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关键词： 供热   球墨铸铁管   热水管道   有限元   应力分析  

摘要： 我国集中供热已有70年发展历程,从分散供热逐步走向集中供热,截止2020年底供热管网的长度达到五十多万公里,其中绝大部分为直埋敷设,目前供热直埋管道主要采用钢管进行热水的输送,经过多年的使用,发现钢管网主要存在两个缺点:一是焊接施工效率低,焊接质量受工人水平和天气影响;二是易腐蚀,寿命短,有些管网寿命只有十几年。成功应用于给水系统的球墨铸铁管由于球墨铸铁的耐腐蚀性以及承插连接的方式,弥补了钢制供热管网的两个缺点,但球墨铸铁管用于直埋热水供热管网系统,目前还没有成熟的计算体系。 对于供热直埋球墨铸铁热水管道来说有三个关键点,一是随着温度和内压的变化,管道的弯头、三通和固定墩处工作管焊接肋片的位置会经过多次循环塑形变形,当管道局部位移过大时会导致管道失稳,且应力计算没有成型的计算方法,手动计算困难;二是直管段易发生屈曲破坏;三是柔性承插连接密封圈的安全。 本研究采用ANSYS Workbench有限元分析软件对供热直埋球墨铸铁热水管道以上三个关键点进行了模拟分析。建立管-土三维模型,根据实际情况进行边界条件设定,对弯头、三通和工作管焊接肋片的位置应力分布情况及变化规律进行数值模拟;对直管段进行了特征值屈曲分析;选取承口、密封圈和插口三个管件做为装配体对O型密封圈进行应力及变形模拟。分析结论如下: (1)弯曲半径不变而壁厚增加时,弯头的峰值应力基本不变;壁厚不变而弯曲半径增加时,弯头峰值应力降低,可通过线性化应力法判定产生的峰值应力是否会使弯头结构破坏。 (2)对主管直径DN300～800的三通分析结果表明:峰值应力最大值出现在主管与支管内壁侧腹部区域,且支管尺寸越大峰值应力越大,增大过渡半径可降低因峰值应力过大导致三通失稳;因此,三通管件设计中,三通支管尺寸较大时,应增加过渡半径。 (3)对固定墩处焊接了肋片和翼环的工作管分析表明:由内压及温差产生的最大应力位于工作管内壁,呈波浪状;为了肋片不失稳,应增加肋片长度及厚度。 (4)采用锚固段特征值屈曲结果作为球墨铸铁热水管非线性屈曲的初始缺陷,对管道进行非线性屈曲分析,结果表明:当壁厚一定时,临界屈曲载荷会随初始缺陷增加而降低,且随着初始缺陷增加,临界屈曲载荷下降速率增大。当初始缺陷一定时,临界屈曲载荷随壁厚增大而增加。工程设计过程中可根据管道所受载荷计算管道初始缺陷,根据初始缺陷选择合适的管道壁厚。 (5)供热直埋球墨铸铁管柔性连接密封圈的过盈量可增加密封圈应力应变、摩擦应力和密封压力,随着管径的增大,密封圈应力应变、摩擦应力和密封压力会降低,因此,对于大管径管道,应增加密封圈的过盈量。

关键词： 激光粉末床熔融   数值模拟   工艺参数   温度场   应力场   热源替换  

摘要： 有一种激光粉末床熔融(LPBF)制备的特种马氏体不锈钢,由于其优异的性能,进入了研究者的视野,但由于热应力的影响,其LPBF制备过程和打印完成后可能会开裂翘曲等现象,导致打印缺陷甚至打印失败,其失效原因及影响因素尚不明晰;使用有限元分析的方法来研究激光粉末床熔融(LPBF)的复杂物理过程得到了增材制造研究者得广泛运用,于此同时LPBF过程温度场应力场有限元模拟存在占用大量的计算机资源及时间的问题;基于此,本文通过有限元分析软件ANSYS建立了该特种马氏体不锈钢LPBF的温度场应力场演化的数值模型,并研究了工艺参数对其温度场应力场的影响;同时,通过热源替换的方式,提高LPBF温度场应力场数值模拟的效率,减少数值模拟对计算资源及时间的占用。本研究的主要成果如下:(1)明晰了该特种不锈钢LPBF过程温度场应力场演化规律,研究了工艺参数对其温度场应力场的影响,得出了不同工艺参数对温度场应力场的影响规律,为LPBF过程残余应力的工艺调控提出了指导。(2)通过热源替换的方法,逐步用低次简单的热源方程替代了多步加载的移动高斯热源方程,实现了LPBF过程温度场应力场仿真本构方程次数的降低、减少了有限元分析的步数和步长,在温度梯度和应力分布情况相近的前提下,提高了LPBF过程温度场应力场仿真的效率。(3)从熔池形貌和残余应力两个方面对LPBF数值模拟进行了可靠性验证,实验结果中残余应力随工艺参数的变化趋势与数值模拟的趋势相同,同时,实验熔池形貌与模拟形貌形同,实验熔池尺寸与模拟熔池尺寸相差在10%以内,说明本文的数值模拟一定程度上达到了指导LPBF工艺参数的目的。

