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关键词： 拓扑优化   多材料   应力   P范数   浮动映射  

摘要： 拓扑优化具有灵活的设计自由度,对提高结构性能、降低材料消耗以及推动结构创新设计具有重要意义。多材料拓扑优化可根据不同材料的物理特性,将合适的材料布置在合适的位置,可进一步提高结构性能并降低结构质量。但由于多材料应力拓扑优化涉及应力奇异性、局部性以及材料强度不一致性等问题,目前的研究还很有限。针对此问题,本文基于拓扑优化方法,开展多材料结构的应力最小化设计研究。主要研究工作如下: 基于浮动映射拓扑优化(Floating Projection Topology Optimization,FPTO)方法,在线性材料插值方案下,构建体积约束下柔度最小化的单材料拓扑优化模型和总质量约束下柔度最小化的多材料拓扑优化模型。分析推导相应的拓扑变量灵敏度,并建立多材料设计变量更新策略。数值算例表明,该方法可实现多材料的自动选择及自动分配,显著提高结构性能。 采用P-norm聚合函数近似最大应力,是解决拓扑优化应力局部性问题的常用手段,但随着凝聚程度的增加,应力非线性增强,优化的收敛性明显变差。为解决此问题,通过引入结构平均应力这一全局性评价指标,构建应力P范数和平均应力同时最小化的拓扑优化模型,对应力拓扑优化问题进行改进。数值算例表明,改进的应力拓扑优化方法可以有效消除应力集中现象,实现结构应力近似均匀分布,同时大大提高应力拓扑优化的收敛性和稳定性。 将改进应力拓扑优化方法推广到多材料结构设计,针对应力奇异问题,提出多材料应力反向惩罚策略,以结构应力比P范数和平均应力比同时最小化为目标,以结构总质量为约束,构建多材料应力拓扑优化模型。数值算例表明,该多材料拓扑优化方法,可对不同材料进行自动选择和分配,实现多材料结构应力比近似均匀分布,最大化各材料利用效率。

关键词： 超临界直流锅炉   水冷壁   应力   外加角钢   蠕变寿命  

摘要： “双碳”目标背景下,能源结构正发生着根本性变化,新型电力系统中,新能源占比例越来越高,大容量、高参数常规燃煤发电机组的服务性功能逐渐显现,近年来电力企业运行数据表明,以往承担基本负荷的大容量超(超)临界参数发电机组参与调峰愈发频繁,且调峰深度日益提高。运行条件的频繁改变增加了锅炉主要受热面水冷壁管失效的概率,进而导致机组非计划停机的次数增加,严重影响了电力生产的经济性和安全性。针对水冷壁运行中出现的拉裂问题,本文以某电厂在运行660 MW超临界参数燃煤发电机组W火焰直流锅炉为研究对象,基于多物理场耦合理论,通过Workbench平台研究了炉膛标高50 m处水冷壁在深度调峰背景下二维水冷壁管温度、变形量以及应力的分布情况;考虑到水冷壁管在运行过程中会出现管内结垢的情况,针对BMCR工况,模拟分析了不同垢层下水冷壁管温度、变形量以及应力的分布情况;为降低水冷壁管应力造成的拉裂故障率,设计了一种外加角钢结构,对比分析了外加角钢前后水冷壁管温度、应力等的变化,论证了外加角钢结构的可行性;建立了超临界直流锅炉水冷壁管蠕变寿命预测模型,将模拟得到的最大应力点处应力和温度带入拟合得到的方程,进而求出相应工况下的蠕变寿命损耗率。研究结果表明: (1)水冷壁在热负荷从30%BMCR到BMCR工况变化过程中,水冷壁壁面最高温度、壁面平均温度、最大变形量和最大应力值都会逐渐变大,在BMCR时最大。 (2)针对BMCR工况,水冷壁管内结垢时,随着水冷壁管内垢层厚度的增加,壁面的最高温度和最低温度均呈现上升趋势,且壁面最低温度与最高温度之间的差值随垢层厚度的增加而扩大,当垢层厚度达到1.5 mm时,壁面的最高温度已经接近12Cr1MoVG的许用温度上限;通过对比水冷壁向火侧、背火侧、水冷壁管与鳍片连接处、鳍片中心四个位置内外温差可知,管内结垢对水冷壁管与鳍片连接处两侧温差影响最大。 (3)通过对比30%BMCR到BMCR 6个工况下水冷壁壁面平均温度发现,外加角钢后壁面平均温度分别降低了7.56℃、7.8℃、7.96℃、8.02℃、7.64℃、6.98℃,降低了水冷壁管壁面上的温度梯度,该效果呈现先升高后降低的趋势,在60%BMCR左右时这种效果达到最佳;外加角钢后最大变形量对应减小了0.022 mm、0.026 mm、0.027 mm、0.032 mm、0.029 mm、0.024 mm,壁面最大等效应力分别减小5.72 MPa、6.19 MPa、6.51 MPa、7.03 MPa、6.34 MPa、6.07MPa。 (4)外加角钢后,不同垢层厚度下水冷管截面平均温度较未加角钢前,壁面平均温度分别减小5.52℃、3.93℃、3.58℃、2.99℃、2.51℃;较未加角钢时壁面最大应力分别减小了4.5 MPa、2.79 MPa、2.56 MPa、1.77 MPa、1.25MPa,外加角钢能有效降低水冷壁在高负荷工况下的最大等效应力,但这种效果随着垢层厚度的增加有所减小。 (5)水冷壁最大剪切应力位于水冷壁管与鳍片的连接处,温度偏差会导致水冷壁温度分布不均匀,进而增大剪切应力,增加了因剪切应力导致水冷壁拉裂的风险,外加角钢可以有效缓解最大剪切应力,能对水冷壁起到保护作用。 (6)管内结垢会造成水冷壁管与鳍片连接处温度升高,热应力随之升高,由此会造成该处蠕变寿命降低,严重影响水冷壁的正常运行,在实际运行中应加强对水冷壁管内结垢情况的监测并及时清理。外加角钢后相同工况下水冷壁蠕变寿命值变大,对水冷壁能起到保护效果。

