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关键词： 选区激光熔化   航空薄壁件   温度场   应力场   表面质量  

摘要： 铝合金薄壁件具有材质轻、强度高、耐腐蚀性好及疲劳强度高等特点,可实现航空装备的轻量化、长寿命、以及优良的力学特性。采用传统的加工工艺面临复杂结构成形难、生产效率低及材料浪费严重等问题,而选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术采用“点-线-面-体”的成形机制且无需采用辅助装置的成形方式可以较好的解决这些问题。然而,SLM成形过程涉及复杂的物理化学变化,且材料周期性的受到快速加热和冷却,使得产品易产生与温度演化和应力演变高度相关的裂纹、孔隙、变形等缺陷。因此,探究SLM成形过程温度及应力演变规律,进而优化工艺参数以及扫描策略实现宏观调控薄壁件变形与表面质量问题是本文的主要研究内容。具体如下: 首先,本文搭建SLM成形AlSi10Mg薄壁件仿真模型,通过全因子实验通过测试薄壁件熔池尺寸、残余应力及表面形貌分析对仿真模型进行校正与验证,保证仿真模型的可靠性;然后,深入分析AlSi10Mg薄壁件成形过程温度场演变机制与加工工艺之间的联系。研究结果表明:SLM成形过程道内、层内存在预热现象,在激光热源换向时,会形成多个热影响区;不同工艺参数下,熔池的峰值温度随着激光功率的增加而增大,随着扫描速度的增大而减小,增减幅度分别为19.6%和8.2%,而扫描间距对熔池热行为影响较小;熔池尺寸、熔池寿命和激光功率呈正相关,和扫描间距、扫描速度呈负相关。分区扫描监测点的峰值温度及层间重熔效果最佳,层间换向扫描的重熔效果较差;较短的扫描线不利于产生均匀的温度分布,不同扫描长度对中间节点的峰值温度、熔池特征影响最大。 然后,在温度场研究的基础上,进一步分析加工工艺对薄壁件残余应力分布及热应力演变的影响。其中,粉末床热源中心点呈压应力,四周呈拉应力;激光扫描方向的应力大于垂直方向,是造成零件损坏的主要应力。加工过程热应力受能量密度影响,能量密度越大,热循环退火作用释放应力越明显;残余应力随着激光功率、扫描速度和扫描间距的增大呈增大趋势;分区扫描成形件的残余应力较小,应力主要集中在区域搭接处;层间换向扫描成形件的残余应力最大,残余应力峰值处于易产生缺陷的零件侧面;残余应力和扫描长度呈正相关,结合三向应力,当扫描长度为1.2 mm时,成形件的应力分布最佳。 最后,在得出薄壁件成形过程热力演变理论的基础上,结合实验对薄壁件的表面质量进行研究,通过观察不同工艺成形薄壁件表面SEM图发现,较大激光功率或者较小扫描速度和扫描间距使作用于粉床的激光能量密度增大,零件表面出现过烧、飞溅现象;反之,激光能量密度不足,粉末熔化不充分,出现球化、孔隙等现象;综合分析得到最佳工艺参数组合为激光功率340W,扫描速度1200mm/s、扫描间距140μm。

关键词： 既有框架桥   顶出施工   挖土厚度   顶推力   应力   应变  

摘要： 以上海局萧甬铁路73号桥改扩建工程为例，采用逆向顶推技术拆除既有框架桥。为了研究拆除既有下穿式框架桥顶出过程中框架桥自身及土体应力-应变的变化规律，文章采用ABAQUS有限元软件建立了依托工程框架桥与土体的三维模型，并进行了数值分析研究，根据实际顶推拆除施工中框架桥两侧路基挖土厚度的变化情况，模拟了挖土厚度分别为0 m、1 m、2 m的三种框架桥顶出工况。研究结果表明，三种工况的顶推力-位移曲线均可以分成两个阶段，在第一阶段末静摩擦力转为滑动摩擦力时，顶推力到达最大值；顶出过程中框架桥底部的应力分布近似于正态分布，应力随路基挖土厚度的增大而减小；路基挖土厚度的增大可以降低框架桥侧面的土压力，有效减小路基在顶推过程中的变形；在整个顶推过程中，框架桥体的最大应力、应变小于结构体的混凝土的极限应力、应变。相比传统的人工拆除、机械拆除和绳锯法，这种顶出拆除的方法具有经济、安全和社会效益高的优势，值得借鉴和推广使用。

