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关键词： 应力场   磷块岩   破坏   强度   应力集中  

摘要： 在对磷矿山进行地下开采时,不同埋深的采场其周围应力场分布也不同,不同应力场分布会对采场、巷道内的磷块岩矿体产生不同程度影响,带来的一系列问题也会以不同的方式影响着矿山的生产、安全与稳定。如开采掘进的方向、巷道围岩的变形与支护,高地应力区的岩爆问题等,都会因应力场分布的不同而需要做出必要的调整和应对。因此,研究出不同应力场分布对磷块岩开裂破坏的规律影响,根据不同应力场分布选取相应的掘采、支护方式,以最小的成本获得最大的安全保障,对磷矿山的开采工作和采空区的处理防护有十分重要的指导意义。 本文以兴发磷矿瓦屋Ⅳ矿段某采区为研究对象,对磷块岩的开裂破坏进行室内试验,对不同应力场分布下的采场、巷道进行数值模拟。在室内试验中,得到了在轴向应力作用下,磷块岩的破坏形式大都是劈裂破坏,且主要破裂面方向基本与节理裂隙弱面一致的规律。在进行的FLAC3D数值模拟中,通过调整采场和巷道的不同埋深,得到不同的垂直应力分布,模拟出采区磷块岩所处的不同应力场分布条件。可以看到,应力场的分布决定磷块岩变形破坏的难易,应力场越强,磷块岩越容易发生开裂破坏;不同应力场条件下的应力集中区域相似,均主要集中在采场、巷道的顶底板、边帮的中部和直角三角区;优先发生破坏的位置也是受到最大主应力最大的位置,主要集中在各磷块岩自由面的中部以及直角区和三角区;垂直于矿层倾向的磷块岩自由面比垂直于矿层走向的磷块岩自由面更容易发生破坏;不同应力场的分布对处于顶底板位置的磷块岩影响更大,随着埋深的不断增加,磷块岩的应力集中区越来越大,巷道的磷块岩边帮和磷块岩直接底板越容易发生破坏,并且处于底板位置的磷块岩比边帮磷块岩更容易破坏;埋深越大的应力场分布,磷块岩因压应力集中而造成破坏的可能性区域越大,在应力集中区,因受到最大压应力增大而破坏的可能越大。

关键词： 弯头   应力   非等厚   内壁   外壁  

摘要： 本文采用有限元方法，分析了不等厚P92弯头在工作压力下的应力分布。结果表明，弯头轴向截面沿环向，在内壁位于内弧侧的应力最大，中性层的应力最小；弯头轴向截面沿环向，在外壁侧位于中性层的应力最大，外弧侧的应力最小。弯头0°环向截面沿轴向，在内壁整体应力分布最大，90°环向截面沿轴向，整体应力分布最小；弯头0°、45°、90°环向截面沿轴向，在内壁整体应力分布最大，180°环向截面沿轴向，在外壁整体应力分布最小。通过上述分析了解了不等厚P92弯头在工况下的应力分布情况，为该类弯头的受力分析及寿命评估提供了一定的理论基础。