关键词： 无铰拱   解析解   有限元模拟   应力分析   破坏机理  

摘要： 我国现存的古石拱桥为以圆弧形和抛物线形的拱轴线为主的无铰拱结构,具有相当的艺术价值与历史价值,然而由于环境影响和长期的荷载作用使得桥梁在不同部位出现程度不同的破坏,拱圈作为石拱桥的主要受力结构,其截面的受力状态直接导致拱桥的结构稳定性。而抛物线形和圆弧形无铰拱的拱圈内力解析解研究尚不完善,因此建立相应的内力解析解对研究拱圈的受力状态,石拱桥发生破坏的机理显得至关重要。 本文推导等截面圆弧形拱轴线无铰拱和等截面抛物线形拱轴线无铰拱结构的拱圈截面内力解析解,且应用于古石拱桥镇海桥,同时辅以有限元模型对镇海桥进行仿真建模和有限元计算,以验证推导出的等截面圆弧无铰拱内力解析解的准确性;对镇海桥单元进行划分,基于推导出的镇海桥内力解析解,建立单元拱圈截面的应力状态,分析单元截面应力数值与内力数值的关系,给出对应在拱圈特征点的位置;根据石拱桥砌体砂浆的力学特性、拱桥破坏理论和构建起的砂浆单元截面平面应力状态,研究了镇海桥可能发生失效的破坏机理,以及相应砂浆单元可能发生的破坏形式。综上所述,得到了研究结论如下: (1)根据常见的古石拱桥结构,建立拱圈内力计算模型,利用弹性中心法,推导出在均布荷载作用下,单位宽度上等截面圆弧拱和等截面抛物线拱的内力解析解表达式,可以用于工程中的快速计算。基于镇海桥古石拱桥工程实例,结合组成拱圈材料的物理力学特性和拱圈的结构,建立镇海桥理论计算模型,在推导出的等截面圆弧拱在均布荷载下截面内力解析解表达式的基础上,给出镇海桥受非均布荷载下任意拱圈截面的内力解析解表达式,同时将拱圈划分为30个单元,计算出每一个单元截面内力的数值大小,在拱脚处取得弯矩、轴力和剪力数值的最大值。 (2)根据圣维南原理设计5种不同的等效静力荷载组合作用在构建的镇海桥有限元模型,在集中荷载作用处的轴力和剪力有限元数值解会出现相应“跳跃点”,即轴力和剪力的变化趋势不发生改变,但数值大小出现显著差异,在集中荷载作用处的弯矩有限元数值解会出现相应“拐点”,即弯矩数值的变化趋势发生改变,相应点处取得的内力值与解析解求得轴力值误差较大,作为无效值,舍去上述点从而对有限元模型进行优化。基于进行模型修正后的拱圈截面有限元解和内力解析解的拟合,分析两者出现的极值点和最值点位置以及数值误差,证明了推导出的镇海桥拱圈截面内力解析解可以准确的描述拱圈截面内力的变化情况。 (3)将基于拱圈截面内力解析解的截面平面正应力数值与有限元解进行对比,证明了构建的平面应力分布的准确性,可以较为准确的反映拱圈单元截面应力状态;同时分析出截面正应力与截面内力的关系,拱脚处单元的负弯矩取得最大值处截面顶部边缘达到最大的压应力;在33°～39°单元截面处,弯矩对正应力的作用大于轴力,因此在此单元截面底部缘产生拉应力;在39°～42°单元截面处,弯矩的极小值点为截面顶部边缘正应力的极小值点;在72°处截面为弯矩的极大值点对应截面顶部边缘正应力的极大值点。 (4)基于砂浆的破坏模式和石拱桥的破坏机理,分析得出了镇海桥的失效机理以及砂浆单元失效的模式,即全拱出现7个塑性铰点,第一对塑性铰出现在拱脚砂浆截面处,第二对出现在39°单元截面处,第三对塑性铰出现在72°单元截面处,最终拱顶截面出现最后一个塑性铰,此时整个拱圈单元失效;11、12和30单元截面砂浆截面可能会发生由于砂浆剪切层滑移而砌缝发生剪切破坏。 该论文有图80幅,表19个,参考文献61篇。