关键词： 多孔泡沫金属   钨极氩弧焊   温度场   应力场   力学性能  

摘要： 在科学技术不断进步的今天,传统的工程材料已无法满足人类对结构功能材料的要求,而泡沫铝的出现则为人们提供了一条新的道路。目前,在航空工业、机械制造业、轨道交通和生物医药等众多领域,都有大量的使用。但是大面积的泡沫铝板直接制备较为困难,因此,对泡沫铝焊接工艺的研究具有十分重要的意义。本文以尺寸为100 mm×100 mm×20 mm的闭孔泡沫铝为研究对象,对板材之间的钨极氩弧焊焊接过程分析。为了使模拟结果更加贴近实际焊接情况,应用ANSYS有限元模拟软件施加移动高斯热源,在得出温度场计算结果后采用间接法对应力场进行求解,并对泡沫铝焊接接头力学性能的有限元结果进行模拟分析。主要内容如下:(1)提出了闭孔泡沫铝几何建模的假设。利用犀牛软件环境下运行的Grasshopper插件创建三维Voronoi几何模型,并在此基础上近似得到闭孔泡沫铝球体模型。(2)通过观察对比实际实验与模拟仿真获得的焊接接头宏观形貌和横截面,分析随着焊接电流的增大和有无AlSi焊丝中间层的填充,闭孔泡沫铝焊接熔池的熔深和熔宽变化规律,以及焊缝的成形效果。(3)通过观察不同电流参数下的温度场云图以及热循环变化曲线,分析随着焊接电流的增大和有无AlSi焊丝中间层的填充,闭孔泡沫铝焊接过程中熔池最高温度变化规律,以及焊件上各温度节点的变化情况。通过观察不同电流参数下的应力场云图以及应力变化曲线,分析随着焊接电流的增大和有无AlSi焊丝中间层的填充,闭孔泡沫铝焊接过程中等效应力变化规律。同时,对平行焊缝和垂直焊缝两条路径不同方向上的纵向应力和横向应力进行分析。(4)通过观察不同电流参数下的三点弯曲模拟过程以及弯曲强度-挠度曲线,分析随着电流参数的增大和有无AlSi焊丝中间层的填充,闭孔泡沫铝焊接接头的抗弯强度变化以及应力分布情况。同时,对焊接接头的失效形式进行分析。通过观察不同电流参数下的准静态压缩模拟过程以及应力-应变曲线,分析随着电流参数的增大和有无AlSi焊丝中间层的填充,闭孔泡沫铝焊接接头的压缩强度变化以及应力变化规律。

