课程文献中心 更多>>

关键词： 激光熔覆   局部修复   数值模拟   温度场   应力场   界面性能   调控方法  

摘要： 对于地铁车轮来说,服役过程中轮轨接触行为复杂,局部损伤的激光熔覆修复区界面更容易遭受破坏,从而直接影响损伤修复后的使用效果。因此,必须系统开展车轮局部损伤激光熔覆修复界面性能影响因素分析,并由此揭示其性能调控方法,为轨道车辆车轮局部损伤激光熔覆工艺优化提供路径,确保损伤修复质量。研究目标是通过局部损伤激光熔覆修复地铁车轮试样在局部轮缘损伤下的情况,明确地铁车轮局部损伤激光熔覆修复区界面的失效形式及失效机理。研究方法通过构建外部能量场同步热场干预下的地铁车轮局部损伤激光熔覆修复过程的数值仿真模型,分析外部能量场参数与激光熔覆修复区界面组织结构及性能之间的调控关系;并且分析样品微观形貌和力学性能试验结果,优化完善外部能量场干预的地铁车轮局部损伤激光熔覆修复界面性能调控方法,并进行工艺固化。研究内容以地铁车轮局部损伤修复为研究对象,以激光熔覆修复区界面性能调控为目标,重点开展地铁车轮局部损伤激光熔覆修复区界面性能演变与失效机理研究,通过数值仿真分析探索外部能量场调控参数对修复区界面组织结构、残余应力分布、硬度、结合强度等的影响,揭示外部能量场调控参数与激光熔覆修复区界面性能最优的匹配关系。分析局部损伤激光熔覆修复涂层界面区域组织结构、残余应力分布、硬度、分界面结合强度等的演变规律。由此推演其调控方法,并进行工程化实验验证,对比分析其界面性能演变规律及失效机理,根据实验结果优化外部能量场调控参数;利用已优化的外部能场作用于真实地铁车轮表面局部损伤的激光熔覆修复过程,进一步优化界面性能调控参数,固化地铁车轮局部损伤激光熔覆修复界面性能调控工艺。具体研究结果为同步热场的温度会叠加整体温度场的温度,但最高值的温度不会叠加过高,3类温度参数下,最高值温度相差较小,但最低温度有很大提升,这有助于温度梯度的跨度值降低,保证了界面处的温度梯度的平缓,界面处的温度随时间变化图温度也随之增加,但最低温度与最高温度的差距更小,同步热场为200℃的仿真效果较好。随着同步热场温度的提升,等效应力的值减小,同时,法向应力的三个方向的界面路径应力要低于未添加同步热场的情况。随着同步热场温度的增加,熔覆层和界面处的组织分布均匀,呈现良好的冶金结合。同布热场辅助会使硬度随着温度的升高而增加,同时冲击韧性和拉伸性能有所降低,为了匹配车轮在日常服役中的原因,Fe基材料同步热场选在100℃有较优的表现,不锈钢材料选在200℃有较优的表现。