关键词： 机场跑道   智慧感知模型   应力场   多点位移场   实时分析系统  

摘要： 跑道智慧感知系统的出现为机场运营带来了革命性的变化。通过安装在跑道周围的传感器,获取道面结构和跑道上飞机荷载等关键信息,这些实时监控数据可以帮助系统及时发现跑道可能出现的问题,提高了跑道的安全性。目前国内外机场,大多采用HWD来检测跑道的承载能力,但随着机场需求的增大,具有离散性大、效率低、时效性低等特点的HWD检测方法已不能满足现有机场的需求。因此,智慧跑道感知系统建设是未来机场发展的必然。为此,本文以某国际机场跑道为研究对象,基于跑道承载力检测的相关理论,分析飞机在起飞过程中跑道结构力学参数的变化规律,并建立基于力学参数智慧感知的实时分析系统。具体主要研究内容和成果如下: （1）参考现有智慧跑道的传感器的布置方案,在此基础上,分析了某智慧机场设计方案中传感器的埋设以及监测断面的选择位置的合理性。结果表明:每一截面包含14个压力传感器,10个加速度传感器,10个单点位移计,均匀分别在跑道中心两侧,同类传感器之间间距1m,压力传感器与加速度传感器间距0.5m,单点位移计处于压力传感器的正下方,该设计确保飞机在滑行过程中,轮胎正下方至少存在一个传感器,可精准地监测飞机起飞过程跑道结构的受力情况。 （2）建立不同道面平整度的四层体系有限元模型,依据动荷载系数随滑行速度的变化曲线,并以幅值曲线的形式将动荷载加载到四层体系有限元模型中,来模拟飞机起飞过程对道面的动态响应,并通过FAA试验数据验证有限元模型的可靠性。 （3）基于B737-500,分析了多因素如面层厚度H1、面层弹性模量E1、基层厚度H2、基层弹性模量E2、垫层厚度H3、垫层弹性模量E3、土基弹性模量E4对轮印正下方土基0、2、4、6m处最大变形量及最大动应力的影响,通过多种因素敏感度分析得知,E4和H1对土基多点位移的变形量影响显著,而E1、E2、E3、H2、H3影响较小。依据多因素分析,建立四层体系多点位移场和动应力场模型。 （4）在四层体多点位移场模型、动应力场模型和敏感度分析的基础上,对土基弹性模量E4、面层弹性模量E1进行反推,通过道面承载力计算,分别建立感知多点位移的承载力模型和感知应力的承载力模型,并通实测数据验证模型的有效性,为了实时分析系统编写提供了可靠的理论模型。 （5）基于跑道结构基顶处压力传感器数据与面层动荷载的关系建立了动荷载感知模块,同时依据已有的力学参数承载力模型建立了感知频率承载力模块、感知位移承载力模块、感知动应力承载力模块,通过高斯算法、MD5加密算法,结合WEB、数据库、大数据等理论知识,编写跑道实时分析系统。并从需求分析、系统设计、模块实现三个方面详细的阐述了跑道实时分析系统。