关键词： 氧化铪   厚度   裂纹   应力   铁电薄膜  

摘要： 近年来,由于全球数据量的爆炸式增长,人们迫切地希望高性能的优秀逻辑器件、存储芯片以及光电子器件的问世。氧化铪基铁电薄膜是一种新型铁电材料,其制备工艺可以与硅工艺平台完全兼容,并且拥有良好的铁电性质和尺寸可塑性,为高性能、低功耗、优良耐久性的电子器件的研发带来新的希望。普遍认为,氧化铪基铁电薄膜的铁电性能来自于其在室温下处于亚稳态的正交铁电相,而元素掺杂、表面能效应、应力工程、薄膜厚度等因素,可以对氧化铪基铁电薄膜的性能产生显著影响。其中厚度效应是氧化铪基铁电薄膜性能最重要的影响因素之一。因此,本文探究了多种厚度的铈掺杂氧化铪铁电薄膜的厚度效应,并制备了基于铈掺杂氧化铪铁电薄膜的MFISFET,探究其存储性能。本文开展了如下工作: （1）采用溶胶-凝胶法制备不同厚度（150 nm、301 nm、390 nm、608 nm）的铈掺杂氧化铪铁电薄膜,探究薄膜的厚度效应。通过对薄膜的形貌、组分和性能进行表征,发现薄膜厚度增加有利于铈掺杂氧化铪铁电薄膜中铁电性能与介电性能的提升。这是由于薄膜的厚度较薄的时候,界面死层、基底应力及内部晶界、缺陷的存在导致漏电流密度增加,耐久性降低。这严重影响了铈掺杂氧化铪铁电薄膜铁电相的形成与稳定。随着薄膜厚度的增加,应力状态,界面死层以及缺陷分布得以改善因而薄膜的铁电性能、介电性能都得到明显提高。 （2）研究了裂纹对铁电薄膜性能的影响。研究中发现,薄膜厚度达到一定程度后,薄膜会产生规则的裂纹。与无裂纹薄膜的性能进行对比,发现适当的裂纹数量可以在保持薄膜极小漏电流密度的前提下,使薄膜的铁电极化增加。其剩余极化值与无裂纹薄膜的铁电性能相比可获得较大的提升（最大2Pr值可达到约88.6μC/cm2）。此外,研究发现薄膜裂纹密度越高的区域,其铁电性能更好,其原因可能与薄膜内应力的充分释放有关。 （3）探索了高性能铈掺杂氧化铪铁电薄膜在存储器件中的应用。根据上述研究结果选取适当厚度的薄膜制备基于铈掺杂氧化铪铁电薄膜的Mo S2-MFISFET。为并对其存储性能进行测试分析。发现该MFISFET器件具有良好的栅控能力,开关比约为10～4,载流子迁移率2.61 cm2/V·s,亚阈值摆幅为742 m V/dec,器件的写入/擦除之间的电流开关比在1000 s内可以保持在10～2以上,具有良好的非易失性。本研究为高性能铁电薄膜和器件的研制提供了新的思路。

关键词： 低温环境   架空输电导线   微风振动   温度场   应力场   振动特性  

摘要： 我国的北部地区,气候复杂多变,时常伴随有大风,环境条件恶劣,冬季最低温度最低可达-58℃。在低温和风的影响下,架空输电导线会长时间处于振动状态。目前,导线微风振动强度的研究大多数集中在常温环境下,但对于低温环境下导线微风振动特性的研究并不充分,在低温环境中能否安全运行难以保证。在低温环境中,导线所处的环境温度较低,且常常处于有风的状态下。金属物体具有热胀冷缩的特性,使导线承受的张力和导线内部应力与常温环境下有所不同。受到低温环境的影响,在载流量一定的前提下,导线的温度与常温环境中具有很大差别。温度会对导线内部各层的应力产生影响,导线应力的变化会影响到导线的自阻尼,进而对导线的微风振动强度产生影响。同时,对于导线温度场、应力以及微风振动的研究,大多数采用简化的模型对导线整体进行分析,对于具体的细节分析并不充分。针对上述问题,本文的研究内容如下:(1)基于热平衡基本原理,根据导线横截面结构,通过数值仿真方法,建立导线温度场分析模型,对不同的低温环境(-50℃～-30℃)、风速以及载流量下的导线进行温度场计算,进而分析导线径向温度分布。对不同低温环境下导线温度场进行分析。并分析低温环境、风速以及载流量对导线温度场的影响。(2)以导线轴向张力方程为基础,对导线在不同载荷以及温度作用下的应力进行计算。由导线的三维实体结构建立导线应力场模型,采用数值仿真方法计算低温环境下(-50℃～-30℃)不同载荷以及环境温度对导线应力及应变的影响。(3)基于能量平衡法,建立架空输电线的能量平衡方程,并考虑低温环境下导线的温度与应力特性,分析导线在不同载荷、低温环境以及和地形等因素下振动幅值与频率关系。分析不同条件对导线微风振动特性的影响。