关键词： DD6单晶高温合金   组织演化   蠕变   应力分析   缺陷  

摘要： DD6合金是我国自主研究的第二代单晶高温合金,凭借着其屈服应力高,熔点高以及高温下抗疲劳性能好等特点,被广泛用于航空发动机部件中,但当高温合金中存在组织缺陷时,会使其力学性能大幅度下降。本文对有无缺陷的单晶合金进行蠕变测试、组织形貌观察并利用有限元方法对近缺陷区域的应力分布进行分析,所研究的工作和主要结论如下: (1)开展了DD6合金在有无裂纹缺陷条件下的组织形貌观察和蠕变性能测试并利用ABAQUS软件进行分析,研究当合金中有无裂纹缺陷和不同尺寸的裂纹对蠕变性能和组织演化的影响。分析结果表明:单晶合金中由于裂纹的存在寿命明显变短,应变量也明显降低,经过热处理后的单晶合金中γ'相嵌镶在γ基体中是以共格的方式,单晶合金蠕变后γ'相转变为N型筏状组织。在裂纹附近筏状γ'相出现较大的扭曲,随着蠕变的继续,沿着γ'相界面裂纹发生扩展,可以看到在大裂纹的周围还有微小裂纹存在。在裂纹尖端极值点处有最大应力值,并随着蠕变的进行变大,沿着与拉应力成45°角的方向应力更大,这是单晶合金中筏状γ'相沿该方向排列的原因。随着裂纹长短轴比值的增加,蠕变后在裂纹两侧极值点处的应力也随之增加。 (2)对有圆形孔洞缺陷和在圆形孔洞缺陷两侧有微裂纹的合金进行组织相貌观察和蠕变性能测试,并进行有限元分析。分析结果表明:当合金中存在圆形孔洞缺陷时,随着蠕变的进行,原本圆形孔洞转变为椭圆形孔洞,沿着与施加拉应力成45°角方向有微裂纹萌生。合金中圆形孔洞缺陷两侧带有微裂纹时,蠕变后靠近孔洞缺陷的筏状γ'相取向呈现流线型并与缺陷附近的边界平行,两侧的微裂纹发生扩展。合金中存在圆形孔洞时,沿与拉应力成45°角方向的应力更大,这是导致合金在与拉应力成45°角方向有微裂纹的原因。随着圆形孔洞半径的增加,蠕变后其最大应力也随之增加。 (3)对合金中存在的圆形、方形和椭圆形夹杂进行组织形貌观察,并通过有限元软件分别建立模型,分析不同尺寸、形状的夹杂缺陷对应力分布的影响。分析结果表明:在蠕变后方形夹杂和圆形夹杂的两侧存在应力最大值,随着圆形夹杂和方形夹杂尺寸的增加,在其两侧的应力值也随之增加,相同尺寸的椭圆形夹杂物长轴与施加载荷的方向垂直时,其极值点处的应力大于长轴与施加载荷的方向平行时。

关键词： 第一性原理计算   二维材料   应力   电子结构   力学性质  

摘要： 石墨烯的发现及其非凡性能引起了人们对二维(2D)材料的广泛研究兴趣。越来越多的二维材料被相继制备成功,如过渡金属硫化物、己醇氮化硼、单质二维材料和层状金属氧化物。它们具有许多不同寻常的特性,如可调带隙特性、自旋自由度的可控性、谷自由度以及电学或光学性质的各向异性。2019年Ji等人在实验上合成了只有一个晶胞厚度的无支撑钙钛矿二维材料,研究发现它具有极好的铁电极化特性和极高的柔性,大大拓展了传统钙钛矿材料的应用范围。然而,二维材料在实验测量与应用过程中不可避免要受到多种形式应力的影响,例如压力、衬底应力、化学应力、热应力。这些多种形式的应力对二维钙钛矿薄膜的物理性质的影响尚不清楚。本文采用第一性原理计算方法,研究了单层Sr Ti O(STO)在在面内应力和面外应力下的电子性质。本文的主要内容如下:一、采用第一性原理计算方法,研究了单层STO的力学性质。首先,我们通过能量-应变的方法计算了单层STO的弹性常数,所得结果满足二维正方晶体力学稳定性准则。由弹性常数计算得到了单层STO的杨氏模量和泊松比,计算表明二维STO具有超低的杨氏模量。其次,我们通过应力-应变曲线计算了单层STO的双轴和单轴极限拉伸强度。结果表明单层STO具有很好的柔韧性。二、采用第一性原理计算方法,研究了单层STO的晶体结构。我们发现晶格常数a和b在双轴应变(?ab)下呈线性变化。在正单轴应变(b)作用下,晶格常数a对外加应力不敏感。而在单轴负应变下,单层STO晶格常数a先增大后减小,临界点在-8%左右,表现为负泊松效应。大多数研究表明,在外部应力作用下,本体STO会发生顺电-铁电相变。我们计算了在双轴和单轴应力下理想中心相与铁电相之间的Ti原子畸变。在负单轴应力作用下,Ti原子畸变先增大后减小,其临界点约为-8%。三、采用第一性原理计算方法,研究了单层STO的电子结构。我们发现,在三维多重应力下,单层STO在面内应力条件下从半导体转变为金属相。单层STO的带隙随着正双轴应变的增加而增大,当施加负双轴应变时带隙减小至零。此外,我们发现单层STO的金属相在面内双轴应力作用下,当加入面外压应力时,会回落到半导体相。通过分析电子能带结构、态密度、电荷密度和轨道投影能带结构,发现Sr和O原子的p轨道以及Sr原子的d轨道对多重半导体金属相变有显著影响。综上,我们研究了单层STO在应力下的晶体结构、电子结构和力学性质。结果表明,单层STO在三维应变条件下具有多重半导体-金属相变。在面内应力下,Ti原子的畸变导致了带隙的极大增强。单层STO具有超低的杨氏模量,表明其具有很好的柔韧性。因此,单层STO在三维应变条件下丰富的半导体-金属相变为其在二维材料电子特性调控中的应用提供了机会,优异的柔韧性为其在柔性纳米器件方面显现出巨大的研究价值。

