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关键词： 盾构隧道   模型试验   渗漏位置   压力水头   应力   土拱   沉降分区  

摘要： 针对富水地层浅埋盾构隧道接缝渗漏问题,结合海南的地质条件,采用一套可控制渗漏位置和压力水头的试验装置,在砂土及黏土地层中开展多组模型试验。通过分析渗漏量、漏土级配、地层沉降、地层应力等,探究渗漏对围岩位移场和应力场的影响规律。对砂土地层不同接缝位置渗漏时的围岩沉降分区进行研究。采用扫描电子显微镜从微观的角度分析渗漏对围岩的影响。主要结论如下:试验过程可划分为初始阶段、漏土漏水阶段、收敛阶段。收敛阶段隧道内不再漏土只漏水,砂土地层的沉降槽呈“V”状,黏土地层无明显沉降槽。饱和砂土试验的渗漏量、地表沉降量远大于饱和黏土试验,当渗漏位置为拱脚,压力水头为3.1倍隧道直径时,砂土地层的地表沉降量为黏土地层地表沉降量的57倍。地表最大沉降与漏缝处埋深、压力水头正相关。黏土地层中,当压力水头增量相同时,漏缝处埋深越浅,发生渗漏时地表沉降增量越大。初始阶段漏缝旁土样的孔隙数量少、孔隙平均直径大。漏土漏水阶段漏缝旁土颗粒最先流失,粗颗粒开始在漏缝处聚集并逐渐形成土骨架,对细颗粒迁移产生阻力。收敛阶段,稳定土拱已经形成,漏缝旁土样的孔隙数量多、孔隙平均直径小,细颗粒附着在粗颗粒表面,颗粒间相互接触、挤压,土骨架更加密致。漏土漏水阶段的孔隙水压力和土压力最小,收敛阶段的孔隙水压力和土压力大于漏土漏水阶段而小于初始阶段。漏缝处围岩的应力损失率最大,离漏缝处越远,应力损失率越小。孔隙水压力损失率与漏缝处埋深正相关,土压力损失率与漏缝处埋深、压力水头正相关。砂土地层中,土压力对压力水头的增加不敏感,压力水头增加1倍隧道直径,土压力损失率的增量不超过1.90%。试验过程中有效应力与漏缝处埋深正相关,收敛阶段的水力坡降与压力水头正相关。收敛阶段时饱和砂土试验仅拱脚缝的平均有效主应力超过初始阶段水平,饱和黏土试验中拱顶缝、拱肩缝、拱脚缝的平均有效主应力均超过初始阶段水平。砂土地层中,依据土颗粒运动特征将隧道围岩沉降分为侵蚀区、位移区和稳定区,经偏移修正和曲线修正后侵蚀区和位移区的水平向长度与压力水头、漏缝处埋深正相关。压力水头增加1倍隧道直径,拱脚缝侵蚀区水平向长度增长率为44.64%,而拱顶缝仅为18.27%。随着漏缝处埋深增加,侵蚀区和位移区形态逐渐由“横鸭蛋”向“竖鸭蛋”转变。