关键词： 温度   应力   孔隙压   蠕变   渗流   本构模型  

摘要： 煤层气作为一种清洁、高效和储量巨大的非常规天然气对于解决我国能源短缺和防治矿井瓦斯灾害具有重要意义。深部煤层气长期赋存在高温、高地应力和高孔隙压的煤层环境中,特殊的“三高”环境造成煤体非线性变形行为频繁且变形程度更剧烈,深部煤体显著的蠕变特性则会对煤层的透气性产生较大影响。为研究不同温度、应力和气体压力下煤体的蠕变变形和渗透率演化规律,分析多因素影响下煤体蠕变-渗流耦合作用机制,采用高温高压岩石三轴固流热耦合实验装置对烟煤进行多因素变量下的压缩蠕变-渗流试验和构建煤体的蠕变变形与渗透率本构模型。本文的主要研究如下:(1)通过三轴压缩蠕变-渗流实验,研究了烟煤的蠕变变形特性及气体渗透率演化规律。发现:1)各烟煤试样的蠕变特性差异主要体现在蠕变起始阈值强度和蠕变变形程度两方面,试验煤样的蠕变起始阈值强度从8MPa到11MPa不等,蠕变程度最大煤样的轴向应变量是蠕变程度最小煤样的2.39倍。2)煤样的裂隙发展在蠕变失稳破坏下表现为径向局部突出破坏,在压裂破坏下则呈现出斜向的侧壁贯穿大裂隙破坏。3)试验煤样渗透率的演化存在三阶段:加压前期快速大幅下降阶段、恒压期间缓慢下降或平稳过渡阶段和试验后期出现拐点由下降转为上升趋势阶段,只有部分试样经历了第三阶段。(2)基于煤样的蠕变变形及其气体渗透率演化规律,探究温度和围压强度对煤体的蠕变-渗流特性影响机理。结果表明:1)温度与煤样的径向和轴向蠕变变形呈正相关性:随温度的升高煤样径向和轴向应变的变化速率发生改变且高温(110℃)环境中应变速率的变化会一直持续直至煤样发生破裂。2)煤样的渗透率最大降低率随着温度水平升高而增大,110℃、70℃和30℃下煤样的气体渗透率最大降低率均值依次为91%、84.6%和77.93%。3)围压对煤样的径向和轴向蠕变起抑制作用且同温度下渗透率降低率随围压强度增大而减小,围压4MPa和3MPa的煤样在30℃、70℃和110℃下其气体渗透率最大和最小差值分别为:7.8%、5.2%和6.5%,4.2%、2.1%和1.9%。(3)通过将一个黏-弹-塑性体与伯格斯体串联得到非线性伯格斯蠕变模型,并根据Kozeny-Carman方程建立煤体的渗透率模型。发现:1)伯格斯模型能够较好描述煤体仅发生衰减蠕变和稳态蠕变的蠕变行为,拟合曲线相关系数的最大平方值为0.9930,最小平方值为0.9668。2)改进后的非线性伯格斯模型能完整描述包含加速蠕变阶段的蠕变全过程,拟合曲线相关系数的平方值为0.9822和0.9662。3)通过对30℃、70℃和110℃烟煤试样的体积应变与其气体渗透率的试验数据建立相应煤体渗透率模型进行验证,所得的渗透率模型能较好描述煤样蠕变过程中的渗透率演化规律。