关键词： 双驴头抽油机   应力分析   故障分析  

摘要： 双驴头抽油机是从常规型定尺度机器发展而成的改进型变尺度机器,具备较小的附加动态载荷、较低的能耗以及更高作业效率,因此在大庆油田得到了广泛的应用和推广。然而,在实际运行过程中,双驴头抽油机常常出现各种故障,如柔性绳断裂、游梁断裂、减速器故障等,对双驴头抽油机整体运行稳定性具有直接影响。 本文的研究对象为双驴头抽油机,针对双驴头抽油机的故障问题,结合理论分析和现场测试的分析,具体内容如下: 1.基于抽油机悬点动力学经典理论,分析了双驴头抽油机的运动特性和悬点载荷,为下面的研究提供理论基础; 2.基于CATIA软件对双驴头抽油机进行模型建立,分别在不同工况下对双驴头抽油机的部分结构进行了应力分析和应变分析,并计算部件的疲劳寿命; 3.针对双驴头抽油机的后驴头柔性绳断裂问题,利用MATLAB软件对不同型号的双驴头抽油机后驴头轮廓曲线进行分析,研究分析磕绳机理,找出后驴头柔性绳断裂的原因; 4.针对驴头销轴断裂、游梁体撕裂性飞燕式裂纹等问题,运用检测技术,找出造成驴头销轴断裂、游梁体撕裂性飞燕裂纹的根本原因,并提出相应的改进措施。

关键词： 碳纳米管   应力   分子开关   非平衡格林函数方法   密度泛函理论  

摘要： 碳纳米管（CNTs）于1991年被日本学者饭岛澄男（Sumio Iijima）在用电弧法制备C60时发现。由于其具有稳定的准一维结构和优异的电学、力学性能,因而被认为是一种制备纳米线的理想材料,在分子器件领域具有广泛的应用前景。如何调控分子纳米线的电荷输运性质进而使其实现功能化是分子电子学研究的关键问题之一。本文采用密度泛函理论结合非平衡格林函数方法,系统地研究了（4,4）CNT双电极分子器件对应力的响应机理。本文的主要研究内容和结果如下: 1.径向单轴应力调控碳纳米管基分子器件输运性质的研究 当沿径向施加不同的单轴应力压缩碳纳米管时,器件的电导与应力呈负相关。而且,器件的电流对应力的响应也受到压缩方向的影响。碳纳米管的几何结构不仅在特定的压缩方向上出现对称破缺,导致其材料属性从导体转变为半导体,而且在这个特定的径向单轴应力作用方向上可以看到明显的π堆叠行为。更有趣的是,在低偏压下,分子器件的电流可以通过压缩碳纳米管电极实现完全切断,进而获得开关比高达10～3的显著开关行为。本文通过对能带结构、透射谱、前线分子轨道和透射路径的分析,揭示了这些现象的潜在机制。 2.径向双轴应力调控碳纳米管基分子器件输运性质的研究 为了进一步研究碳纳米管在径向双轴应力调控下其器件的输运特性,本文构建了两种双轴应力的构型。首先,我们将相互垂直的双轴应力施加在与坐标轴（X轴和Y轴）平行的方向上。在一定应力范围内,该器件的电导与应力呈负相关。但随着应力的增大,波函数显示出明显的π堆叠行为,在一定程度上造成了器件电流的抬升。当应力进一步增加,碳纳米管电极从导体属性转变为半导体属性,分子器件出现明显的开关行为,开关比高达10～6。其次,我们将径向双轴应力的施力方向绕碳纳米管轴向旋转15°后施加应力,发现碳纳米管电极不仅展现出半导体属性,而且其能带具有较大的带隙,能够实现纳米结电流在应力作用下的快速降低,从而设计出一种不受偏压限制的高效纳米开关。 3.轴向应力调控碳纳米管的电学性质 该部分分析了沿轴向施加不同应力拉伸碳纳米管的能带结构,并与已研究的单轴径向应力调控下的器件电极能带结构进行比较分析。由于轴向拉伸与径向压缩都令碳纳米管管径变细,使得轴向拉伸碳纳米管展示出与径向压缩类似的能带结构演变趋势和能带Bloch波函数空间分布。因此,理论上推断通过轴向拉伸碳纳米管同样可以设计出电导可控的分子器件。 本论文共有六个章节:第一章为绪论部分,主要介绍分子电子学以及本文研究的碳纳米管材料。第二章介绍本文所采用的理论计算方法,其中包括密度泛函理论和基于密度泛函理论的非平衡格林函数方法。第三章至第五章系统地介绍研究的内容和结果,阐明计算模型、方法以及相关结果。第三章探究了两种径向施力方向下,单轴应力对碳纳米管基分子器件电输运性质的影响,并分析了不同构型和不同压缩层间距出现高低电导和分子开关特性的内在机制。第四章研究了径向双轴应力调控下碳纳米管基分子器件的输运性质。第五章分析了轴向应力调控下碳纳米管形变对其能带结构的影响。这些电子输运性质使碳纳米管成为实现电导可控纳米器件的一种很有前途的候选材料。在第六章对本文研究工作进行总结,并阐述对未来工作的展望。