关键词： 钙钛矿太阳能电池   氧化锡   碘化铅   应力  

摘要： 钙钛矿太阳能电池（PSCs）是最具有前景的新型光伏电池之一,经过短短十几年的发展,其光电转换效率（PCE）已迅速提高至25.7%。在PSCs的研究中,大量证据表明过量/残留的碘化铅会影响PSCs的性能。碘化铅本身的光不稳定性会引起分解反应并降低器件的稳定性。本文采取理论研究与实验改进相结合的方式,提升了钙钛矿太阳能电池器件的效率和稳定性,并探索了性能提升的影响机制。本文的主要研究内容包括以下几点:（1）本文系统性地研究了钙钛矿薄膜中过量/残留碘化铅。一般来说,残留碘化铅主要来源于薄膜制备过程中碘化铅的转化不完全、前驱体溶液中无机盐与有机盐失配的化学计量比和钙钛矿材料的降解。同时本文也探讨了钙钛矿薄膜中碘化铅的多种表征技术和其影响性能的作用机理,并总结了碘化铅的调控方式。（2）本文使用了一种剥离技术成功地剥离了钙钛矿层的下表面,直观地观察到了钙钛矿层埋底界面处碘化铅分布情况。并提出了基于Sn O2的铵盐卤化物掺杂策略,不仅改善了电子传输层与钙钛矿层的界面接触,还调控了底界面的残余碘化铅,使得电池器件的光照稳定性得到了大幅度地提升。（3）本文进一步地提出了在Sn O2中掺杂混合A位阳离子卤化物（FAI-Cs Br）的改进策略。通过这种策略,可以将埋底界面附近的有害的残留碘化铅转化为内在稳定的FACs体系钙钛矿。Cs+的加入平衡了埋底界面附近由MA+引起的晶格应变,消除了底部区域的残余拉伸应力,抑制了钙钛矿从α相到δ相的转变,并改善了电池器件的相稳定性。最终,钙钛矿太阳能电池和模组分别获得了24.26%和20.97%的光电转换效率。这些PSCs在一个太阳光照下运行1000小时后,仍能保持其初始效率的94.7%。