关键词： 窄种植体   钛基氧化锆基台   动态载荷   三维有限元   应力  

摘要： 目的: 建立上颌中切牙钛基氧化锆基台、一体式氧化锆基台和钛基台窄种植体冠修复及骨支持组织的三维有限元模型,施加斜向30°动态载荷,观察比较钛基氧化锆基台、氧化锆基台、钛基台、种植体内部及骨支持组织的应力大小和应力分布规律,为临床钛基氧化锆基台在窄种植体中的应用提供生物力学参考依据。 方法: 采用CBCT与Mimics、Geomagic Studio、Solidworks、Ansysworkbench等仿真建模软件相结合,建立右侧上颌中切牙钛基氧化锆基台、氧化锆基台和钛基台窄种植体冠修复及骨支持组织的三维有限元模型共3组,对模型施加1个咀嚼周期150N的斜向30°载荷,观察比较钛基氧化锆基台、氧化锆基台、钛基台、种植体内部及骨支持组织的应力大小和应力分布规律。 结果: 1.建立了右侧上颌中切牙钛基氧化锆基台、一体式氧化锆基台和钛基台窄种植体冠修复及骨支持组织的三维有限元模型共三组(TZ组、Z组和T组)。模型网格划分精细,几何相似性良好,调整性和可重复性强,能满足动态加载的需要。 2.冲击载荷末,TZ组、Z组和T组基台、种植体、中央螺丝、皮质骨和松质骨的最大等效应力值分别为809.160MPa、460.700MPa、238.820MPa、119.280MPa、8.711MPa,678.030MPa、306.090MPa、155.550MPa、97.198MPa、7.260MPa和744.030MPa、392.660MPa、202.570MPa、102.390MPa、7.555MPa,其中TZ组Ti-base和氧化锆层的最大等效应力值分别为809.160MPa和131.850MPa,应力主要集中在基台种植体连接处、种植体上部1/2、中央螺丝顶部与体部连接处和种植体周皮质骨内。 3.卸载阶段末,TZ组、Z组和T组基台、种植体、中央螺丝、皮质骨和松质骨的最大等效应力值分别为13.548MPa、9.856MPa、0.717MPa、4.372MPa、0.288MPa,8.703MPa、6.447MPa、0.379MPa、3.066MPa、0.185MPa和11.127MPa、8.093MPa、0.485MPa、3.396MPa、0.207MPa,其中TZ组Ti-base和氧化锆层的最大等效应力值分别为13.548MPa和0.038MPa,应力主要残留在基台种植体连接处、种植体上部1/2、中央螺丝顶部与体部连接处和种植体周围皮质骨内。 结论: 1.应用CBCT技术与Mimics、Geomagic Studio、Solidworks、Ansysworkbench等软件建立右侧上颌中切牙钛基氧化锆基台、氧化锆基台和钛基台窄种植体冠修复及骨支持组织的三维有限元模型并进行动态力学分析的方法切实可行。 2.基台种植体连接处、种植体颈部、中央螺丝顶部与体部连接处和种植体颈部皮质骨是应力集中区。 3.基台材料影响应力值的大小,但不改变应力分布规律。 4.本实验条件下钛基氧化锆基台组的应力较大,但可用于窄种植体。

