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关键词： 选区激光熔化   316L   数值模拟   应力   形变  

摘要： 随着航空航天领域的发展,作为高集成液压装置的航空EHA对高质量多向复杂异形管道构件的需求越来越大,传统的减材制造技术已经无法解决构件的制造难题,而以SLM技术为代表的增材制造技术使其成为可能。SLM技术又面临着大直径圆形管道上表面成形易翘曲和管壁粗糙度一致性差等问题。因此,本文研究选区激光熔化技术一体化成形管道工件的问题,研究内容主要包含以下几个方面:首先,研究选区激光熔化成形的物理过程,对316L不锈钢的热物性参数进行分析计算,探究SLM过程温度场及应力场的特征形式,对其基本理论公式进行推导。其次,建立特征管道有限元模型,并对其成形过程应力场进行数值模拟分析,获得成形过程中应力场的演变规律、成形后最大等效应力与不同工艺参数的对应关系,并使用时效处理的方式,降低管道模型的残余应力。再次,对特征管道模型成形过程形变场进行数值模拟分析,获得成形过程中形变累积的演变规律、成形后最大形变量与不同工艺参数的对应关系,分析不同尺寸管道的累积形变量。针对异形管道一体化成形问题,提取航空EHA低压阀块管道模型,进行形变模拟分析,为低压阀块管道添加支撑结构来减小低压阀块管道形变量。最后,运用实验的方法分析不同工艺参数下特征管道样件的成形质量,尺寸形貌、表面质量、维氏硬度及显微组织,通过对形貌尺寸及维氏硬度的分析,侧面验证数值模拟结果规律。

关键词： 热障涂层   活塞   应力   分布指数  

摘要： 活塞是内燃机中实现功能转换的重要部件,活塞的性能直接决定内燃机的性能。目前的内燃机新技术追求低排放和高功率,活塞要承受高温环境的热载荷以及高压的机械载荷,这对活塞的强度和耐热性能提出了挑战。在活塞顶部喷涂热障涂层,已成为降低活塞基体温度和散热量的有效方案。本文从铸铝合金活塞模型出发,对不同基体材料和带热障涂层模型进行仿真对比分析。针对现有热障涂层模型进行优化设计研究,并对涂层优化后模型进行评价,最终为热障涂层方案的选择提供参考。首先,基于功能梯度层概念,结合考虑热障涂层设计方案和孔隙问题,得到活塞和热障涂层的等效物性参数。运用相应的经验公式,结合活塞结构特点,得到活塞的热边界条件以及机械载荷情况。其次,在ANSYS Workbench中进行热分析。对活塞基体为铝合金和钛合金的模型热分析,发现钛合金模型顶部温度提高了304K,顶部传热量降低了47.1%,最大热应力提高了36.75Mpa。对带涂层方案的热分析基体的温度下降了50K,顶部传热量降低了51.2%,基体的最大热应力降低了31.60 Mpa。钛合金基体方案降低了活塞散热量,但对排气道、缸套等材料强度和耐热性能提出新挑战;热障涂层方案隔热效果明显,应力情况符合材料属性,方案可行性高。最后,基于现有热障涂层模型,通过改变分布数指、过渡层厚度和热障涂层厚度三种优化方案进行对比分析,为热障涂层的最佳方案提供了参考。通过分别对分布指数为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0进行仿真分析计算,结合实验研究结果,得出分布指数取0.4隔热效果及应力情况最好;研究改变过渡层厚度方案,方案二模型隔热效果好并对涂层脱落起到了减缓作用;通过对1.5mm、2.0mm和2.5mm三种热障涂层厚度对比分析,随着涂层厚度的增加,隔热量和稳定性都有提高。优化的最终方案为:2.0mm厚度的热障涂层、分布指数取0.4、过渡层厚度选取方案二。新方案对比分析原热障涂层方案,活塞顶部散热量降幅为2.96%,粘结层界面的拉应力从37.88 Mpa降低到31.90 Mpa,降幅为18.7%。优化后方案相较于现有方案的温度场、应力场情况有很大改善,减少了活塞顶部散热量,明显地提高热障涂层的稳定性。