关键词： 高速永磁电机   张力缠绕   应力分析   粒子群算法  

摘要： 高速电机体积小、转速高、转子转动惯量小,可直接与负载相连,这些特点赋予了其高功率密度和快速动态响应等优点,使其表现出与传统电动机截然不同的优势。高速电机已被广泛地应用于航天、国防、日常生活等领域。然而,电机转子中的永磁体结构抗拉应力较小,在高速运转无法承受离心力时而损坏,从而对电机的整体性能和运行稳定性产生不良影响。为了解决这些问题,本文提出了一种含磁性护套的高速永磁电机转子拓扑结构,并以一台100k W、20000r/min含磁性护套的高速永磁同步电机为研究对象,分析缠绕张力对转子强度的影响。同时,为了提高转子的可靠性,尽可能减少烧结永磁体的使用,对转子结构进行优化设计。本文的主要研究内容如下: 首先,对电机的电磁性能进行校核,以保证电机的磁性能符合设计要求。采用小变形理论与弹性叠加原理对转轴、永磁体、磁性护套的应力进行理论推导。对恒定张力缠绕、恒定力矩缠绕、锥度张力缠绕和等应力缠绕进行对比分析,确定最佳的缠绕形式。分别通过等效温度场法和生死单元法来模拟缠绕张力的施加和逐层缠绕的过程,在此基础上建立了复合转子张力缠绕有限元模型。 其次,通过改变温度来改变缠绕张力的大小,以实现施加不同恒定张力和等应力。在此基础上,详细分析电机转子静止状态(缠绕完成时)、冷态额定状态(22℃、20000r/min)、热态超速状态(150℃、24000r/min)三种情况下,不同恒定张力、不同等应力和不同磁粉占比对电机转子强度的影响规律,并将不同恒定张力与不同等应力对电机转子强度的影响规律进行对比分析。 最后,由于永磁体的抗拉应力较小,为了提高电机转子结构的可靠性,尽可能减少烧结永磁体的使用,对电机转子结构进行优化。确定优化变量、优化目标和约束条件;通过拉丁超立方法进行样本点采集,构建Kriging代理模型,并结合粒子群优化算法对其进行优化。通过对比分析优化前后电机的电磁性能与力学性能来验证所提出优化算法的有效性。

关键词： 激光熔覆修复   铁基自熔性合金   数值模拟   温度场   应力场  

摘要： 激光增材制造技术具备高能量密度、可控的热输入量以及优质的成形件表面,因此在再制造修复领域有着非常广泛的应用前景。然而,在激光熔覆修复成形过程中,由于瞬时的熔化凝固过程,会产生很高的温度梯度,引发热应力,产生弯曲、翘曲等形状变形,对修复件的尺寸精度会有严重的影响。激光增材再制造修复实验的影响因素众多,仅依靠实验研究的方法耗时且成本高昂。因此,采用数值模拟的方式来研究激光增材再制造修复铁基自熔性合金具有重要的研究意义。 本研究利用ABAQUS有限元分析软件,建立了激光熔覆修复过程中温度场和应力场的数学模型。通过采用单元生死技术对激光熔覆修复铁基自熔性合金的温度场进行数值模拟,研究了激光功率、扫描速度以及热源半径对温度场的影响规律,并分析了修复件内部节点的热循环特性以及温度梯度的分布。在温度场模拟的基础上,通过热力耦合方法对应力场和残余变形进行数值模拟,研究了不同工艺参数、激光扫描方式以及修复基体预热对激光熔覆修复应力场和残余变形的影响。 通过离散元法的基本原理,生成了粉末群模型,并结合计算流体动力学来分析激光熔覆过程中产生的熔池的物理现象。在Fluent流体软件中,通过建立仿真分析的数学模型,并结合导入的金属粉末几何模型,材料参数,旋转体热源,建立了介观模型。着重研究了激光熔覆过程中粉末颗粒受高温熔化形成熔池和熔道形成过程中的物理现象,以及激光参数对熔道形貌和熔池的影响。能够更好地理解介观熔道的形貌以及其中涉及的各种物理现象,为优化激光熔覆修复技术提供重要的理论支持。