关键词： 印制电路板   倒装芯片封装体   翘曲变形   应力   有限元模拟  

摘要： 倒装芯片封装技术(Flip Chip Package)是实现超大规模集成电路(Very Large Scale Integration Circuit,VLSI)低成本和小型化的一种重要技术。印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)作为电子设备的主要载体,是现代电子设备中不可或缺的重要组成部分。但是由于树脂固化收缩和各组件材料热膨胀系数不匹配的问题,导致倒装芯片封装体和PCB在制造和组装过程中经历温度变化产生翘曲变形。本文对倒装芯片封装过程、PCB制造过程、PCB和倒装芯片封装体的回流焊组装及底部填充过程等多过程的应力应变和翘曲进行研究,评估上述工艺过程中各部件的可靠性问题,对集成电路科学研究和工业应用具有重要价值。 首先,本文建立了倒装芯片封装体的四分之一模型,基于热化学理论,利用有限元分析软件ABAQUS和二次开发子程序USDFLD、HETVAL计算得到倒装芯片封装过程中固化度和温度结果。本文采用顺序耦合的方法,将固化度场和温度场导入到应力应变分析中,计算倒装芯片封装体的应力应变场和位移场。结果表明,在倒装芯片封装过程中,底填胶和环氧塑封料的固化收缩是导致倒装芯片封装体发生翘曲的根本原因,在降温过程中,各部件冷收缩不一致会加剧倒装芯片封装体的翘曲变形。利用各部件之间的界面应力评估倒装芯片封装体不同温度下的危险界面位置。研究了环氧塑封料固化和后固化工艺过程中降温速率对应力的影响。结果显示,降温速率越快,环氧塑封料的应力越大。利用子模型技术,选取全局模型中多部件接触的应力集中区域,细化网格,精确地还原倒装芯片封装体结构,得到的结果与全局模型结果进行对比。结果表明,利用子模型技术得到的模拟结果应力分布更加均匀,各部件的应力对比全局模型也有了减小。 然后,建立了厚度方向上分层、布线层面内分区的PCB有限元模型,参考实际工艺流程对PCB压合-后加工-回流焊过程中PCB的翘曲变形演变机理进行研究。布线层树脂面内不均匀、厚度方向不对称固化收缩是造成PCB在压合过程产生翘曲变形的根本原因。在回流焊过程,各材料在升降温过程热膨胀系数不匹配是造成PCB发生翘曲的重要原因。将在回流焊过程得到的PCB翘曲结果与实验结果进行对比,结果表明,PCB的实测翘曲形貌与模拟翘曲形貌高度符合,回流焊过程九个温度节点下PCB实测翘曲值和模拟翘曲值的误差分别为为11%、1%、2%、5%、3%、4%、12%、3%、5%,最大不超过15%。将PCB对角线方向剖面上节点位移的模拟结果与实验结果进行对比,结果表明模拟结果与实验结果差异较小且整体趋势基本符合。证明本文建立的PCB有限元模型是可靠的。 最后,建立了包含PCB、倒装芯片封装体和球栅阵列(Ball Grid Array,BGA)焊点(Solder Joint)的有限元模型,研究PCB和倒装芯片封装体回流焊组装过程中PCB和倒装芯片封装体的应力及翘曲。在回流焊过程,PCB和倒装芯片封装体的翘曲值均与温度呈正相关关系。在BGA焊点激活前,PCB与倒装芯片封装体未建立机械连接,PCB和倒装芯片封装体处于自由变形状态。BGA焊点激活后,PCB和倒装芯片封装体的翘曲变形相互约束,倒装芯片封装体的翘曲形貌逐渐与BGA区域的翘曲形貌趋于一致。在回流焊结束时刻,倒装芯片封装体各部件和BGA焊点阵列的最大应力点均处于各部件边角位置。应力振荡受到温度振荡的影响,各部件的应力-时间曲线与温度-时间曲线趋势相同。PCB、倒装芯片封装体和BGA焊点继承回流焊过程的应力应变历史,对底部填充过程进行有限元仿真。结果表明,PCB和倒装芯片封装体的翘曲值随温度升高而增大,随温度下降而减小。底填胶的固化收缩造成倒装芯片封装体的翘曲值减小,但对PCB的翘曲值无显著影响。