关键词： 变速器   超速档支架   断口   应力   有限元分析  

摘要： 随着我国经济高速发展,物流业呈现出蓬勃发展的趋势,为了获得更大的经济利益,物流车辆速度的提升就显得尤为重要,在此背景下,超速档变速器应运而生。超速档支架是变速器实现超速的反向机构中重要支撑部件,超速档支架的可靠性直接影响变速器总成的可靠性,从而影响整车可靠性。售后统计数据显示,超速档支架断裂故障在变速器故障中占有一定的比例,更为严重的是部分变速器超速档支架断裂后极大几率会导致变速器总成内部齿轮打齿损坏,造成更大的经济损失,因此提升超速档支架可靠性显得尤为重要。 本文以中国重汽自主研发的HW19712C变速器为对象,对其超速档支架断裂行为进行研究分析,提升支架可靠性,主要研究如下: (1)以中国重汽生产的HW19712C超速档变速器为研究对象,结合当前国内超速档变速器的研发使用情况,对超速档支架断裂故障件断口形貌特征进行分析,判断支架在换挡过程中受换挡应力和换挡冲击力的双重作用,支架在应力集中部位(加强筋根部)形成疲劳源,在车辆频繁换挡时产生微裂纹,随着微裂纹不断拓展,最终导致支架疲劳断裂;另对断裂超速档支架进行理化检验分析,超速档支架ZG310-570-GB11532铸钢材料强度较低,通过材料性能对比,选取强度更高的40Gr-GB/T3077作为超速档支架材料。 (2)选取部分配置HW19712C超速档变速器车辆,利用换挡力检测仪对整车换挡力进行测量,试验测得整车换挡手柄最大换挡力为55N,结合整车换挡手柄杠杆比、软轴效率、变速器内换挡杠杆比和超速档反向机构杠杆比,计算出超速档支架所受最大换挡力为626N,为下一步有限元分析和支架改进提升提供受力数据支持。 针对超速档支架受力计算,与国内超速档支架优化提升相比,首次采用试验方法测定整车换挡力,再通过换挡操纵系统杠杆比计算得出,而非依靠经验或企业规定标准计算。 (3)对HW19712C超速档变速器的超速档支架进行有限元分析,考虑换挡冲击的影响,支架处受拉力或压力分别按1倍、强化6倍、10倍计算。分析结果显示:超速档支架断裂发生在车辆挂前排挡时,此时超速档支架受拉力,应力集中的位置在超速档支架加强筋根部,支架在该处受到应力最大并且超出材料极限抗拉强度;分析提出增加固定点和加强筋增加斜面2种改进提升方案,经对分析数据进行对比,最终选取加强筋增加斜面优化方案,经售后跟踪,提升后超速支架无断裂故障发生,应力集中现象得到有效改善。 针对超速档支架优化方案确定,与国内超速档支架其他优化提升相比,首次采用多种方案对比选取最佳方案。

关键词： 自旋电子学   第一性原理   稀磁半导体   二维材料   掺杂   应力   磁性   光电性能  

摘要： 进入二十一世纪后,现代信息技术的发展已经成为世界关注的焦点。而由于摩尔定律的逐步失效,传统的基于电荷的电子器件终会消失,开发可替代的高速、低功耗新型电子信息技术已经迫在眉睫。而自旋电子器件是其中最具前景的。本文利用第一性原理计算方法,研究了元素掺杂及施加应变等对单层氮化铝（Al N）、磷化硼（BP）层、立方二氧化锆（c-Zr O2）纳米片以及低维氧化锡（SnO2）薄膜等材料的自旋电子性质的影响情况。此外,还合作研究了掺杂氧化锌（ZnO）薄膜太阳能电池的光电性能。这些研究对探索2D材料的磁电子性质及其相关应用提供了理论基础。研究发现:1)掺杂Ti的Al N单分子层会产生1μB的磁矩,这主要是由杂质原子的d轨道所贡献的;Al N单层的带隙随着应变的增加而减小;在Al N单层中,不同的Ti-Ti距离会发生铁磁和反铁磁耦合振荡。2)虽然Ti P（P被Ti取代）可以导致BP单分子层表现出半金属性质,但Ti B（B被Ti取代）具有较低的形成能;由Ti B产生的磁矩为1μB,这也主要是由Ti-d轨道贡献的;原始BP单层随着应变的增加带隙增大,然而Ti B会使BP的带隙先增大,然后在达到10%后再减小;此外,Ti B-Ti B在BP单层中总是在每个距离上发生反铁磁耦合,进一步研究表明,含Ti B的BP体系的奈尔温度可能高于室温。3)TM掺杂Zr O2纳米片磁性主要是由TM原子的d轨道和周围O原子的p轨道所贡献的。磁耦合表明,只含有Co-Co的单分子层才能产生宏观磁性。当Co-Co距离在（110）表面为5.070?和6.209?,在（111）表面为7.170?和9.485?时,这些距离将产生高于室温的居里温度。4)SnO2（001）表面,引入VO2c（001）后,在带隙中会产生n型缺陷态,体系磁矩为0。在压缩10%至拉伸8%的范围中,体系磁矩为0;而拉伸10%时,表面出现了磁性,施加12%的拉伸后,体系的磁矩减小了。而SnO2（110）表面,完美体系具有金属性的能带特征,并且该体系还具有一个亚稳态的FM态。5)SnO2（110）表面,引入VO2c（110）或VO3c（110）后,使得（110）变成一个具有带隙的非磁性绝缘体。在应变的研究中,只有含VO2c（110）的体系的6%与8%的拉伸应变表现出磁性,当拉伸应变为2%、4%以及10%时,体系保持了绝缘体的能带特征,6%与8%的拉伸应变使得体系在费米能级附近产生了自旋极化,带隙已经消失,体系从非磁性的绝缘体转变为磁性的导体。6)对于F、Al和Ga共掺杂ZnO薄膜,第一性原理证实了FO-Al Zn-Ga Zn是最稳定的体系,且实验方案验证了理论预测。与参考的铟锡氧化物膜相比,使用FAGZnO膜的钙钛矿太阳能电池具有更高的JSC和功率转换效率,同时,显示了良好的性能和未来的应用前景。