关键词： InSe   机械剥离法   高压   应力   光电器件  

摘要： 近年来,以石墨烯和过渡金属硫族化合物(TMDs)为代表的二维半导体材料因具有原子级厚度、高迁移率和带隙可调等优异的性能,备受研究者关注。然而,石墨烯的零带隙限制了其在光电探测领域应用。而InSe拥有可调的带隙、极高的载流子迁移率和优异的光学偏振性能,受到了广大研究者的青睐。然而,InSe也存在功函数较高、载流子浓度较低、空穴迁移率低以及少层InSe的荧光较弱等不足,从而限制了其在光电器件中的广泛应用。为了进一步改善InSe的性能,人们采用应力、掺杂、温度、外部电磁场以及异质结等方法对其性能进一步调控和优化。InSe的杨氏模量较小,仅为23.5 GPa左右,可承受的拉力高达27%。因此,应力在调控InSe结构和性能方面具有独特的优势。在本论文中,我们通过机械剥离法成功地制备了不同层数的InSe,并通过拉曼以及荧光光谱对样品的厚度进行了表征。在此基础上,采用面内单轴拉伸应力、面内双轴拉伸应力、各向同性的静水压应力以及面外单轴压缩应力这四种不同的应力对其结构和性能进行调控。尤其是高压不仅提供了一种各向同性的静水压应力,而且作为一种极端条件,能够获得常压条件下难以获得的新结构和新特性。基于此,我们系统地研究了高压条件下InSe的结构稳定性、电子结构和偏振性能变化。在此基础上,构筑InSe光电探测元件,并对其光电性能进行详细研究。具体的研究工作如下:(1)通过机械剥离法制备不同层数的InSe样品,并利用光学显微镜、拉曼光谱以及荧光光谱等技术对其厚度进行表征。InSe的荧光峰随厚度的减小逐渐蓝移,带隙也由体材料的1.25 e V增加为五层时的1.46 e V;厚度小于五层时由直接带变为间接带,荧光减弱并逐渐消失。结果表明,荧光光谱和拉曼光谱可有效地表征InSe的厚度。(2)InSe的高压研究。通过拉曼、PL、FT-IR和第一原理计算,系统地研究压力作用下InSe的结构演化和相变过程。在11 GPa以上,样品颜色完全变为黑色,拉曼和红外光谱确认其发生不可逆的金属化相变。在低于11 GPa,经过反复加压-卸压循环,InSe能够完全转变为高温高压相InSe-II。此外,随着压力的增加,InSe的荧光峰持续蓝移,在4 GPa附近出现直接带-间接带转变,因此其荧光强度先增强再减弱,并在3.8GPa处达到最大值。压力还可以导致其偏振性能改变,在3.3 GPa时其极化角度偏移15°,当达到6.5 GPa时其极化角度再次偏移30°。结果表明,高压作为一种各向同性的静水压应力,能够有效调控InSe的晶体结构、荧光性能及偏振性能。(3)InSe的应力调控研究。设计多种装置产生四种不同类型的应力,包括面内单轴拉伸应力、面内双向拉伸应力、各向同性的静水压应力和面外轴向压缩应力,研究了不同类型应力对其声子模式和荧光性能的影响。结果表明,四种应力均会导致其荧光红移,带隙减小。对于同一种声子模式,面内双轴拉伸应力和静水压应力的调控作用要优于单轴拉伸应力和面外轴向压缩应力。综合拉曼和荧光结果,双轴拉伸应力的调控效果最为显著。(4)InSe光电器件的构筑及性能研究。构筑光电导型InSe光电探测元件,研究了退火、温度及功率对其光电性能的影响。结果表明,退火能够显著改善器件的电极接触,从而提高其光电性能;在532 nm激光的光照下,样品的光电压和光电流都会随着激光功率的增强而增加;温度的升高,其接触电势明显改善,光电流显著增强。此外,InSe光电响应也十分稳定,在经过多次的循环测试,其光电流和响应时间并无明显减弱。

关键词： 耐压蛋壳   应力分析   等效试样   裂纹扩展速率   腐蚀疲劳寿命  

摘要： 本文以水下4000米级蛋形耐压壳腐蚀疲劳裂纹扩展为研究对象,采用试验研究、理论分析、数值计算相结合的方法开展相关研究。研究马氏体镍钢在海水中的腐蚀规律,建立含焊接残余应力的蛋形耐压壳腐蚀疲劳裂纹扩展速率模型,并对其结构腐蚀疲劳寿命进行预测,将为蛋形耐压壳损伤容限设计奠定理论基础,对建立异形耐压壳疲劳损伤预报和安全作业评估体系、提高深海潜水器使用可靠性具有重要意义。本文的主要研究内容与结论如下:(1)对马氏体镍钢18Ni(250)材料的标准C(T)试样开展预腐蚀疲劳试验。把马氏体镍钢材料的C(T)试样放置在人造海水环境中浸泡18个月,得到18Ni(250)材料在海水中的腐蚀速率和表面腐蚀形貌变化过程。通过疲劳裂纹扩展试验,研究18Ni(250)材料腐蚀疲劳裂纹扩展速率,得到18Ni(250)材料的腐蚀疲劳裂纹扩展与疲劳裂纹扩展差值Δa-N曲线,并把Δa-N关系拟合成一个多项式函数,为基于疲劳裂纹扩展特性的基础上,研究腐蚀疲劳裂纹扩展特性提供了依据。(2)根据蛋形轮廓曲线函数和强度理论,设计出满足4km水下工作要求的蛋形耐压壳,建立焊接毛坯数值模型,并用有限元方法分析了无模胀形过程。基于数值模型,研究内胀变形对分段式蛋壳趋向蛋形的改善情况和蛋壳焊接部位的应力分布情况,分析无模胀形对蛋壳焊接部位弯曲应力的影响。通过有限元模拟和残余应力测试试验,对焊接处焊接残余应力沿厚度方向的分布规律进行研究。(3)通过理论计算和有限元仿真验证,设计出能等效蛋壳焊接处在水压载荷下产生压弯应力和焊接残余应力的试件,并设计出疲劳试验使用的配套夹具。对Newman-Raju公式进行合理修正,添加了焊接残余应力引起的应力强度因子,得到含焊接残余应力的压弯应力表面裂纹强度因子的统一形式。通过对等效试样开展疲劳裂纹扩展试验,研究等效试样疲劳裂纹扩展速率,并拟合不同裂纹形状比下的裂纹扩展速率曲线,得到等效试样统一疲劳裂纹扩展速率基准模型。(4)使用FRANC3D软件,对等效试样疲劳裂纹扩展进行分析,验证了等效试样18Ni(250)焊接残余应力下统一的疲劳裂纹扩展速率模型的可靠性,并对等效试样裂纹扩展行为进行分析,得到裂纹在试样表面和深度方向的扩展路径。在等效试样统一疲劳裂纹扩展速率模型的基础上,添加腐蚀疲劳裂纹扩展和疲劳裂纹扩展裂纹长度差值?a和循环载荷N的关系式,得到腐蚀疲劳裂纹扩展速率统一模型。使用腐蚀疲劳裂纹扩展速率统一模型对耐压蛋壳进行腐蚀疲劳寿命预测,得到其腐蚀疲劳寿命。