关键词： GIS   裂纹缺陷   应力分析   静电场仿真   模态分析   振动法  

摘要： 在国民经济蓬勃发展的大环境下,城市用电负荷增大,但电力供求越来越重要的同时,建设用地却是十分有限。气体绝缘封闭式组合电器(简称GIS)因其体积小,占地少,运行可靠性高等优点受到了更多的重视,被越来越多地应用在城网变电站的建设中。GIS是电力系统中不可或缺的电气设施,它如果产生故障便可能对电网的常规运行产生影响,因此对GIS的故障检测研究也开始被更多地关注。盆式绝缘子既是GIS中关键的绝缘元件,同时还发挥了它对母线的支撑作用,而且还有将相邻两个气室分隔开的用处。盆式绝缘子在GIS中的重要性不言而喻,但同时它也是GIS中故障发生概率相对更高的元件,所以对盆式绝缘子缺陷检测的研究便是必不可少的。裂纹缺陷是导致盆式绝缘子故障发生的常见缺陷之一,所以本文将针对裂纹对绝缘子的影响进行研究。本文运用有限元法对盆式绝缘子的静力特性、电学特性和振动特性进行了分析。首先是对盆式绝缘子的应力分析,研究了绝缘子的应力分布,分析了裂纹的出现对绝缘子结构和性能会造成怎样的危害,以及存在位置和尺寸各异的裂纹时对绝缘子应力分布的影响程度,发现了裂纹处会发生明显的应力集中。然后对盆式绝缘子进行了静电场分析,计算了绝缘子的电场强度,分析了裂纹处在绝缘子各个部位以及不同尺寸的裂纹对绝缘子的电场分布的影响,发现了裂纹的继续发展可能会引发局部放电,进而揭露了出现裂纹的时候会存在的潜在风险。接着是盆式绝缘子的模态分析,比照分析完好的和存在各种裂纹缺陷的盆式绝缘子的固有频率,证明了固有频率能反映出裂纹缺陷的存在,得到了存在裂纹缺陷时绝缘子固有频率的变化规律。同时将模态分析的方法运用在GIS单元,证明了模态分析同样适用于GIS单元的检测,且存在裂纹缺陷时的固有频率变化规律与绝缘子一致,进一步证明了振动特性能有效反映出绝缘子是否存在裂纹缺陷。最后本文搭建了GIS盆式绝缘子的振动特性检测系统,根据振动信号来判断绝缘子的缺陷状况,提供了盆式绝缘子在线状态监测和结构缺陷检测时可作为参考的测量手段。

关键词： 高强度螺栓组   低周往复荷载   ABAQUS有限元分析   应力   滞回曲线  

摘要： 高强螺栓组是桥梁、高层建筑、机械部件连接中重要的环节,关系到结构的安全性和稳定性。目前对于螺栓群组结构各项参数的分析也有了一些结论,但是螺栓布置构型较为单一,整体力学行为对螺栓的影响的研究不够深入,取值往往通过经验来确定。因此,螺栓的构型以及各项参数进行更深入探究对高强度螺栓组的排列优化和保证连接体的结构强度均具有重要意义。高强度螺栓组涉及到多种受力工况和边界条件,受力情况复杂多样,本文主要开展了以下几方面的研究工作:首先,设计了3种新的螺栓布置构型。采用有限元方法,以10.9级M20高强度螺栓连接HN500×200型钢试件作为基本对照,参考规范中各部件尺寸,通过合理改变螺栓预紧力、腹板缀板厚度、翼缘内侧缀板厚度、翼缘外侧缀板厚度、螺栓直径、腹板处螺栓竖向间距的参数设计了18个不同的试件模型。其次,本文先通过对所有试件施加竖向静荷载来模拟螺栓组在正常使用工况下的受力情况。对不同构型的螺栓受力情况进行讨论,分析翼缘与腹板螺栓受力特征,总结不同布置构型的优劣,发现X型的螺栓布局对于应力的分布更为合理。罗列了不同部件参数对每个螺栓产生的影响并分析其原因,发现螺栓预紧力是对螺栓应力影响最大的参数,另外,改变螺栓间距也可以使螺栓受力更合理。第三,本文又通过对所有试件施加低周往复荷载来探究螺栓组的抗震性能。分析了不同构型每个螺栓的受力情况,探讨了不同构型、不同部件参数对螺栓受力的影响。通过提取模型数据,绘制了滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线,计算了能量耗散系数、延性系数,对不同试件进行了量化数值比对,分析了各试件抗震性能的优劣,发现传统螺栓布置整体性能优良,具有良好的延性、变形性能及承载能力,改变腹板处螺栓竖向间距对结构的刚度和其他力学行为没有明显影响,但当螺栓间距的增大到80mm时,螺栓的应力较小,受力更为合理。本文的研究成果进一步扩展了高强度螺栓组的研究内容,对今后不同的螺栓布置构型的应用与部件尺寸的取值提供了可供借鉴的理论基础。