关键词： 缸体铸件   铸造缺陷   模拟   补焊   工艺优化   温度场   应力场  

摘要： 汽轮机缸体在铸造凝固过程中因形状复杂和产品尺寸大极容易产生各类铸造缺陷。这些缺陷若不通过补焊技术有效修复,将严重影响铸件的力学性能和使用寿命。采用Simufact Welding焊接模拟软件,对ZG20Cr Mo V材料的汽轮机缸体铸造缺陷补焊工艺进行了深入研究和优化。旨在减少补焊过程中因温度场分布不均匀导致的残余应力,避免产生二次缺陷。 根据实际铸件缺陷尺寸,建立基体缺陷模型。首先对设定的两种补焊方案进行工艺选优。通过补焊过程中各个阶段的温度场分布情况,分析了补焊熔池的热影响区范围随补焊进程变化的特点,根据补焊结束时的瞬态温度场分布分析补焊结束时的热分布,进而确定出较优方案。后根据选出的较优方案的补焊温度梯度变化以及插入特征点的补焊温度曲线变化,分析原方案工艺参数的不足之处。然后,根据模拟补焊过程中的应力场分布图,分析补焊过程中可能会发生的应力集中和应力变形。最后根据分析结果,优化了较优方案的具体工艺参数。在研究过程中,本文深入探讨了补焊过程中温度场的变化规律、熔池的形成特点以及热影响范围,同时也对补焊后的应力分布进行了细致分析。研究结果表明,补焊过程中,堆积层之间存在明显的热处理效应,并且对这种多层多道的补焊工艺来说,具体工艺参数的选择非常重要,若不进行工艺优化极大概率会造成焊接裂纹缺陷。期间针对未优化及优化后的工艺进行实际补焊操作,验证上述模拟结果分析。经验证得知,未优化的工艺的确会产生补焊缺陷。优化后工艺补焊区域经X射线检测并未发现缺陷,满足工艺要求。再次证明,补焊时的工艺参数会严重影响补焊质量。 本文的研究成果为所在企业汽轮机缸体铸件的铸造缺陷补焊工艺提供了理论支持和实践指导。显著提高了铸件修复的效率和质量,保障了铸件在严苛的工作条件下的稳定运行。

关键词： 煤岩钻孔   外平钻杆   应力分析   疲劳寿命   有限元分析  

摘要： 本文旨在深入研究煤岩钻孔外平钻杆的应力分布及疲劳寿命问题,为提升煤炭开采的效率和安全性提供理论支撑和实践指导。通过准确分析钻杆在各种工作条件下的应力状态,能够预测并预防钻杆疲劳失效,进而延长钻杆的使用寿命,减少井下事故,提升经济效益。 研究动机源自于当前煤炭开采中对钻杆性能要求的不断提高,而现有研究在钻杆应力分析和疲劳寿命预测方面上考虑的因素不全面。本文将理论分析和实验相互验证,基于弹性力学、疲劳力学等理论,通过ANSYS有限元软件对钻杆在不同工作条件下的应力分布进行模拟,并结合实验台对模拟结果进行验证。通过研究解决传统分析方法中难以准确预测钻杆应力分布和疲劳寿命的问题,取得显著的成果。 本文的主要工作和成果包括: 1)提出基于有限元分析的钻杆应力计算方法,有效测验不同杆长、转速、扭矩和轴向力下的钻杆应力分布; 2)通过ANSYS验证钻杆有限元分析结果的准确性,为钻杆疲劳寿命研究提供可靠的数据支持,并对钻杆的接头处的结构进行了优化,提高了钻杆的疲劳寿命。 3)建立钻杆疲劳寿命预测模型,分析影响钻杆疲劳寿命的主要因素,为钻杆的优化设计和合理使用提供理论依据。 4)优化了钻杆接头的结构,与普通钻杆接头相比,高抗双台阶钻杆接头的疲劳寿命提高了1.26倍。 本文的研究不仅深化对煤岩钻孔外平钻杆应力分布和疲劳寿命的认识,也为提升煤炭开采的安全性和效率提供有力的技术支撑。未来可进一步拓展研究范围,考虑更多实际工况因素,优化钻杆设计,以实现更高效的煤炭开采。