关键词： 太阳能光热发电   填充床储热器   熔盐   蠕变   应力  

摘要： 高温熔盐填充床相变储热器是聚光型太阳能热发电系统实现高效低廉储热的最佳方式之一,也是目前太阳能热发电储热技术的主要发展方向。特别地,在高温度、多循环、长周期的运行过程中,填充床熔盐相变储热器存在高温蠕变与应力疲劳导致的失效泄露现象,给整个系统的安全运行带来极大挑战。然而,目前针对其失效特性的研究仍存在许多不足:已有针对显热储热器构建的热-力耦合数值方法已不再适用于存在固-液相变换热的储热结构,且已有模拟方法也未考虑真实的罐体结构与应力荷载,同时,涉及其动态蠕变特性的研究也鲜有报道。因此,为提高填充床熔盐相变储热器的安全性能,有必要开展高温蠕变与应力特性的研究。基于此,本文以极具应用前景的高温熔盐填充床相变储热器为研究对象,开发并完善了多因素协同作用的热-力耦合数值方法,揭示了设计寿命期内储热器蠕变与应力损伤的动态失效机理,探讨了关键参数(相变颗粒球径、熔点与孔隙率)对其蠕变与应力性能的影响规律,并提出了具有低蠕变损伤时间与低应力水平的双层变球径-变熔点储热结构。具体的研究工作如下:1)理论设计了700MWht相变球填充床储热结构,在综合考虑相变颗粒内固-液相变换热、罐体应力荷载、罐底板、边缘板与大角焊缝结构等多因素的基础上,基于有限容积法与有限元法,建立了储-放热条件下储热器热-力耦合特性的数值预测模型,并实验验证了所发展的热-力耦合分析方法的正确性,为接下来开展动态蠕变与应力特性研究提供方法支撑。2)数值分析了储-放热循环下填充床相变储热器的动态蠕变与应力损伤特性,获得了设计寿命期内各壁板的蠕变损伤时间分布规律。结果表明:(1)储-放热循环中,大部分壁板均会产生高温导致的蠕变现象,设计寿命期内,顶端壁板(11m≤H≤13m)的蠕变时间是底端壁板(0≤H≤2.2m)的4.7倍,易发生蠕变断裂;(2)壁面应力沿高度方向变化显著,大部分壁板(2m≤H≤13m)均处于低应力水平的弹性状态(30-80MPa),但壁板与底板连接的大角焊缝位置极易产生应力集中导致的塑性失效现象;(3)罐体应力受壁面温差影响显著,储热时,峰值应力与温差逐渐增大,经历4.0h后峰值应力为477.8MPa,远高于材料屈服强度;放热时,整个罐体的应力水平均较低,峰值应力仅为28.8MPa;(4)多次储-放热循环中,壁面温度呈周期性变化(563-836K),峰值应力也呈周期性变化趋势(28.6-477.8MPa)。3)探讨了关键参数(相变储热球直径、熔点及孔隙率)对填充床相变储热器动态蠕变和应力特性的影响规律。结果表明:(1)增大相变储热球球径有助于降低罐体应力水平,但壁板蠕变时间会增加。当球径从20mm增加到42mm时,设计寿命内顶端和底端壁板的蠕变时间分别增加2.7%和46%,罐壁峰值应力降低21%;(2)采用较低熔点的相变材料有助于缩短壁板蠕变损伤时间,但罐壁应力水平会增大;当熔点温度从395℃降低至365℃,顶端与底端壁面的蠕变时间分别降低2%与15%,峰值应力增加7.1%;(3)增大填充床孔隙率可降低应力水平,但壁板蠕变时间会增加;当孔隙率从0.22增加到0.5,底端壁板的蠕变时间增加19.7%,峰值应力降低9%。4)进一步发展了填充颗粒小球径-低熔点(结构I)与大球径-高熔点(结构II)的单层填充床储热结构,并提出了一种具有低蠕变损伤时间与应力水平的沿流动方向变球径-变熔点的双层填充床储热结构(结构III),对比分析了3种填充结构对储热器动态蠕变损伤与机械应力性能的影响情况。结果表明:(1)采用小球径、低熔点的相变颗粒(结构I),罐体蠕变损伤时间的降幅最显著,其次是双层填充结构III;与结构II相比,设计寿命期内储热结构I的顶端与底端壁板的蠕变时间可分别降低4.1%与71.4%。(2)具有最低蠕变时间的储热结构I的壁面应力最高(614.39MPa);采用双层变球径-变熔点的储热结构III时,储热器的应力水平最低,与结构I相比,峰值应力值可降低26%;(3)综上,采用沿流动方向增大球径与熔点的双层填充床储热结构,不仅能缩短罐体蠕变损伤时间,还可同时降低应力水平,有效避免储热器产生蠕变断裂与塑性失效,进而提升整个系统的安全性能。