关键词： 气体冷却器   应力分析   参数化分析   优化分析   疲劳分析  

摘要： 气体冷却器是一种以空气为冷却介质的热量交换装置,被广泛应用于化工领域。目前,气体冷却器的设计依然主要是以GB150为设计准则的常规设计法。常规设计法是以弹性失效为准则进行设计的,该设计方法简明、但不臻合理且偏保守。气体冷却器的管板以及壳体接管等结构,由于它们承受的载荷较为复杂,因此,经常会发生断裂、疲劳失效等事故。针对此类问题,本文运用JB4732中分析设计的方式,对管板以及壳体接管结构进行应力分析并提出结构优化方案。本课题具体研究内容如下: (1)建立管板结构的有限元简化模型,利用热-结构耦合的分析方式对管板进行应力分析,找出管板的应力分布规律。按照JB4732标准中的强度校核要求,对管板的一次应力、二次应力及总应力进行线性化分析以及应力评定。 (2)利用ANSYS中的Parameters Correlation模块对管板的布管方式、压力和温度载荷等工艺参数以及管板厚度等影响因素进行参数化分析,基于分析结果,对管板进行了优化设计,成功地将管板厚度降低了31.67%,从而达到了经济和安全的双重目标。 (3)建立接管的有限元模型,并利用ANSYS静力学模块对壳体接管结构进行应力分析以及疲劳强度分析。针对模拟结果进行了优化设计,得出两种优化方案,为后续学者进行接管设计提供了理论依据。 综上所述,本文在满足工程设计的前提下,对气体冷却器的管板以及壳体接管进行了应力分析以及优化设计,达到了经济和安全兼顾的目的,为以后的气体冷却器的设计提供了切实可行的理论依据。

关键词： 急停起跳   助跑速度   生物力学   有限元   应力  

摘要： 研究目的:急停起跳是篮球项目中最主要的技术动作之一,本研究综合采用实验和建模仿真的方法,分析不同助跑速度对篮球运动员急停起跳动作中的中枢脚膝关节应力分布的影响,为篮球运动员及篮球运动爱好者制定更加科学合理的训练计划,降低运动损伤风险,为提高运动安全性提供建议与参考依据。 研究方法:本研究使用文献资料法,对相关研究文献整合分析,确定实验方案和研究指标。使用实验法,选取14位武汉体育学院篮球运动员为实验对象,使用Vicon三维运动捕捉系统和Kistler测力台采集进行急停起跳动作时的运动学和动力学数据。利用Visual 3D下肢模型和有限元模型分析膝关节骨组织的应力分布情况。 研究结果:三种助跑速度条件下,VGRF峰值分别为:慢速助跑(3.15±0.54B.W)、中速助跑(3.34±0.75B.W)、快速助跑(3.79±0.78B.W)。VGRF峰值时刻膝关节运动学特征分别为:慢速助跑(中速助跑、快速助跑)膝关节屈曲角度为68.81±7.79°(68.15±9.45°、63.06±10.55°);慢速助跑(中速助跑、快速助跑)膝关节屈外展角度为12.90±5.91°(12.00±5.45°、8.21±5.82°);慢速助跑(中速助跑、快速助跑)膝关节外旋角度为16.84±8.43°(15.62±5.42°、13.97±6.55°)。中枢脚膝关节膑骨软骨的最大应力(1.0355MPa、2.651MPa、7.9282MPa);股骨软骨的最大应力(2.5262MPa、3.0932MPa、5.8364MPa);内侧半月板的最大应力(4.6506MPa、8.8522MPa、10.498MPa);外侧半月板的最大应力(6.0268MPa、7.8716MPa、10.364MPa);内侧胫骨软骨的最大应力(0.8269MPa、1.4305MPa、2.6768MPa);外侧胫骨软骨的最大应力的最大应力(0.9349MPa、2.0396MPa、4.2852MPa)。 研究结论:助跑速度越快,VGRF峰值和VLR越大,会导致膝关节受力过大。在慢速助跑情况下,出现应力集中现象,长期的应力集中会提高膝关节患慢性损伤风险。快速助跑会改变动作模式,导致膝关节屈曲力矩明显增加,从而增加ACL的负荷。双侧半月板应力峰值明显高于膝关节软骨,表明半月板承受和传递了绝大部分负荷,这也提示该部位损伤风险最大。