关键词： TA10钛合金   数值模拟   熔池演变   扫描电子束   温度场   应力场  

摘要： TA10钛合金(Ti-0.3Mo-0.8Ni)是一种具有优异抗缝隙腐蚀性能的近α合金,除了优秀的耐腐蚀性能外,还表现出优异的工艺成形性和焊接性能,因此该TA10钛合金被广泛应用于石油、天然气输运、化工耐蚀防腐、海洋开发、航空航天飞行器制造等领域。近年来,随着科技的进步,对钛及钛合金的生产提出了更高的技术要求。因为电子束冷床炉熔炼技术(EBCHM)可以有效去除钛及钛合金中的高低密度夹杂,所以是现阶段熔炼钛及钛合金铸锭的主流先进技术。但是,电子束冷床炉熔炼是在高温、高真空的环境下进行的,熔炼过程中的熔炼工艺设定会对铸锭生产质量产生很大影响,此外,钛及钛合金中一些饱和蒸汽压高的合金元素容易挥发造成铸锭的成分不均匀。对此,本文通过运用数值仿真模拟软件ANSYS和Pro CAST,对电子束冷床炉熔炼TA10钛合金圆锭的凝固过程进行研究,探究了凝固过程中的流场、熔池演变、温度场以及应力分布。本文首先对TA10凝固过程中的流场和熔池演变进行了模拟研究,通过研究不同工艺参数(浇注温度和浇注速度)发现,浇注温度和速度的提升都能提高熔体在熔池内部的流动性且都能使熔池深度得到加深,其中浇注速度对熔体的搅拌作用和熔池深度的影响最为明显,但是过大的浇注速度会使糊状区宽度加宽,这会使所得铸锭内部更容易产生缺陷。紧接着通过在熔池表面加载高斯热源近似模拟电子束的扫描,探究了在额定的电子束工艺条件下,不同工艺参数(浇注温度和浇注速度)与熔池表面温度的变化关系,通过研究发现适当的提升浇注温度和速度,可以降低电子束的能量损耗,可以通过提升浇注温度和浇注速度的方法减少因电子束扫描引起的元素挥发。通过以上的研究,确定了对于本文研究的TA10熔炼最佳工艺参数:浇注温度为2273 K,浇注速度为0.0295 m/s。本文还探究了不同工艺条件(电子枪功率、电子束直径、电子束频率)下的电子束扫描对熔池表面温度的影响规律。这方面的研究旨在通过对温度的控制去抑制元素挥发,保证铸锭化学成分的稳定,为实际生产中的工艺参数设置提供科学的理论依据。研究发现,随着电子枪功率的提高,中心区域的局部过热现象变得尤为明显,且熔池表面的温度波动也愈发剧烈;但是这种现象会随着扫描电子束直径的增大逐渐消失,因此在实际生产中当选用大的功率时,可以通过增大电子束直径的方法,使熔池表面温度场保持均匀;此外,当电子束频率达到10Hz以上后,熔池表面温度变化将趋于稳定,温度波动将大大减小,最终达到稳定。此外,本文还探究了扫描电子束对熔池演变的影响规律。为了提高铸锭的质量,本文还研究了不同工艺参数(浇注温度和浇注速度)下TA10圆锭应力的分布规律,模拟结果表明,等效应力最大的区域基本集中在结晶器内部和铸锭底部。浇注温度与浇注速度相比,浇注温度对应力场的影响较小,随着浇注速度的增大,铸锭表面的等效应力在逐渐降低。

关键词： 细带磁芯   制备工艺   应力   涡流   软磁性能  

摘要： 为满足电力电子产业和新能源汽车发展的需要,实现“双碳”目标,磁性器件向小型化、高功率密度、高频化方向发展。非晶软磁合金具有高磁导率、高电阻率和低损耗等优异的软磁性能,是优选的“双绿色”节能材料。然而,自由退火工艺制备的非晶纳米晶磁芯也存在饱和磁感应强度不够高、耐大电流能力不强的缺点。本文采用自主研发的应力退火装置,对Fe非晶合金进行应力退火,可以提升饱和磁化场,显著提升磁芯的耐大电流能力;还探究磁芯制备工艺和热处理工艺对磁芯软磁性能的影响。采用直流和交流测试系统对磁芯样品进行软磁性能测试,并且采用上海同步辐射光源,辅以本研究团队开发的非晶软磁合金应力退火过程同步辐射原位测试装置,分别检测Fe基非晶软磁合金自由退火过程和应力退火过程的同步辐射XRD谱。讨论张应力对纳米晶结构及其磁性能的影响,进而探讨张应力退火对Fe基非晶纳米晶磁芯磁性能的影响作用机制。具体研究结果如下: 一、制备工艺对磁芯软磁性能的影响 （1）磁芯样品固化后的单位电感量比固化前的高,有机硅胶固化比环氧树脂固化的单位电感量高5%,550℃自由退火后用有机硅胶固化的磁芯样品单位电感量最高,L为1.2mH。 （2）致密度在80.0%-86.0%范围内的磁芯,磁芯软磁性能较好,饱和磁感应强度大于1.2T,饱和磁感应强度和剩磁的峰值分别为1.26 T、0.64 T,Hc最小值为3.21A/m,单位体积损耗Pcv和单位质量损耗Pcm值较低。 二、热处理工艺对磁芯软磁性能的影响 （1）温度退火磁芯样品退火后的Pcm、Pcv值,随着频率的增加而增大,随着温度的升高而减小;温度退火在540℃-570℃范围内,损耗值变化不大;540℃退火磁芯的Pcm和Pcv值都比510℃的低87.8%。 （2）张应力磁芯的损耗随退火张应力的增大显著降低,特别在高频激励下损耗降低相当明显,展现出良好的高频损耗优势。 （3）氮气保护的磁芯与无氮气保护的相比较,Bs平均值高2.1%,μmax平均值高8.7%;80.16MPa磁芯的Hs比12.33MPa的高160%。磁芯样品的Hs随σ的增加呈线性上升的趋势,氮气保护的斜率b值是无氮气保护的1.38倍,其抗电流能力更强。在氮气环境下,Hs与σ的关系为:Hs=a+bσ。 三、应力退火提高磁芯的高频软磁性能,其微观机理是晶格各向异性,纳米晶的微观应变在平行于应力方向是线性增大的,而在垂直于应力方向上是线性收缩的,说明应力退火引起晶面间距的差异,即存在晶格各向异性。