关键词： 岩爆   微震监测   数值模拟   前兆信息   应力场  

摘要： 引汉济渭秦岭输水隧洞随着埋深增大地应力增加,导致岩爆灾害频发,这为研究岩爆前兆微破裂的演化规律提供了研究素材。本文研究围绕“岩爆微破裂前兆及演化规律”这一关键问题展开,依托陕西省引汉济渭秦岭输水隧洞TBM工区微震监测项目,以现场地质资料和微震监测数据作为研究基础,借助现场微震监测和岩石破裂过程分析软件（RFPA）分析TBM开挖扰动下岩爆前兆的微破裂演化规律和应力场的迁移演化过程。通过分析岩爆孕育过程中微破裂的时空演化过程,揭示岩爆孕育过程的应力演化特征;基于引汉济渭地质条件,建立三维数值模型,从应力场演化的角度,揭示围岩损伤演化规律与机制;最后,针对现场岩爆预防措施,建立超前应力释放孔施作方案评价机制和评价手段。主要研究内容如下:（1）根据引汉济渭秦岭输水隧洞TBM工区工程布置及施工方式,构建TBM跟随式可移动微震监测系统。研究引汉济渭秦岭输水隧洞TBM工区岩爆在洞周和轴向上的分布规律及岩爆孕育过程中微震事件序列特征。借助快速傅里叶变换识别岩爆发生前的微震事件中心频率变化前兆信息,同时引入定量地震学和“SSS”原理（Stress buildup,Stress transfer,Stress shadow）揭示岩爆孕育过程中定量地震学参数的前兆特征。（2）采用数值实验方法（RFPA）模拟结构面和TBM开挖扰动下围岩损伤的过程,揭示结构面型岩爆孕育过程中应力场的迁移演化过程。考虑微震损伤对围岩损伤的影响,反演真实应力场的演化过程,揭示应力集中区域和应力松弛区的形成机制,识别和圈定岩爆高风险区域,为预防结构面型岩爆提出一种新思路。（3）以秦岭输水隧洞TBM工区施工过程中施作超前应力释放孔主动防控岩爆的工程案例为背景,研究超前应力释放孔的施作时机。通过微震监测和数值模拟方法分析施作超前应力释放孔的应力转移效果。同时结合现场的岩爆预警措施汇总形成深埋高压岩爆预警防治方案。