关键词： 冠心病   Ameroid环缩环   负荷心脏磁共振   三磷酸腺苷   全定量心肌灌注   病理   静息/负荷T1 mapping   心脏磁共振成像   缺血心肌   冬眠心肌   梗死心肌   病理染色   电镜   特征追踪   应力   应变率   左心室   心肌纤维化   T1 mapping   高血压性心脏病   细胞外容积分数  

摘要： 第一部分缺血性心脏病动物模型的建立及CMR技术全定量动态研究背景:大型动物模型对于了解慢性冠心病的潜在病理生理过程以及冠脉狭窄过程中心脏结构和功能的动态变化至关重要。本研究的目的是建立猪的慢性冠心病模型,并评估冠状动脉狭窄过程中心肌结构、心肌运动和心肌活力的变化。材料与方法:入组30只猪,其中实验组24只,对照组6只。实验组采用Ameroid环缩环建立慢性缺血模型。将实验组的24只动物再分为4组,每组6只,分别于术后1、2、3、4周处死进行病理检查。实验组和对照组均在术前及术后每周进行心脏磁共振(cardiac magnetic resonance imaging,CMR)检查,直至处死。CMR 检查包括电影、静息/三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)负荷心肌灌注和晚期钆增强(lategadolinium enhancement,LGE)。通过静息电影图像计算静息状态的心肌壁增厚率(wall thickening,WT)。根据静息和负荷灌注图像计算心肌灌注储备指数(myocardial perfusion reserve index,MPRI)和心肌灌注储备(myocardial perfusion reserve,MPR)。在猪处死后对其进行病理染色,包括三苯四唑氯化铵(Triphenyltetrazole ammonium chloride,TTC)、苏木精-伊红(hematoxylin-eosin,HE)和天狼星红染色,通过天狼星红图像计算胶原容积分数(collagen volume fraction,CVF),并记录缺血心肌、冬眠心肌和梗死心肌出现的时间。结果:在实验组中,从造模术后1周到术后4周,静息WT随时间由35.2±2.0%、32.0±2.9%、30.5±3.0%逐步下降到29.06±1.78%,p<0.001。造模后左室射血分数随术后时间的延长而逐步受损(分别为58.9±12.6%、56.3±10.1%、55.3±9.0%、53.8±9.9%)。MPR和MPRI都随术后时间的延长而逐渐降低(MPRI从2.1±0.4、2.0±0.2 逐渐下降到 1.8±0.3、1.7±0.1,p=0.004;MPR 从 2.3±0.4,2.1±0.2 逐渐下降到1.9±0.4,最后降为1.8±0.1,p<0.001)。MPR、MPRI和CVF之间有较强的相关性,在受纤维化影响的区域中WT较低。我们发现缺血心肌出现于术后第2周(累及10个节段),冬眠心肌出现于术后第3周(累及17个节段),在术后第三周时有8只猪首次出现LGE(累及16个节段)。术后4周时,实验组中存活的6只猪平均发现9.6g瘢痕组织。同时,组织学分析证实梗死区域存在纤维化和持续的细胞凋亡。结论:CMR心肌运动与负荷灌注相结合能够识别慢性心肌缺血的进展情况。第二部分非对比剂增强负荷T1 mapping成像评估缺血心肌及冬眠心肌背景:早期、准确地发现缺血心肌和冬眠心肌对冠状动脉疾病(coronary artery disease,CAD)的治疗至关重要,本研究拟以病理学为金标准,在小型猪慢性心肌缺血模型中评价心脏磁共振(cardiovascular magnetic resonance,CMR)负荷T1 mapping技术在鉴别诊断缺血心肌、冬眠心肌和梗死心肌中的应用价值。材料与方法:选取12只经Ameroid环缩环诱导冠状动脉狭窄的成年雄性中国小型猪和6只对照组(遵从动物研究的“3R“原则,本研究的对照组与第一部分共用)。在基线和术后每周分别进行CMR电影成像,静息和三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)负荷T1 mapping成像及灌注图像,晚期钆增强图像。以病理染色包括TTC染色、HE染色、Masson染色、天狼星红染色,CD31染色及电子显微镜作为金标准,通过ROC分析T1 mapping的诊断准确性。结果:实验组梗死心肌(ΔT1=8.5±2.4ms,δ T1=0.6±0.3%),冬眠心肌(ΔT1=10±2ms,δ T1=0.8±0.5%)和缺血心肌(ΔT1=10.0±2.0ms,δ T1=0.9±0.2%)的 T1 反应性[变化值(Δ T1)和变化百分率(δ T1)]明显低于远端心肌(Δ T1=53±7ms,δ T1=4.7±0.6%)和正常心肌(Δ T1=56±11ms,δ T1=4.9±1.1%)。ROC 分析显示ΔT1对缺血心肌具有较高的诊断价值,曲线下面积(AUC)为0.84(P<0.001)。静息T1对梗死心肌有较高的诊断价值(AUC=0.95,P<0.001)。将静息T1和Δ T1结合起来时,对缺血心肌和梗死心肌的诊断效能均有所提高(AUC分别为0.89、0.97,均为P<0.001)。