关键词： 5MW风机   复合材料   叶片   应力   疲劳寿命  

摘要： 近年来,伴随着我国风电产业的成长,风力发电装机容量也呈现出大幅增长的势头。叶片是风力发电机的重要零部件之一,其性能的优劣,不仅关系着风机的整体性能,也间接影响风电的产出与成本。在叶片的诸多性能中,基于其作业环境之恶劣,最易受疲劳损伤所影响,原因在于叶片本身承载着较大的循环载荷。因此,研究风机叶片的应力疲劳寿命对于理论和实际之价值颇大。 在此背景下,本文对风力发电机组的叶片进行了研究,对风机叶片结构设计、材料强度特性、叶片在额定转速下受力疲劳性能情况进行了研究和实验验证,为叶片结构设计、复合材料的铺层的设计与分析提供理论依据,通过对风机疲劳寿命的分析、计算、仿真和实验,提出一种新的研究方法:通过研究损伤概率估计叶片疲劳寿命,该法对预测风力叶片疲劳寿命具有重要指导意义。主要研究内容及结果如下: (1)根据叶素理论对叶片进的特性进行分析。首先对玻璃纤维复合材料叶片之翼型进行了设计,经过采用Matlab实施迭代计算和模拟,得出关于叶片的几个关键工艺参数:弦长、扭角、周向诱导因子与轴向诱导因子等。并利用三维建模软件UG完成了风机叶片模型的创建。 (2)在叶片的建模中结合叶片实际,加入了内部结构项进行了综合分析,结果表明:叶片的应力最高处为根部,而叶片末端是最大变形的地方。此外,对叶片根部的复合材料层间力进行分析计算,得出应力最高的地方为-45°铺层,还发现了应力伴随着铺层角度的不同而展示出带有某种周期性的特征。 (3)采用ABAQUS有限元软件进行了复合材料风机叶片模型的分析,结果表明:采用ABAQUS有限元软件对叶片模型进行分析后满足实际生产及应用需求。 (4)利用matlab生成了随机载荷,并利用n Code生成载荷谱;运用n Code得出玻璃纤维材料的S—N曲线;运用n Code软件对在额定转速下的风机叶片载荷进行疲劳寿命研究,分析表明:设计叶片在正常转速下,叶片的疲劳寿命为22年3个月,远超过了20年的设计寿命要求。 上述研究结果为进一步优化风机叶片的设计和性能提升提供了有力的依据,此项研究成果已实际应用于叶片实际生产过程中,大大缩短了叶片研发工期,目前已经批量生产200套左右且已挂机运行发电,实际挂机后叶片的疲劳寿命有待验证。