关键词： 预应力混凝土连续梁   施工监控   敏感性分析   温度场   应力场  

摘要： 为研究和监控预应力混凝土连续梁桥各施工阶段主梁线形和内力变化,同时满足设计要求、保证施工质量。本文通过对跨淳河路大桥(60+100+100+60)m连续梁开展研究并进行施工监控实践。在实践中结合设计规范要求使用Midas Civil、FEA NX对主梁结构进行有限元仿真,分析其线形和内力变化,同时进行线形参数敏感性分析、0号块温度场与应力场分析。结合有限元分析结果计算对比底板高程、应力温度实测值并反馈到施工环节加以控制,使得连续梁桥的几何线形和内力状态均满足规范要求,确保主梁顺利合龙。主要研究工作如下:(1)考虑设计规范要求等相关技术参数,使用Midas Civil软件建立主梁有限元模型,划分施工阶段分析主梁挠度及应力变化情况,并校核计算主梁预拱度。研究结果显示各施工阶段主梁变形和应力均满足规范规定的要求。(2)结合主梁有限元分析结果,研究制定相应连续梁线形、应力监控方案并实施监控。研究及实践显示主梁线形和应力均满足规范规定的要求,可顺利合龙按期完成主梁建设。(3)基于设计规范合理范围内调整分析混凝土材料特性、预应力、沉降等参数对连续梁线形挠度的敏感性。各参数中桥墩基础沉降对主梁线形挠度影响最大,混凝土容重及弹性模量、预应力张拉值、环境相对湿度影响其次,环境温度和混凝土龄期对主梁线形挠度影响最小。(4)为防止0号块混凝土浇筑时水化热影响产生裂缝危害,结合规范整理计算混凝土热力学参数后,使用Midas FEA NX建立不同水泥拌合的混凝土浇筑、普通水泥浇筑时添加冷水管的0号块温度场模型进行分析。对比各浇筑混凝土水化热控制方案并结合实际施工,选取水化热温度、应力较小的低热硅酸盐水泥分顶板与其余位置水平双层浇筑混凝土方案施工0号块。通过实测数据可知该方案对0号块水化热控制效果较好,温度及应力均满足规范规定要求。(5)主梁0号块受力较为复杂为对其应力进行具体研究,使用Midas FEA NX建立0号块应力场模型,分析其最大悬臂和成桥阶段应力分布状态。结果显示应力场仿真应力与传感器实测应力较为吻合,拉压应力均满足规范规定要求。

关键词： REBCO超导结构   应力   缺陷   失超传播   预应变  

摘要： 能量意外释放理论表明安全事故发生的物理本质是能量失控,如机械能、电能、磁能和热能等各种形式的能量。超导结构作为人-机-环境系统中的一种控制对象,本身就具有很大的电能、磁能,同时运行在液氦或液氮营造的极低温和超真空环境,很可能引发安全事故。在制备超导结构的许多材料中,REBCO高温超导材料因其载流能力强,成本低,机械性能良好,临界温度高等的优点,被广泛应用于能源、电力和交通运输等领域。但在制备过程中因工艺流程和操作技术因素不可避免地会引入气泡、孔洞及微裂隙等缺陷,这对REBCO材料及结构的力学稳定性是极为不利。同时,REBCO超导材料的临界电流受应变的影响极其显著,表现出不容忽视的载流性能下降现象。本文运用超导电磁固体力学理论与COMSOL有限元方法研究了含缺陷超导体、高温超导带材缠绕结构、25.7 T的高低温混合超导磁体的机械稳定性和热稳定性,主要内容如下:(1)根据Maxwell方程组推导出适用于计算超导体电磁场的H法控制方程,由于超导薄膜常作为超导复合带材用于传输电流的超导电缆,超导块体通常充磁后应用于飞轮储能和磁悬浮技术,故分别建立了含裂隙缺陷超导薄膜载流模型与含孔洞缺陷超导块体励磁模型,分析了载流情形下裂隙缺陷的位置、尺寸和角度对超导薄膜电流密度影响,分析了励磁情形下孔洞缺陷的形状、位置和尺寸对超导块体电磁特性和应力的影响,探讨了超导结构的相关保护措施。结果表明,缺陷的存在会影响附近电流密度的不均匀分布并造成局部应力集中,但能提高超导体的磁通俘获能力;对超导块体采用加固环法能达到降低应力的效果。(2)在对简单超导薄膜载流情形研究的基础上,建立了60匝高温超导带材缠绕结构的二维轴对称几何模型,基于分流模型研究了电磁-热-力多物理场作用下载流时的失超特性与力学行为,通过与文献数据对比失超传播速度(NZPV)验证了模拟结果的准确性和有效性,阐述了在热扰动影响下引发的失超传播过程中温度的扩散与分布,施加不同能量的热扰动分析了能引发超导带材缠绕结构的最小失超能量(MQE),重点分析了失超前后超导带材缠绕结构的应力分布情况和存在局部缺陷时对超导带材缠绕结构的应力影响。结果表明,热扰动位置处的温度分布值始终最大,如果该处的热量不能及时扩散很容易引发失超安全事故;失超时产生的热应变虽然在热源附近产生压应力区域,有利于降低该处超导带材的受拉破坏风险,但总体承受的应力明显高于失超前仅受电磁力的作用,因此更加容易发生材料破坏。(3)通过与H法对比分析了T-A法在计算小匝数超导带材缠绕结构时的准确性和高效性,并采用代表性体积单元法(RVE)对超导复合带材进行了力学参数等效,将其运用于大匝数超导磁体结构的数值研究中,对比了电磁-力双向耦合计算模型和非耦合计算模型对25.7 T超导磁体的模拟结果的差异,基于应变敏感性分析了在可逆预应变和不可逆预应变下的屏蔽电流和应力应变,针对屏蔽电流引起的磁场衰减和应力增大情况给出了相应的抑制措施。结果表明,采用电磁-力双向耦合计算模型时贡献磁场升高了0.4T,产生的屏蔽电流峰值虽然总体有所升高但极大减少了超导薄饼的穿透量;在可逆预应变范围内线圈薄饼中的应力变化不大,在不可逆预应变范围内超导薄饼中的应力会降低。通过分割带材宽度的方法可有效减少屏蔽电流。