关键词： 激光选区熔化成形   数值模拟   温度场   应力场   路径策略  

摘要： 激光选区熔化成形技术(SLM)是增材制造(AM)技术领域最有发展前景的技术之一,具有成形精度高、可选用的加工材料广泛、成形零件的机械性能优良等优势。在SLM成形过程中,零件中的温度分布极不均匀且随时间快速变化,较大的温度梯度会引起零件内部产生残余应力和变形,从而影响成形质量。本文基于ABAQUS软件对SLM成形过程中零件的温度场和应力场进行了分析,并对SLM成形路径进行了排序,为SLM成形工艺中路径选择提供参考。首先,应用ABAQUS有限元分析软件建立了SLM加工过程中单层成形和多层成形零件的温度场数值模型。分析得出在多层成形中,当前层的成形对已成形层部分有重熔作用,而且随着成形层数的增加,成形零件的散热条件逐渐变差,全局最高温度升高,液态熔池尺寸增大,在此情况下成形零件的尺寸精度和表面质量难以控制。所以在多层成形中,随着成形层数的增加,应改变激光功率或增加层间冷却时间,以减少成形零件内部的热积累,获得更为均匀的温度场分布。其次,在温度场计算结果的基础上建立了应力场数值模型,分析得出在多层成形过程中,成形当前层会对已成形部分有应力释放的作用,随着成形层数的增加,等效应力的最大值逐渐下降。加工完成后,零件内部的残余应力主要来自于冷却过程中产生的拉应力。最后,以零件的散热情况、残余应力分布、翘曲变形量为评判条件,对同向成形、交错式成形、螺旋线成形和Hilbert曲线成形这四种成形路径进行了分析和排序,为SLM技术在实际生产中的路径选择提供参考。

关键词： 煤岩   温度   应力   渗透率   吸附特性   热力学  

摘要： 煤层气是煤炭形成时的伴生产物,同时也是一种清洁能源,加强对煤层气的开发力度具有重要战略价值与经济意义。煤岩吸附/解吸量和渗透率是反映煤层气井产出能力与抽采效率的重要参数,对评判煤层瓦斯运移难易程度具有一定参考意义。随着资源深部开采的常态化,高储层压力、高温及高地应力等问题加剧了煤岩吸附与渗流演化机制的复杂性。此外,为进一步提升煤层气开发效率,煤层注热逐渐成为增透技术的重点研究方向。因此,研究温度与应力综合作用下的煤岩吸附与渗透特性对于强化煤层气采收率具有重要意义。本文以重庆松藻矿区和山西晋城寺河矿区的煤为研究对象,利用等温吸附装置和三轴伺服渗流装置分别进行等温吸附试验、不同温度与应力条件下的渗流试验。在此基础上建立考虑温度作用的吸附模型和热力学势方程,并进一步推导煤岩吸附/解吸变形及力热作用下的变形表达式。基于不同边界条件,构建考虑温度与应力影响的煤岩吸附-变形-渗透率模型。主要研究成果为:1)开展不同温度下煤岩等温吸附试验,分析温度与压力控制下煤岩吸附特性。基于外应力恒定、孔隙压力恒定和有效应力恒定的边界条件,开展不同温度下的煤岩渗流试验,对温度、有效应力和孔隙压力与渗透率间关系展开探讨,揭示温度与应力对煤岩吸附和渗流特性的影响规律。2)考虑温度和真实气体行为对煤岩吸附量的影响,对双点位Langmuir模型和Langmuir-Freundlich模型进行修正,并对比以优化模型预测性能。在此基础上进一步建立煤岩-瓦斯系统的热力学势方程,阐述温度与压力作用下煤岩与瓦斯间的相互作用。利用等量吸附热预测煤岩吸附量,进一步揭示煤岩吸附与热力学特性的互馈关系。3)基于新建吸附模型,推导温度和应力影响下的煤岩变形表达式。结合恒定外应力条件,分别构建考虑温度、孔隙压力与滑脱效应的渗透率模型和修正后S＆D渗透率模型。通过相关试验对所建渗透率模型的适用性进行验证,揭示温度与压力作用下煤岩变形和滑脱效应制约渗透率的演化规律及突变机制。4)基于煤岩基质与裂隙间相互作用,引入有效变形因子表征煤岩在温度和应力作用下的基质变化对裂隙通道的影响率。构建适用于不同边界条件下的煤岩渗透率模型,并通过试验对其进行验证,揭示煤岩在温度、应力与基质-裂隙相互作用共同影响下的渗透率演化规律。依据研究成果对注热技术在现场的应用进行了讨论,为煤层气增产及效益优化提供理论基础。

关键词： 分子筛吸附器   应力分析   热应力分析   疲劳分析  

摘要： 本文采用有限元方法对分子筛吸附器进行应力分析计算和评定,详细分析了存在应力集中的结构和具有较高热应力应力集中的结构,通过建立力学模型和应力分析,该处强度评定和热应力分析全部通过,疲劳校核合格,分子筛吸附器的设计满足各项工艺条件,设计合理,强度合格。