关键词： 整体壁板   电子束选区熔化   温度场   应力场   工艺参数  

摘要： 整体壁板相对于传统壁板具有优越的气动和结构性能,在航空航天领域应用越来越广泛。整体壁板的成形已发展出多种工艺方法,传统的加工方式是通过化学铣切复合弯曲成形工艺。化学铣切具有自身的局限性,各种弯曲成形工艺也有其不足之处。增材制造相比减材制造,在成形异形结构方面具有优势。整体壁板作为薄壁结构,具有复杂的变曲率曲面,应用增材制造技术成形整体壁板优势明显。电子束选区熔化增材制造技术(Selective Electron Beam Melting,SEBM)在加工铝合金成形件时具有反射率低,加工效率高,材料不发生氧化等优点。但是电子束选区熔化制造技术成形整体壁板,容易造成整体壁板翘曲,裂纹等缺陷。本文通过ANSYS有限元软件,以6061铝合金为研究对象,建立单层单道、单层多道、单道多层和整体壁板的有限元模型,研究温度场、应力场分布和预测变形。通过分析单道单层时工艺参数对熔池尺寸和热历史的影响,得到以下结论:电子束功率,电子束扫描速度,预热温度这些工艺参数均对熔池形貌有影响。当输入线能量小于0.19J/mm,6061铝合金的熔池深度、宽度均随着电子束扫描速度增大而减小,熔池长度随电子束扫描速度的增大而增大;当输入线能量大于0.19J/mm,熔池深度、宽度均随着电子束扫描速度增大而增大,但增大速率减小,熔池长度随电子束扫描速度增大而减小。熔池的寿命随着电子束功率,电子束扫描速度,预热温度增大而增大。熔池冷却速率,受电子束功率,电子束扫描速度,预热温度这些工艺参数影响,其中电子束功率是主要影响因素。通过分析工艺参数对单层多道和单道多层的温度场和应力场的影响,得到以下结论:电子束增材制造加工单层多道时,电子束扫描对相邻扫描道有影响,其影响会随扫描道数的增加而减少,最终趋于稳定。电子束增材制造加工单道多层时,后一层对前一层的热影响比较大,能使前一扫描层发生重熔。且最高温度随着扫描层数的增加而升高。电子束选区熔化增材制造的变形主要发生在垂直于扫描方向的Z轴。整体壁板的成形过程中,摆放方式、支撑、基板材料对整体壁板的变形有影响。蒙皮朝下时,整体壁板的变形大于筋条朝下的摆放方式。支撑对电子束增材制造成形的整体壁板变形影响较大。基板材料的热传导系数越大,整体壁板的最大变形越大。基板材料不同时,整体壁板的最大变形有也明显变化。

关键词： 趴卧型枕垫   中国青年女性   乳胶   记忆海绵   应力   数值模拟  

摘要： 随着时代的发展,人们的工作和休闲的环境不断变化,各种多功能的辅助产品层出不穷。枕垫产品是生活中十分重要的辅助类产品,不同材料、功能和外形的产品在市场中种类很多。其中趴卧型枕垫作为常见的枕垫产品可以满足各种生活和工作场景需求。本课题选择趴卧型枕垫创新设计作为研究目标,枕垫垫芯材料选择乳胶和记忆海绵这两款性能较为优秀的材料。本文从枕垫材料、枕型、枕垫功能设计方面入手,采用3种设计方式研究设计多款缓压舒适的趴卧型枕垫产品。研究主要分为以下四个部分。第一部分对市场上的趴卧型枕垫产品进行调研,对消费者进行问卷调查。枕垫主观评价实验和人体数据采集实验对象是根据调研结果选择的中国18-25岁且BMI指数在18.5～23.9之间的61名女性。本文对主观评价实验结果进行数值分析得出:在使用电脑和手机环境下,人体身高和臂长与枕垫选择角度的相关性最强。实验者使用趴垫时不适感主要集中在胸腹部等位置。枕垫体压实验选择61名实验者中身高和臂长处于50分位的实验者进行,体压数据和该实验者的身材数据作为后续数值模拟的拟合数据和基础。第二部分对5款垫芯材料进行物理性能探究和压缩性能仿真。垫芯材料选择密度和性能不同的Ⅰ号海绵、Ⅱ号海绵、Ⅲ号海绵、记忆海绵和乳胶海绵。该部分在有限元软件中选择多款本构模型进行材料压缩仿真实验。仿真实验与物理实验的对比结果证明最适本构模型为低密度泡沫本构模型(Low density foam)。同时课题还研究了乳胶和记忆海绵材料的应力、厚度和形变量之间的数学模型为后续产品优化设计提供支持。第三部分建立三维人体模型并进行枕垫使用仿真分析。该部分同时探究了合适的人体组织和微元感应片的本构模型。枕垫使用仿真实验与体压实验的拟合结果证明了仿真的可行性。课题建立了手机与电脑环境下人体使用平板枕垫的仿真模型,并对仿真实验中人体表面应力、枕垫平面应力、最大应力、平均应力以及纵向分布曲线进行分析,结果显示最适枕垫材料为乳胶和记忆海绵。第四部分运用了3种设计方法设计了多款不同类型的乳胶和记忆海绵枕垫。第一种设计方法是根据平面枕垫的应力数据进行反向推导出枕垫表面形状。第二种设计方法是采用数字图像处理设计堆叠型枕垫。第三种设计方法是基于前两种方法进行表面简化设计。最后具有颈部支撑的优化枕垫产品是通过材料性能的数学模型求出颈部支撑尺寸而设计的。