关键词： 钢箱梁   顶推法   应力   变形   数值模拟   模型试验  

摘要： 随着城市道路网密度逐渐增大,顶推施工法以场地占用面积小、对既有道路通行影响小的优点在市政桥梁中得到广泛应用。然而对利用顶推法完成上跨既有道路的桥梁而言,存在顶推方向与既有道路斜交的情况。在这种情况下,利用既有道路的中央分隔带设置顶推支架会造成顶推支架与顶推方向斜交,形成斜交顶推。当前关于斜交顶推的研究较少,但随着交通设施的不断完善,斜交顶推必将日益常态化。本文以南京三环斜拉桥顶推施工段为研究对象,对钢箱梁斜交顶推施工过程以及危险工况下钢箱梁的变形、应力、稳定性进行了计算分析,对钢箱梁斜交顶推开展了参数影响研究,结合模型试验、现场监测进行结果验证,主要研究如下: (1)建立了钢箱梁全过程斜交顶推模型,分析了导梁前端变形情况、顶推支架支反力变化情况及受力差异、顶推支架在支反力作用下的受力与变形。研究表明:钢箱梁斜交顶推会引起左右两侧导梁方向相反的变形,最高挠度差为79.9mm,斜交顶推会造成同一顶推支架两侧支反力的较大差异,将顶推过程最大支反力作用于顶推支架得到A型支架的最大竖向位移为18.5 mm,最大应力270.2 MPa,一阶屈曲特征值为14.37,B型支架的最大竖向位移为3.2 mm,最大应力161.1 MPa,一阶屈曲特征值为94.21。 (2)在钢箱梁斜交顶推施工全过程数值计算基础上,选取最大悬臂工况与斜交工况建立ABAQUS精细化分析模型,得到钢箱梁在斜交顶推过程中典型工况的应力、稳定性情况及差异;分析非线性对钢箱梁受力的影响。研究表明:两种工况下最大等效应力与屈曲变形均出现在纵隔板,由最大悬臂工况至斜交工况,纵隔板最大等效应力由195.0MPa上升为275.2MPa,第一阶稳定系数由4.13降低为2.92;计入非线性影响后,顶板、底板、纵隔板和导梁连接部位的最大等效应力增幅最为显著,最大悬臂工况与斜交工况稳定系数分别降低至3.37、2.44。 (3)分析了最大悬臂工况与斜交工况下构件厚度变化对钢箱梁应力分布情况的影响,分析了构件厚度对钢箱梁稳定系数的影响。研究表明:增加纵隔板厚度能够有效改善钢箱梁应力状态,而且对提高稳定性影响最为显著,其次是增加横隔板厚度。纵隔板厚度由12 mm增加至16 mm,最大悬臂工况与斜交工况的稳定系数分别上涨110.18%和 109.90%。 (4)考虑到施工过程中各种因素造成步履式顶推设备顶推偏位的可能,通过改变滑梁与钢箱梁的相对位置模拟横向、纵向、竖向顶推偏位,研究了最大悬臂工况与斜交工况下不同程度横向、纵向、竖向顶推偏位对钢箱梁应力情况的影响。研究表明:竖向偏位是三种偏位中影响最大因素,竖向偏位会造成钢箱梁主要构件局部应力的大幅提高,顶推过程中应重点监控竖向顶升偏差并及时做出调整。 (5)以南京三环斜拉桥顶推段为工程背景,基于相似理论设计、制作并开展了相似比为1:30的顶推施工模型试验,通过测量与数据整理得到钢箱梁斜交顶推施工模型试验的导梁变形与顶推支架支反力结果;结合试验结果与现场监测对钢箱梁斜交顶推施工受力与变形特性计算结果进行验证。