关键词： 锡酸锶   脉冲激光沉积   透明导电薄膜   掺杂   应力   PMN-PT   第一性原理  

摘要： 透明导电氧化物(TCO)薄膜作为一类重要的功能材料,具有导电性好、在可见光范围内透过率高的特点,在太阳能电池、场效应晶体管等光电器件领域表现出广泛的应用价值。近年来,随着光电子器件的快速发展,以Sn掺InO(ITO)、Zn O和Sn O为代表的TCO已经不能够满足人们的需求。一方面,这类TCO材料存在热不稳定性、化学不稳定性等缺点;另一方面,钙钛矿氧化物结构简单稳定,具有丰富的物理性质,如铁电、压电、超导电、光电特性等。全钙钛矿型薄膜器件能够通过外延生长方式有效解决界面问题,使器件的性能得到提高,而常用TCO薄膜无法满足全钙钛矿光电子器件的发展。因此,钙钛矿TCO薄膜引起了人们的广泛关注。本论文使用脉冲激光沉积(PLD)技术在LaAlO(001)[LAO(001)]和0.70Pb(MgNb)O-0.30Pb Ti O(001)[PMN-PT(001)]单晶衬底上制备了外延SrSnO(SSO)透明导电薄膜,研究了掺杂、组分变化及应力对薄膜光学性质及电输运性质的影响。主要开展了以下工作:(1)采用PLD手段在LAO(001)衬底上分别制备了A位掺杂的(SmSr)Sn O(SSSO,x=0-0.15)和B位掺杂的Sr(SnNb)O(SSNO)透明导电外延薄膜,前者研究了不同Sm掺杂量取代A位Sr对薄膜结构、电输运和光学性质影响;后者固定Nb掺杂量取代B位Sn,通过改变沉积氧压和衬底温度调控薄膜的光、电性质。结果表明,室温下x=0.06组分的SSSO薄膜表现出5.91 mΩcm的最低电阻率和14.8cm/Vs的最高迁移率。随着Sm含量增至0.06,光学带隙从4.27逐渐增加至4.60 e V。在衬底和SSSO(x=0.06)薄膜之间插入纯SSO缓冲层,降低了界面位错密度,使薄膜的电输运性能得到进一步改善。接下来通过调控SSNO薄膜的生长条件发现随着氧压减小,薄膜的晶格常数逐渐增大并仍能保持外延特性。在780°C、0.2 Pa的条件下制备的SSNO薄膜具有31.3 mΩcm的室温电阻率和3.31 cm/Vs的霍尔迁移率,且其变温电阻率曲线显示出金属-半导体转变。随着氧压从20 Pa逐渐降低到1×10 Pa,薄膜的间接带隙从4.35 e V增加到4.90 e V,直接带隙从4.88 e V增加到5.29 e V。在600至1800 nm的波长范围内,所有SSSO和SSNO薄膜的光学透过率均超过70%。因此我们通过对SSO进行A、B位掺杂能够得到性能良好的透明导电薄膜。(2)利用PLD在LAO(001)衬底上外延生长了(LaBaSr)Sn O(LBSSO,x=0-0.95)薄膜,对薄膜组分相关的结构、电学和光学性质展开了研究。随着Ba含量从0增加到0.95,LBSSO薄膜的面外晶格常数从4.045增加到4.122(?),电子迁移率值从22.2逐渐增加至34.4 cm/Vs。同时薄膜的直接/间接光学带隙从4.64/4.04单调下降至4.05/3.40 e V。密度泛函理论计算结果表明,Ba对Sr的取代可以降低LBSSO的电子有效质量和光学带隙,从而导致更高的载流子迁移率。(3)通过PLD技术在PMN-PT(001)衬底上外延生长了不同厚度(20-500 nm)的(LaSr)Sn O(LSSO)薄膜,研究了应力变化对薄膜结构、光学和电输运性质的影响。发现薄膜在20-100 nm厚度范围内处于完全应变状态,而随着薄膜厚度进一步增加,面内压缩应力逐渐降低。高分辨率透射电镜证实了100 nm的LSSO单晶薄膜在PMN-PT(001)衬底上实现了外延生长。对于完全应变状态下的薄膜,随着厚度增加到100 nm,电输运性质得到了显著改善;当超过应变弛豫的临界厚度时,薄膜的电性能出现下降。在100 nm的薄膜中观察到最低的室温电阻率1.88mΩcm和最高的迁移率28.1 cm/Vs。LSSO薄膜在600至2000 nm波长范围内表现较高的光学透明性,通过椭偏仪测试分析发现随着薄膜厚度从20 nm增加到500nm,薄膜的光学带隙从4.58 e V增加到4.88 e V。对于100 nm的样品,通过逆压电效应在PMN-PT衬底上施加直流电压能够原位进一步增加薄膜的面内压缩应力,从而使薄膜的电阻略有增加。这些结果说明应变能够调节LSSO外延薄膜的电学性能和光学带隙。