关键词： 层状岩体   锚固体   预紧力   有效锚固   应力场  

摘要： 煤系层状顶板巷道围岩稳定性控制理论及技术得到了发展,特别是随着锚杆支护技术推广应用,支护-围岩共同承载理念已被普遍接受。同时,由于煤层顶板具有典型的层状特征,而现有的理论对于锚杆支护结构、“锚杆-围岩”之间的锚固机理认识不够深入。本文围绕煤系层状顶板巷道锚杆如何实现有效锚固这一关键科学问题,以“锚杆-C40混凝土”组成的锚固体体系为研究对象,采用物理模型实验、数值模拟等方法,研究不同锚杆预紧力、长度、密度、钻孔倾角等条件下,锚杆锚固体内部应力场演化规律,并在此基础上开展有效锚固状态下锚固体力学性能的研究,并据此评价分析任楼煤矿Ⅱ8224N机巷支护技术方案。通过建立理论力学模型研究了预应力锚杆与围岩相互作用关系,获得了关键影响因素的影响趋势,发现预紧力显著提高后,托锚力形成有效支护应力的范围;锚杆密度提升对于提高整体支护应力大小,达到耦合支护的作用明显;支护应力在锚固段初始位置达到最大值,随后逐渐快速衰减,预紧力与峰值支护应力有明显正相关关系,锚固长度的增加,将导致应力峰值位置前移;物理试验得到预紧力和锚固密度对锚固体的有效锚固影响规律,研究结果表明在一定预紧力作用下,随预紧力的增加会使得锚固体内部应力增加,锚固体在群锚作用下,相邻锚杆对锚固体内部的应力非线性叠加下可以产生有效锚固效应;数值模拟研究揭示了不同锚固方式下围岩支护力学效应,采用较大的预紧力,保留一定的自由节段长度,或者增大锚杆长度,减小锚杆间距,以利于锚杆预紧力在围岩中的扩散,从而形成一种有效的锚固支承结构;在锚索布置间距较大的情况下,增加预紧力,适当缩短锚索长度,可以提高围岩的控制效果。基于有效锚固效应,对任楼煤矿Ⅱ8224N工作面回采期间机巷的超前支护技术展开研究,建立回采工作面两巷围岩稳定评价体系,减轻工人劳动强度,提高了施工质量,有效地控制了巷道在采动影响下的巷道围岩变形。该论文有图42幅,表8个,参考文献75篇。