关键词： 模压   衍射结构   有限元仿真   应力   填充  

摘要： 精密玻璃模压(Precision glass molding,PGM)是如今进行批量化加工高表面质量光学元件的一种重要技术。硫系玻璃衍射光学元件由于其体积小、重量低在军事、医疗、检测等领域被广泛应用。因此,使用玻璃模压技术生产硫系玻璃衍射光学元件是值得研究的。对于衍射光学元件的模压成型,衍射结构的填充和成型透镜的最大应力会影响衍射光学元件的面形精度。本文为了提高衍射光学元件的衍射效率,减小玻璃模压工艺中硫系玻璃衍射光学元件的面形偏差,研究了衍射结构填充和成型透镜最大应力对面形的影响。具体研究内容如下:本文首先对可作为模具和模芯的材料、可模压玻璃的种类进行详细分析,并对光学玻璃的材料性能及这些性能对模压工艺的影响进行介绍。重点分析了玻璃模压的基本理论,并对粘弹性理论展开讨论,分析各个模型的优缺点,以此为依据建立5对广义Maxwell模型作为仿真阶段的理论指导。其次对硫系玻璃衍射光学元件模压过程进行仿真分析。为了确定衍射结构的填充效果和最大应力的变化情况,确立以微晶铝RSA905为模芯、以硫系玻璃IG6为预制体建立局部衍射结构仿真模型进行分析,讨论了模压温度、模压速度、摩擦系数等工艺参数对成型透镜衍射结构填充和最大应力的影响。研究表明随着模压温度的增大,衍射结构填充没有明显变化,成型透镜最大应力先减小后增大;模压速度越小,衍射结构填充越完整,成型透镜最大应力越小;摩擦系数越大,衍射结构填充越完整,成型透镜最大应力越大。并以此仿真结果作为实验阶段的工艺参数指导。最后进行硫系玻璃衍射光学元件模压成型实验,得到满足成型透镜面形偏差小于0.5μm的最佳工艺参数。以红外硫系玻璃IG6为预制体、微晶铝RSA905为模芯的模压工艺实验结果表明当模压温度不变时,模压速度越小衍射面面形偏差越小;当模压速度恒定不变时,模压温度为230℃时成型透镜面形偏差最小。最佳工艺参数为模压温度230℃、模压速度0.01mm/s,在此工艺参数下面形偏差为0.3053μm,表面粗糙度Ra为2.92nm。并在此工艺参数下连续进行7组模压成型实验,随机抽检成型透镜,面形精度均符合要求,验证工艺参数的稳定性。