关键词： 机车传动齿轮   轮轨激励   热-力耦合   温度场   应力场  

摘要： 机车传动齿轮是机车动力传输过程中的核心部件,其结构的可靠性将直接影响机车的运行安全。随着近年来铁路运输的速度与承载要求提高,长时间服役的机车齿轮将处于较高的工作环境中,过高的温度可能会带来齿面胶合等齿轮损伤。因此,探究机车齿轮温度场分布及大小情况及考虑不同工况下的热-力耦合特性对机车齿轮的可靠性评估及监测维护有重要工程意义。本文以某型电力机车传动齿轮为研究对象,利用多体动力学仿真软件建立机车整车模型并进行模型验证,导出由波幅为0.05mm、波长为150mm的钢轨波磨与车轮诱发的轮轨激励下机车传动齿轮振动位移图,并分析在不同速度下机车传动齿轮振动情况,研究发现,随着机车运行速度的增加,从动齿轮垂向位移激励振动频率与振动幅值加剧;结合机车传动齿轮的几何与物理参数,利用齿轮传热学、摩擦学等基本理论计算出机车传动齿轮的热流密度及不同区域的对流换热系数等边界条件,并探究在不同牵引电机转速及润滑油油温下,对机车传动齿轮的热流密度及不同区域的对流换热系数等边界条件的影响,分析发现,机车传动齿轮的热流密度随着机车运行速度的增加而增大,牵引电机转速及润滑油油温对齿轮不同区域的对流换热系数影响程度不同;利用ABAQUS有限元软件将齿轮边界条件加载在到机车传动齿轮模型上,得出在不同牵引电机转速及润滑油油温下对温度场、热变形的大小及分布情况影响,发现最高温度位于齿轮齿根处,呈细长椭圆状分布;最大变形量出现两端面与啮合面相交角处,变形量由齿顶向齿轮内壁面依次递减。采用结构场及热-力耦合场探究有、无考虑轮轨激励影响下,机车传动齿轮的温度场和应力场分布及疲劳寿命情况,其中热-力耦合场采用直接耦合法,使得温度与应力相互作用;结合疲劳损伤理论及应力分析结果,利用疲劳分析软件fe-safe对有无考虑温度影响下,对某一载荷谱服役时的寿命进行预测,研究发现,考虑温度效应影响后机车传动齿轮疲劳寿命明显降低。