关键词： 管壳式换热器   应力分析   结构优化   超声冲击   热流固耦合  

摘要： 管壳式换热器在使用过程中,管板及换热管所受的应力过大是造成换热器结构破坏的主要原因之一,根据管壳式换热器受到的载荷工况,本文对管壳式换热器在热-机载荷作用下进行应力分析,并提出换热器的结构优化方案。本文主要从两方面对换热器的应力进行研究,一是通过研究换热器的焊接残余应力,探索降低残余应力的方法;二是研究换热器的工作应力,提出降低工作应力的措施。通过对残余应力及工作应力的研究及优化来提高换热器的使用寿命。本文通过采取外加移动热源的方法,对焊接产生的残余应力进行了模拟。模拟发现不同焊接结构的残余应力有所不同,伸出角、开坡口以及伸出角开坡口结构形式的换热管管板焊接结构能够降低焊接残余应力,其中伸出角开坡口的形式应力降低幅度最大。对不同焊接速度进行研究,发现随着焊接速度的增大,最大应力值会有小幅度的降低。对不同焊接热源功率强度进行分析,降低焊接热源功率强度,焊接残余应力最大值会有相应减小。通过制作换热管管板焊接模型,对焊接残余应力进行了实验研究。制作了四种不同形式的焊接模型,分别为平焊、伸出角、开坡口以及伸出角开坡口,通过X射线的方法对四种焊接试件进行了残余应力检测,检测结果与第二章模拟值较为接近,证实了残余应力模拟结果的正确性。对四种焊接试件进行了超声冲击,通过对超声冲击前后焊接试件残余应力大小的比较,发现超声冲击能够降低焊接残余应力,能使超声冲击前的焊接拉应力变成压应力,证明了超声冲击在降低残余应力方面的可行性。在热-机载荷作用下通过热流固耦合的方法对管壳式换热器应力进行了分析,通过添加温度载荷、压力载荷以及残余应力载荷的工况下进行了数值模拟,通过有限元分析,发现换热器的最大应力值位于管板与换热管的连接处,在管板与壳体的连接处应力值也特别大。对比了有无残余应力载荷以及超声冲击后残余应力载荷对换热器应力的影响,发现残余应力的存在对换热器应力影响很大,超声冲击后残余应力值减小,换热器的应力最大值也随之减小。针对换热器应力过大的问题,对换热器提出了三种结构优化方案,分别为换热管与壳体的合理选材、改变换热器管板的厚度以及改变换热管与管板的焊接结构。通过对优化后的换热器进行有限元分析,并与原结构换热器进行对比,优化后的换热器整体最大应力大幅度降低,实现了换热器的结构优化。该论文有图88幅,表6个,参考文献88篇。

