结果表明:低速度撞击时由于应力波的叠加效应,薄壁圆管后端应变增大,并且随着应力波传播,薄壁圆管前端过载加速度响应时间早于后端;随着质量块冲击速度的增大薄壁圆管上应力波效应逐渐减小,质量块对薄壁圆管的轴向压力对薄壁圆管的屈曲起到主要作用。 (3)基于数值计算开展了冲击载荷下薄壁圆管动态响应影响因素的研究,讨论了撞击杆长度、撞击速度、壁厚等因素对薄壁圆管动态屈曲的影响。结果表明:撞击速度和撞击杆长度对薄壁圆管屈曲变形有较大的影响,随着撞击速度和撞击杆长度的增大薄壁圆管的屈曲变形随之增大;薄壁圆管的壁厚越小其屈曲变形越大。

关键词： 焊接接头   残余应力计算方法   残余应力松弛   残余应力重分布   疲劳裂纹扩展  

摘要： 广泛用于桥梁结构的低合金钢焊接接头,在服役过程中易发生疲劳失效,严重影响桥梁结构的安全性和使用寿命。在循环载荷作用下,焊接残余应力的松弛和重分布规律及其内在机理尚不明确,是焊接结构件疲劳定寿、延寿及损伤机理研究涉及的共性难题。本文以Q345B对接接头为研究对象,提出了等效残余应力的实时测量方法和残余应力分布的计算方法,系统研究了残余应力的松弛和重分布规律及其对疲劳裂纹扩展的影响机理。论文的主要创新性研究内容如下: (1)采用应变比为-1的恒应变疲劳试验,通过对比有、无残余应力试样的迟滞回线,基于线弹性叠加原理提出了一种在循环载荷下实时测量等效残余应力(测量区域内残余应力的均值)的方法。基于对疲劳迟滞回线的弹塑性分析,阐明了残余应力随循环周次和应变幅的松弛规律,提出了残余应力松弛的判据,建立了残余应力松弛量和塑性应变的线性关系。 (2)采用裂纹扩展路径垂直焊缝的C(T)试样,通过对比焊态和去应力接头试样的疲劳裂纹扩展曲线和载荷—裂纹张开位移曲线,基于叠加原理提出了裂纹尖端残余应力强度因子的计算方法。结合反权函数和离散化分析,提出了相应残余应力的计算方法,并通过X射线衍射测试验证了计算方法的有效性。采用一组缺口尖端与焊缝中心线距离不同的试样,并通过对比各试样的疲劳裂纹扩展曲线和计算得到的残余应力分布,阐明了残余应力随疲劳裂纹扩展的重分布规律。通过对比不同无裂纹韧带和不同厚度试样的疲劳裂纹扩展曲线和残余应力分布,明确了几何约束对残余应力分布的影响,揭示了疲劳裂纹扩展过程中残余应力重分布的机理。此外,结合重分布规律,建立了考虑残余应力重分布的裂纹闭合模型。 (3)通过对比焊态试样在不同循环载荷下的疲劳裂纹扩展曲线,结合载荷—裂纹张开位移曲线和DIC技术分析不同载荷下的裂纹闭合,阐明了塑性诱导裂纹闭合是残余应力影响疲劳裂纹扩展的主要方式。基于施加的最大应力强度因子对裂纹尖端塑性变形的作用,表明外载荷诱导残余应力会提高裂纹闭合水平。基于裂纹闭合模型,阐明了增加施加的最小应力强度因子会降低残余压应力的疲劳抑制效果,且明确了裂纹部分张开时外载荷对裂纹扩展的作用,优化了有效应力强度因子范围,揭示了残余应力对疲劳裂纹扩展的影响机理,建立了考虑残余应力的疲劳裂纹扩展模型。此外,通过对比施加不同预压力后焊接试样的疲劳裂纹扩展行为,阐明了施加预压力对残余应力分布的影响规律。

关键词： 结构力学状态监测   横梁   FBG传感器   动应力监测   载荷识别  

摘要： 以横梁为代表的高速列车关键结构发挥着承载乘客/货物、传递动力和保障乘客安全等重要作用。在服役过程中,关键结构不仅承担车辆自重,还会受到列车运行所带来的多种交变载荷作用,容易产生应力集中、过载和疲劳等,进而造成结构损伤,损伤的积累可能导致结构失效,对高速列车的长期安全运行提出了巨大的挑战。动应力和载荷监测是评估结构强度与预测疲劳寿命的基础,对于推动列车关键结构视情维修和保障运行安全具有重要意义。为此,以高速列车横梁结构为例,开展了高速列车关键结构的动应力监测与载荷识别技术研究,主要研究内容包括:(1)高速列车横梁结构的载荷识别理论研究。首先,针对高速列车横梁结构,分析了其在服役状况下的受载情况;进而依据结构动力学与模态理论,将线弹性多自由度系统的运动方程进行了解耦,研究了结构受载时载荷与应变响应之间的映射关系,提出了基于载荷-应变线性叠加的载荷识别方法;最后,基于推导的载荷与应变响应之间的映射关系,分析总结了载荷识别研究中所存在的不适定性问题,讨论了基于数学模型与神经网络的不适定性解决方案。(2)高速列车横梁结构的动应力监测系统构建。首先,以高速列车横梁结构为研究对象,采用SolidWorks与Abaqus软件建立了横梁的三维结构模型,利用HyperMesh对横梁结构进行了精细网格划分;然后,结合横梁结构的实际受力情况,对其进行了力学仿真研究,将横梁的受载区域离散化,分析了横梁在不同载荷作用下的应变分布规律,进而优化了传感器布局;最后,依据横梁的结构及服役情况,基于光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器设计了光纤光栅动应力监测系统,实现了横梁结构动应力/应变信号的采集、显示及存储。(3)基于载荷-应变线性叠加的横梁结构载荷识别方法研究。首先,研究了基于载荷-应变线性叠加的横梁结构载荷识别方法,明确了载荷-应变矩阵获取方法与载荷识别流程;然后,利用横梁结构的有限元模型,开展了不同幅值下的双载荷与多载荷工况的力学仿真研究,结果表明,基于载荷-应变线性叠加的横梁结构载荷识别方法具有较高的精度;最后,利用光纤光栅动应力监测系统,搭建了实验平台,设计了加载条件与实验流程,结果表明,基于载荷-应变线性叠加的载荷识别方法能够较好地识别横梁结构上的载荷。(4)基于神经网络的横梁结构载荷识别方法研究。首先,基于载荷-应变线性叠加的载荷识别方法,研究了改进的极限学习机(Improved Extreme Learning Machine,IELM)框架下的横梁结构载荷与应变响应之间的映射关系,提出了基于IELM的载荷识别方法;进一步,结合有限元仿真技术,获得了横梁在所有载荷位置下的载荷、应变响应数据,并在不同的噪声水平下,分析比较了所提方法与传统方法的载荷识别效果,结果表明,基于IELM的载荷识别方法具有更高的精度和更强的抗噪性;最后,搭建了实验平台并设计了实验流程,结果表明,基于IELM的载荷识别方法能够较好地识别横梁的任意位置的载荷。本文面向高速列车关键结构的力学状态监测需求,设计了基于光纤光栅传感的动应力监测系统,提出了基于载荷-应变线性叠加与神经网络的载荷识别方法,仿真和实验结果均表明该方法具有良好的载荷识别精度与抗噪性,成功实现了高速列车关键结构的动应力感知与载荷识别,对支撑高速列车的智能化运维具有重要的工程应用价值。