关键词： 液氮射流   流场   应力场   损伤特征  

摘要： 为了尽快完成“碳达峰”和“碳中和”的双碳目标,开发并利用地热能变得尤为重要。在我国,干热岩地热储备充足并且分布广泛,因此高效开发干热岩地热能对于完成双碳目标具有现实意义。干热岩储层具有岩石强度大,可磨性高以及渗透率低的特点,所以需要对其进行压裂改造。当液氮作为压裂液进入到储层时,会和高温储层产生一个温度差从而在储层内部产生温度应力促使储层发生开裂,因此了解液氮低温作用对高温岩石的损伤特征及机理尤为重要。而液氮射流辅助压裂开采技术在原来的低温作用上增加了液氮射流冲击作用,因此需要对液氮射流冲击作用对高温岩石的损伤特征及机理作进一步研究。本文主要研究的内容如下:(1)将不同温度的花岗岩进行自然冷却和液氮冷却处理后开展巴西劈裂试验,获得了岩样经过不同处理后的基础力学参数,通过声发射仪器记录了岩样在加载过程中声发射信号参数,总结了液氮低温作用对花岗岩物理力学性质的影响规律和声发射特征参数变化规律。根据能量演化计算公式,计算出岩样在巴西劈裂试验过程中的弹性能、吸收能和耗散能,揭示了加载过程中岩样的能量演化规律。试验结果表明:加热过程会对岩样造成损伤,而液氮的低温作用会进一步加强损伤效果。具体表现为:在各个加热温度中,经过液氮处理岩样的波速都要低于自然处理的岩样;随着加热温度的升高,经过液氮冷却处理岩样的振铃计数明显多于自然处理岩样;在相同加热温度下,自然冷却处理岩样的耗散能要大于液氮处理的岩样。在相同应力水平和加热温度下,自然冷却处理岩样的吸收能大于液氮冷却处理岩样。(2)利用ANSYS有限元分析软件建立了井下模型,分析液氮射流冲击作用下井底的流场分布规律和传热特征以及井底非均匀应力场分布规律和损伤区域范围。在此基础上,分析了围压、岩石弹性模量、岩石温度、出口压力和流体温度对岩石应力的影响。由模拟结果可知:液氮射流的最大速度大于水射流且在井底产生的压力大于水射流,液氮射流对井底的冲击效果好于水射流。相比于水射流,液氮射流冲击作用更能让岩石受到张拉破坏,从而更容易开裂。液氮射流冲击作用对岩石的损伤效果随着围压的增加而减小。当射流冲击压降为20MPa,出口压力为45MPa时,液氮射流冲击效果最好。(3)对高温岩样进行液氮喷射循环和液氮浸泡循环处理后开展巴西劈裂试验,揭示液氮射流冲击作用对高温花岗岩物理力学性质的影响规律。通过声发射仪器记录了岩样在加载过程中声发射信号参数,总结了不同温度花岗岩经过液氮喷射循环和液氮浸泡循环后声发射特征参数变化规律。分析了岩样在加载过程中的弹性能变化规律。试验结果表明:随着循环次数的增加,液氮射流冲击作用对岩样的损伤效果在增强而液氮浸泡作用产生的损伤效果在减弱。在7次循环以前,400℃喷射岩样的抗拉强度要高于浸泡岩样的抗拉强度,在第7次循环时喷射岩样抗拉强度大幅下降并低于浸泡处理的岩样。200℃经过液氮喷射循环处理岩样的抗拉强度始终高于液氮浸泡处理的岩样。本文图83幅,表7个,参考文献105篇。

关键词： ABAQUS   铰链   闸首   应力  

摘要： 该文主要是使用Hypermesh对某升船机闸首结构进行前处理，然后使用ABAQUS软件对该结构的1/2模型进行求解。为了解闸首结构运行全过程应力位移及止水情况，在求解过程中使用了铰链单元并施加驱动，模拟了闸首结构卧倒小门从完全打开到关闭，然后充水被压紧的全过程。通过对闸首运行全过程的模拟，明确了闸首结构设计中所存在的薄弱部分，对其优化设计，并再次进行计算，最终满足相关设计要求。