关键词： γ-Fe   腐蚀介质   S   Cl   合金化   应力   电子功函数   第一性原理  

摘要： 采用第一性原理计算方法研究了S、Cl在γ-FeM(111)(M=Cr、Ni、Mn、Mo、Cu、Ce)表面的吸附及其引起的腐蚀，以及拉、压应力对体系表面结构稳定性的影响。计算结果表明：S、Cl在γ-Fe(111)表面最容易吸附于hcp位和fcc位，S和Cl吸附表面的电子功函数降低，耐蚀性能减弱。合金元素Cr、Ni、Mn、Mo、Cu、Ce与γ-Fe(111)构成的表面耐Cl腐蚀；Mo、Cu和Ce可以同步提高γ-Fe(111)表面的抗S、Cl腐蚀能力。压应力作用下，S、Cl吸附的γ-FeM(111)(M=Cr、Ni、Mn、Mo、Cu、Ce)表面的电子功函数增大，而拉应力下使得表面电子功函数减小，S、Cl吸附与拉应力共同作用将大大降低体系的耐蚀性。

关键词： 电工钢   单片测量法   有限元法   温度   应力   自适应遗传算法  

摘要： 电工钢作为电力行业当中最常用的软磁材料之一,主要用于制作变压器和电机的铁心。铁心在设计、制造以及运行期间存在磁、热、结构力场相互耦合的问题,这使得标准磁特性测量所得数据与实际不符,而电工装备中磁材料完备的磁特性数据又是电工装备产品研发、设计与优化的基础,也是有效建模和仿真的根本保证,为此本文在标准单片测量装置基础上改进了励磁结构,设计出温度和应力耦合的单片磁特性测量装置,并验证了该装置准确性与可行性。 首先,在标准单片测量装置基础上改进了磁路结构,同时为防止在施加应力时样片发生弯曲形变而导致受力不均匀的情况,添加了聚醚醚酮材质制成的防弯曲夹件,设计出多物理场下单片磁特性测量装置的基本结构。 其次,构建多物理场下单片磁特性测量装置的有限元模型并结合COMSOL和MATLAB联合仿真,利用所提出的自适应遗传算法对励磁结构中的磁轭、线圈尺寸参数进行优化,最终选出合理的尺寸参数,完成对励磁结构的优化设计。 最后,依据优化结果,搭建实际运行工况下温度和应力耦合的单片磁特性测量平台。并通过结合仿真与具体实验,分别对单片磁特性测量装置在不同环境温度下与不同应力下的损耗测量结果进行了研究,证明该装置具有可行性与准确性的同时,并归纳出多物理场下电工钢片复杂磁特性的变化规律。