关键词： 深厚覆盖层   拱坝   地基处理   渗流   应力  

摘要： 我国西南地区河谷深厚覆盖层是一个区域性的地质事件。在此类地基上建设水利水电工程往往存在渗流破坏、渗漏损失、不均匀沉陷等诸多问题,给工程建设带来了许多挑战。根据《混凝土拱坝设计规范》（SL282-2018）的相关规定,拱坝坝基一般需将覆盖层开挖到Ⅱ-Ⅲ3类岩体,局部可开挖到Ⅲ2类岩体。但对于中小型拱坝,在施工工期、经济投入和技术措施等方面无法与大型水利枢纽工程比拟,能否在保证大坝安全稳定的条件下,不开挖覆盖层,而是通过合理的施工技术手段对覆盖层进行处理,达到建坝要求,是值得研究的课题。因此,本文提出一种“三道地下连续墙联合高压旋喷和帷幕灌浆”的地基处理方案,结合具体工程数值模拟和监测资料,研究该方案的实施效果,验证工程措施的合理性,以期为河谷覆盖层上建造拱坝提供一种新思路和新方案。本文研究得出以下结论:（1）对影响大坝选型的12种因素进行分析,将灰色关联分析与改进的AHP法相结合,建立综合评估模型得出最佳坝基处理和坝体方案—“三道地下连续墙联合高压旋喷和帷幕灌浆”。（2）采用软件COMSOL Multiphysics建立三维应力-位移模型,得出坝体及坝基连续墙在上、下游面最大拉应力分别为0.60MPa和0.55MPa,最大压应力分别为5.0MPa和7.0MPa,应力满足大坝的强度要求。（3）采用软件Geo Studio的SEEP/W模块进行二维渗流分析,得出整个坝基的总渗流量为1.618×10-5m3/s,连续墙底部、坝基出口水力坡降为分别为0.36和0.03,小于坝基材料的允许渗透坡降2.54。整个坝基渗流稳定基本得到满足,渗流量较小不影响大坝兴利要求。（4）将该措施下的大坝位移、渗压情况与事件观测数据分析对比,得出位移耦合模拟结果与实测数据坝顶、坝底测点各时段坝体变形数值均在允许误差10.0%以内,坝基混凝土连续墙与坝体混凝土之间变形较小,无异常,说明坝体相对稳定,位移及变形符合拱坝变形的基本规律;连续墙不仅用作防渗,最主要的是三道连续墙和旋喷桩起到支撑坝体的作用。渗透地基防渗效果较好,分布规律满足要求,在该措施下大坝安全可控。综上,本文对不开挖覆盖层建造拱坝新技术进行评价和分析,通过多场耦合、渗流计算和实际监测综合分析,结果能相互验证,说明了COMSOL和Geo Studio计算方法的准确性,应力和变形、渗流计算结果能反应大坝运行的实际情况。对比发现,坝体和坝基应力和变形、渗流情况均在规范要求范围内,说明在不开挖覆盖层情况下,采取三道连续墙和高压旋喷灌浆的措施是合理且可靠的。