关键词： 金属送粉增材制造   数值模拟   温度场   应力场   数字孪生  

摘要： 随着科技的发展与进步,增材制造技术由于其具有材料可重复利用、可以进行个性化定制等优点已逐渐成为制造业领域的新方向,然而在增材制造技术不断发展的同时始终面临着一些技术瓶颈难题(如:工艺可重复性差、生产成本高昂、加工过程中易出现孔隙裂纹等问题),使得成型件质量无法得到保证,探索工艺参数过程中的试错实验导致加工成本高昂等问题始终制约着增材制造技术的发展,且无法实现工艺参数的实时反馈控制与优化,使其难以在航空航天、生物医疗等精密制造行业中得到进一步发展。因此,为解决上述问题,本文提出基于数字孪生技术构建送粉式金属增材制造工艺机理的数字化模型,以实现熔池温度场及残余热应力的预测,最终达到工艺参数实时反馈与优化的目的。为完成上述目标,本文首先借助Ansys有限元分析软件,以316L不锈钢为原材料,基于激光束为热源的送粉式金属增材制造工艺过程建立热力耦合仿真分析模型,探究单层多道和多层单道的两种情况下熔池温度场与残余热应力的具体分布情况,然后通过具体实验,将金属送粉增材制造过程中采集的熔池温度场数据与仿真结果进行对比分析,从而验证了仿真结果的准确性。其次是通过回归设计与分析的方法,建立有关激光功率、扫描速度以及基板预热温度三者之间的回归模型,并分析其对金属送粉增材制造过程中熔池温度与残余热应力的影响。最后,利用回归分析构建的数据模型,以金属送粉增材制造的熔池温度作为输入端的激励数据,残余热应力作为输出数据,建立针对送粉式金属增材制造工艺过程的数字孪生体,即将激光功率和扫描速度视为主要设计参数分别建立孪生模型,并对比分析了基于数字孪生技术得到的残余热应力与有限元模拟仿真结果,表明整体分布趋势基本保持一致,然而经由数字孪生体预测结果所需计算时间远小于有限元分析所消耗时间,因而可实现对工艺参数的实时反馈与优化,进而大大提高打印效率。

关键词： 燃气轮机   涡轮叶片   内冷通道   流热固耦合   应力场  

摘要： 随着航空发动机涡轮前温度不断提升,涡轮叶片内冷结构的设计原来越复杂,采用先进的内部冷却技术或改进内部冷却结构从而降低叶片表面温度至关重要。所以,本文对涡轮叶片内冷结构流热固耦合机理及其流动换热特性深入研究,构建了带肋直通道模型,重点分析了通道内的综合传热效率,获得了无量纲肋间距、肋高对带肋直通道流动传热特性影响规律,在此基础上,进一步研究了气动载荷和热载荷同时作用下叶片的等效应力分布。主要研究内容如下: 首先完成了对C3X涡轮叶片多物理场耦合算法验证并且详细分析了涡轮叶片周围的流动换热特性和叶片内部的换热特征。与实验数据对比发现,SST k-ω湍流模型能够更精准的预测涡轮叶片的流动传热等特性。通过叶片固体网格完成了流固耦合和热力耦合的数据交换,实现了热力耦合分析以及应力场和变形场分析,得到了热力耦合特征。 其次采用数值模拟的研究手段,首先对带肋直通道模型内部的稳态流场进行了数值计算,对其进行了网格无关性验证和湍流模型验证,并且对SST k-ω模型和实验结果进行对比,对通道内的流动现象和传热情况进行了后处理和分析。然后针对不同Re数下无量纲肋间距、肋高对带肋直通道流动和传热性能进行研究,借助了SST k-ω湍流模型,雷诺数范围为10000至50000,在对不同结构的模型在不同工况下进行了流动和传热结果的分析,最后在雷诺数50000工况下结果分析,在其他条件相同下,对比了无量纲肋间距下带肋直通道的综合传热效率,随着雷诺数的增长,分析了无量纲肋间距下的综合传热效率以及传热效果。此外,在其他条件相同的情况下,对比了无量纲肋高对带肋直通道的综合传热效率的影响,随着雷诺数的增长,分析了无量纲肋高下的模型的综合传热效率以及传热效果。 最后采用C3X涡轮叶片外部轮廓,构建了带优化肋结构的涡轮叶片计算域,通过Workbench平台进行流热固耦合计算。对于静强度计算,主要考虑气动载荷和热应力载荷。计算了设计的叶片在单一载荷作用下的等效应力分布,对比了在气动载荷和热载荷同时作用下叶片的等效应力分布,将两种载荷共同施加到C3X涡轮叶片上,对两种载荷共同作用在叶片上产生的变形量和等效应力分布进行了综合分析。