关键词： 既有隧道与基坑   建筑物荷载   应力   土体表面竖向位移   土压力  

摘要： 目前地铁建设规模不断增大,地铁车站普遍建设在人流量较大的地区,周边建筑物较为密集。随着我国经济发展城市化进程不断加快,建筑物的数量愈来愈多,这势必会导致建筑物对临近既有地铁车站的隧道及基坑产生不良的影响,为得到地铁车站既有隧道、基坑受到上方建筑物荷载时的受力情况、变形规律、土体的竖向位移以及隧道上方土层中土压力的变化规律。本文以沈阳地铁九号线某车站为原型,在进行模型试验的基础上,通过数值模拟的方法对隧道直径、隧道埋深、隧道与基坑相对水平距离、土体类型四种影响因素展开深入的研究,为未来类似的实际工况提供有力的参考,本文主要的研究工作及结论如下: 本文共设立4种室内缩尺试验,对既有隧道的应变、基坑的应变、土体表面竖向位移、隧道上方土层的土压力进行监测,探究在不同荷载的作用下四种监测数据的变化规律,试验通过控制变量对比法分析隧道埋深、隧道与基坑的相对水平距离及基坑尺寸这三种参数对试验结果造成的影响,并根据试验采集到的数据得出荷载与隧道各测点应变的关系、荷载与基坑各测点应变的关系、荷载与土体表面竖向位移的关系及荷载与隧道上层土体土压力的关系。通过试验结果可知,三种参数对既有隧道及基坑模型的应变影响较大,而对土体表面竖向位移及土压力的影响相对较小。 本文利用有限元软件ABAQUS在模型试验的基础上建立数值模型,对隧道及基坑的应变、土体表面的竖向位移、隧道上方土体的土压力进行分析,模拟计算结果与试验结果基本相符,验证了有限元分析的可行性,为利用数值模拟拓展不同参数奠定了基础。 本文利用有限元模型针对隧道直径、隧道埋深、隧道与基坑的相对水平距离、土体类型四个影响因素展开分析,探究四种参数对地铁车站隧道、基坑的受力情况、土体表面竖向位移及隧道上方土体的土压力的影响,并通过改变参数得出在不同工况下建筑物的荷载对既有隧道及基坑的联合作用的影响。通过数值模拟的结果可知,隧道与基坑的相对水平距离对基坑应力的影响较大,土质对既有隧道、基坑以及周边土体的影响较大。