关键词： 高速连铸   冷却水缝   变速冷却结晶器   应力场   摩擦力  

摘要： 方坯无头轧制需要实现方坯连铸的超高速化,而超高拉速带来坯壳过薄和铜管易损现象。研究超高速方坯连铸结晶器内凝固传热、冷却结构以及结晶器内腔形状等,奠定方坯连铸的超高速化的理论和技术基础。 基于流固耦合、节点温度传递与接触算法,分别建立二维纵向铸坯-铜壁-冷却水流固耦合模型和三维铸坯传热-应力耦合模型,分析高拉速下结晶器水缝与铜壁之间传热及铸坯温度与应力状态。设计了多宽度水缝的冷却结构,提出了铜管圆角设计思路。研究结果如下: 在弯月面下40 mm处铜壁和冷却水温度达到最高值,随着拉速提高,铜壁与冷却水的温度不断上升。在拉速5.0 m/min时,铜壁和冷却水最高温度达到221.7℃和100.8℃,需要采用高压操作抑制水沸腾。冷却水速度对铜壁与冷却水温度场具有显著影响。在相同供水量下,水缝宽度由5 mm减小至3 mm,铜壁温度降低21.7℃。保持水缝不变,水速由10.3 m/s增大至13.0 m/s,铜壁温度下降10.4℃。 采用多宽度水缝,实现冷却水流速合理分布,设计了变速冷却结晶器。与均匀水缝时平均流速13.0 m/s相比,水缝出口流速上升到23.6 m/s。在拉速4.0 m/min时,铜壁热面最高温度下降18.6℃,冷却水最高温度下降18.8℃。铜壁温度均匀,减少铜壁的熔损与热变形。 提高拉速导致常规结晶器角部摩擦上升,铜壁磨损加剧。采用多圆角半径,优化结晶器铜管内腔角部形状。弯月面下400 mm处铜管圆角半径减小、角部气隙增大,降低了铸坯角部传热和摩擦。与常规结晶器相比,结晶器下部区域角部坯壳最大等效应力减小2.4 MPa,圆角区域铜壁与铸坯摩擦由989 k N降为0。 图46幅;表8个;参66篇。

关键词： 立式分子筛吸附器   应力分析   优化设计   寿命预估  

摘要： 立式分子筛吸附器作为吸附气体杂质的典型压力容器,在空气分离纯化系统中扮演重要角色。常见立式分子筛吸附器运行时承受高应力循环和热循环载荷,对结构强度提出了苛刻要求,所以对立式分子筛吸附器结构进行应力分析与优化设计尤为重要。本文利用ABAQUS和ANSYS Workbench有限元软件,对分子筛吸附器建立二维和三维模型,分析吸附器主要结构在吸附工况和再生工况下应力和热应力分布,同时对下封头接管和人孔兼卸料口接管两种典型开孔结构进行优化设计,最后对吸附器整体结构进行了寿命预估。 本文的主要研究内容包括: (1)利用有限元软件构建立式分子筛吸附器主要结构的力学模型,分析得到吸附器在吸附和再生工况下各主要结构的应力和热应力分布规律。结果发现,在吸附条件下应力集中主要发生在各结构的连接过渡区域,其中人孔兼卸料口接管应力集中最为显著;再生工况条件下热应力集中主要发生于结构内壁区域,其中筒体接管热应力集中最大。 (2)针对立式分子筛吸附器下封头开孔接管结构,选取封头壁厚、接管壁厚和封头曲面深度作为优化参数,利用ANSYS Workbench响应曲面多目标优化,结合遗传算法进行优化设计,优化后使得封头在满足强度条件下整体质量减轻近20%;针对吸附器人孔兼卸料口接管结构,以筒体壁厚、接管壁厚、筒体直径为优化设计变量进行优化设计,结果发现优化后接管整体质量明显减轻且最大应力减少10.8%;针对下封头裙座,通过修改裙座和封头的连接方式进行结构优化,结果发现修改后的裙座结构应力降低了10.5%。 (3)基于断裂力学理论,利用有限元模拟方法,分析了下封头接管、人孔兼卸料口接管、封头装料口接管在不含裂纹情况下疲劳寿命问题,结果发现立式分子筛吸附器在无裂纹情况下承受载荷循环次数为37003次,可安全使用16年;针对含裂纹情况的疲劳寿命问题,利用ABAQUS扩展有限元和Paris公式相结合,分析发现立式分子筛吸附器允许载荷循环次数为11978次,可使用年限为5.1年。