关键词： 超超临界火电机组   安全阀   结构设计   计算流体动力学   应力分析   流动性能  

摘要： 超超临界火电机组已成为我国发电领域的主力，作为机组关键部件的安全阀是机组安全高效运行的重要组成部分，保障机组不超过指定压力，防止设备因高压发生故障及事故。目前我国高端阀门的整体技术水平相对较低，绝大部分长期依赖进口，因此，吸收国外先进的技术和经验，设计一种适用于超超临界特殊工况的新型安全阀，并评估其可靠性具有重要的实际意义。本文通过理论设计、数值模拟、试验验证三种方式对超超临界安全阀进行了设计和分析，具体包括以下内容和结论:　　（1）通过分析各类安全阀特点，根据超超临界火电机组的特殊工况和要求，本文设计了一种弹簧直接作用式安全阀，这种安全阀具有结构简易、动作流程简单、使用可靠、能够精确控制等优点;根据相关标准，采用理论计算的方式获得了安全阀排量、排放反力、排放压力、回座压力以及满足强度要求的阀体壁厚等关键参数。　　（2）基于流体力学方法及稳态模拟技术，建立高精度流体仿真模型，对安全阀进行CFD（Computational Fluid Dynamics,计算流体动力学）分析。获得了安全阀在不同工作状态下的压力、温度、马赫数以及流线变化的流场特性，发现不同压力工况下的安全阀内部流场分布基本一致;其中帘面通道是流体流动特性的主要表现区域;在工作过程中阀门出口出现了超音速流域，表明蒸汽排放速度较高，即排放系数较大，阀门能够较好地实现泄压能力，验证了所设计拉法尔原理阀座的工作能力。　　（3）计算了安全阀在不同压力下的升力与排量，结果表明安全阀能够在理论设计的排放压力、整定压力、启闭压差为7％的回座压力下有效响应;发现排量随开度成线性变化，为预测安全阀在不同工况下的泄压能力，建立了压力与排量数学模型。并根据内部流场温度变化对安全阀结构模型进行加载，分析了高温工况对安全阀结构的影响，发现高温主要集中阀体、阀座上，而冷却器对于阀门上半部分结构具有47％的温度阻隔作用，弹簧部位不会受到排放蒸汽的热影响，表明本文采用的冷却器结构在工作中的有效性。同时考虑高温会导致安全阀承压件（阀体、阀座）强度降低，将以上研究获得的压力、温度等载荷等效到安全阀承压件上进行有限元应力分析，得出的应力分析结果均在限制值以下，进一步验证了安全阀结构强度的可靠性。　　（4）建立合理的方案进行试验，试验得到的位移及压力随时间变化的曲线平缓稳定，没有出现剧烈的震荡，并且能够对系统中的压力变化做出迅速且可靠的响应，表明本文设计的安全阀能够在设定的压力范围内有效地打开和关闭，向系统提供所需的压力释放保护。并分析了试验与仿真升力对比曲线，发现各开度下的仿真升力均大于试验升力，但整体趋势保持一致，且最大误差为5.06％,在允许的误差范围内，验证了数值模拟技术研究安全阀流动性能的准确性。