关键词： 蒸汽发生器传热管   支撑板   应力   RPI壁面沸腾模型  

摘要： 蒸汽发生器是压水堆中用于连接一二回路的枢纽设备,既能导出一回路堆芯产热,又能作为实体屏障防止一回路放射性物质外泄,同时还是一回路的承压边界,工作环境极为恶劣,使得蒸汽发生器极易发生事故。因此对蒸汽发生器的流场与传热管结构的研究极其重要。 鉴于蒸汽发生器工作环境的特殊性,难以通过实际测量与实验的方式获得流场的流动参数与传热管的应力分布特征。本文以堆芯寿期初的CPR1000压水堆蒸汽发生器为研究对象,建立自然循环。通过耦合一二次侧流体域与固体传热管间的换热得到温度、压力、含汽率等关键流场参数分布规律,并将流场参数作为载荷导入结构分析模块,计算传热管所受应力的分布规律。通过CFD软件计算流体与固体间的耦合换热,得到一二次侧的流场条件,并将流场结果作为初值通过结构分析模块得到应力分布规律。 首先本文基于欧拉-欧拉两流体模型建立二次侧循环过程,采用热相变模型描述两相流体间的质量传输,通过对比使用RPI沸腾模型与不使用RPI壁面沸腾所得一次侧的温度与实际运行温度进行可靠性验证,结果表明采用RPI壁面沸腾模型的温度分布与实际误差极小,最大相对误差小于0.5%,验证了壁面沸腾模型对于立式U型蒸汽发生器的适用性,并分别计算了75%、50%运行工况,验证了计算模型适合各工况下的数值计算。后续建立了含有支撑板的蒸汽发生器模型,采用同样的数值计算方法,将所得结果与不含支撑板的蒸汽发生器热工参数作对比,得出如下结论:支撑板的存在使二次侧流场发生突缩突扩的周期性变化,流体流经支撑板时,会产生回流、射流和涡流,对于局部换热起到了强化作用,但也加强了流场扰动在支撑板附近会产生较大的横流速度,对支撑板的稳定性产生较大影响;同时由于流道的突缩使流速变大,流体迅速掠过传热管表面,对流换热强度增大,壁面沸腾的强度减小,使支撑板位置的含汽率下降,同时流通面积的改变使该位置会产生较大的阻力损失,流体流经支撑板区域时产生阶跃性压降。 本文所得的流场结果与实际的运行试验结果吻合度高,以流场计算结果作为初值导入结构分析模块,对传热管的热应力和机械应力进行分析,结果表明:在传热管与支撑板的间隙位置有较大的热应力和耦合应力集中而机械应力相对较小,因此高温条件是使该位置极易发生应力腐蚀进而造成传热管的磨损破裂的关键因素。

关键词： 偏置非正交面齿轮   数控插齿仿真加工   接触分析   修形   应力分析  

摘要： 面齿轮传动副由于具备准确的扭矩分解、尺寸小、重量轻、对安装误差不敏感等优越性能,而被广泛应用于武装直升机的主减速器中。为了进一步降低武装直升机主减速器的尺寸和重量,以及探索偏置非正交面齿轮传动副在民用高速、重载传动装置中应用。本文基于齿轮几何学、插齿加工原理、局部接触理论、加载接触分析理论、赫兹点接触理论、有限元应力分析理论,对偏置非正交面齿轮传动副的精确设计、数控插齿仿真加工、接触特性和传动误差分析、修形、赫兹点接触应力分析以及有限元接触和弯曲应力分析进行了综合研究。 精确设计了齿顶不带圆弧的插齿刀展成和齿顶带圆弧的插齿刀展成的偏置非正交面齿轮传动副。利用MATLAB验证了其在大功率传动装置中完全满足弯曲应力要求。通过UG进行接触仿真分析,发现只齿数差修形的偏置非正交面齿轮传动副同样存在边缘接触;在VERICUT中,对比精确设计方法和传统方法所得插齿刀仿真加工偏置非正交面齿轮,得出用精确设计方法所得插齿刀的加工精度更高,而且无任何过切和残留;对只齿数差修形的偏置非正交面齿轮传动副进行轮齿接触分析(TCA),得出偏置非正交面齿轮传动副与其它面齿轮传动副一样具有不受安装误差影响的优点;面齿轮工作齿面上接触迹线的倾斜程度随偏置距离的增大而增大,偏置非正交面齿轮传动副对相错角误差特别敏感,当偏置距离增大时,安装误差对接触迹线的影响也会随之增大。相错角误差对接触迹线的影响比偏置安装误差的要大;通过对四种算例的修形偏置非正交面齿轮传动副进行TCA研究得出只小齿轮齿向修形无法避免边缘接触;最后利用MATLAB和ABAQUS对算例偏置非正交面齿轮传动副进行了加载齿接触分析(Loaded Tooth Contact Analysis,LTCA)和有限元应力和赫兹点接触应力分析,得出在相同的弹性变形量下,从应力分析的角度出发,在高速、重载工况下,应该优先选择只小齿轮双冠修形的偏置非正交面齿轮传动副。