关键词： 悬索桥重力式锚碇   简支变连续梁桥   变形分析   应力分析   混凝土损伤   桥梁顶升技术  

摘要： 随着交通运输网的发展与覆盖,公路、铁路工程对桥梁跨越能力的要求不断提升。相对于其他桥型而言,悬索桥具有跨越能力大,构造简单,受力明确的特点,被广泛应用于各类大跨度的道路工程中。锚碇和引桥是保证悬索桥安全和正常运营的两个重要组成部分。其中,为保证悬索桥整体的稳定与安全,地锚式悬索桥会设置较大的锚碇结构。另一方面,由于悬索桥需要跨越大跨度的河流和山谷,其桥面高度较高,为了使车辆能平缓地上下桥面,通常会设置多联的连续梁结构作为引桥系统。由于两者均位于主桥两侧,空间位置上存在一定的重叠,为节省通道资源以及增加锚碇压重,引桥系统的部分桥墩会设计修建在锚碇上。当锚碇建造在黏土、淤泥等软土地基上时,由于土体变形,其在承受主缆拉力时不可避免地要发生水平位移和沉降变位,进而影响到修建于锚碇上的引桥连续梁的变形与受力。此外由于悬索桥主、引桥整体的施工周期期较长,系统温度(整体升降温)变化对引桥连续梁结构影响不可忽略。因此本文依托瓯江北口大桥南锚碇及其引桥工程,通过现场布置监测系统结合有限元模拟的方法对两者在主桥加劲梁吊装施工过程中发生的力学性能变化规律以及后续的纠偏措施开展相关研究,主要的工作及成果如下:(1)介绍了本文依托的工程背景并基于建设工程的重难点总结了悬索桥主桥加劲梁吊装对锚碇及其引桥系统力学性能的影响、系统整体温度变化对连续梁力学性能的影响以及连续梁桥顶升纠偏技术的研究现状。归纳了重力式锚碇力学分析理论、锚碇基础变位作用下连续梁力学性能分析理论、系统整体温度变化作用下高墩连续梁力学性能研究理论,并做相关理论推导。最后基于现有研究现状和工程重难点分析了主要存在的问题,确定了本文研究内容。(2)为研究锚碇施工以及主桥加劲梁吊装过程中主缆拉力变化对南锚碇的力学性能影响,利用有限元软件GTS NX建立锚碇沉井-地基实体模型并结合现场实测数据对锚碇沉井的变形与受力以及地基土应力状态进行对比分析。结果表明:锚碇自重及主缆拉力作用下锚碇变位包括沉降、水平位移和整体转动三种情况,主要以沉降变形为主;不同主缆架设进度下,锚碇应力均满足要求。受锚碇变位影响,沉井基础井壁与地基土均存在明显的应力变化趋势并与锚碇变位趋势相吻合。(3)通过有限元软件Midas/civil建立瓯江北口大桥南引桥第一联全桥有限元模型,计算得锚碇变位和系统温度变化对高墩简支变连续梁桥的体系转换阶段和连续梁桥两个施工阶段的主梁位移、控制截面应力的影响。结合实测数据对锚碇变位、系统温度变化耦合作用下高墩简支变连续梁桥各施工阶段的主梁位移、主梁控制截面应力进行规律研究。结果表明:锚碇变位和系统温度变化对采用简支变梁桥施工工艺的引桥系统的不同施工阶段的影响效应存在区别。其主要影响因素包括:墩梁连接的边界条件、主梁及桥墩的刚度分布、下部桥墩高度等。连续梁桥阶段受外部荷载作用产生的附加应力水平比体系转换阶段要小。(4)针对瓯江北口大桥南引桥临时支座拆除滞后并发生开裂的问题,通过荷载分析确定锚碇偏转和系统整体温度变化两种荷载工况,并利用Midas/civil建立整体计算模型以提取局部模型等效荷载值,再结合有限元软件Midas/FEA NX引入混凝土塑性损伤模型对临时支座进行实体建模,分析两种工况下钢筋混凝土临时支座的应力及损伤情况。结果表明:在临时支座未拆除的边界条件下,两种外部荷载均会导致临时支座发生损伤破坏,最大拉应力均达到标号混凝土的拉应力容许值。通过引入混凝土塑性损伤模型能较好描述了混凝土材料的非线性行为,高损伤因子分布区域与临时支座实际的裂缝发展分布基本吻合。在现场施工条件下,受外部荷载作用,简支变连续梁桥混凝土临时支座的受力状况并不是理想轴压状态,故在采用混凝土临时支座时,应加强其配筋设计,避免发生因其他受力形式产生的破坏。(5)针对瓯江北口大桥南引桥合并段第一联顶升工程,分析专项工程施工的重难点,介绍了具体的施工工艺、并设计施工监控方案对顶升部位进行顶升高度和应力数据监测,最后对施工监控数据进行归纳与分析,判断顶升过程中箱梁应力是否符合理论应力变化趋势。由实测数据并结合现场的施工工况分析得:各个部位箱梁的实测顶升高度,与设计顶升高度偏差较小均小于10%。顶升过程中主梁S02#、S03#墩支座截面上缘呈受拉趋势,且未超过混凝土受拉强度容许值,符合理论变化趋势,支座截面处箱梁应力变化规律与顶升高度变化基本吻合,受桥面施工影响,应力监测数据存在局部波动。