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关键词： 工程力学   课程教学   实践案例  

摘要： 阐述工程力学是机械类专业非常重要的一门专业必修课,课程在教授专业知识的同时,引导学生形成正确的世界观、人生观、价值观。课程在实践过程的不仅教授专业知识,更重要的是要实现引导学生树立正确科学观的育人目标。通过样例设计说明,探讨工程力学课程的教学实施过程,较好地解决了专业知识点的多元化教育课题,从而为其他理工科专业课程的建设模式和方法提供参考案例。

关键词： 小保当一号井   隔水层   结构关键层   覆岩变形   应力  

摘要： 榆神矿区赋存大量的优质煤炭资源,但是该矿区水资源匮乏,采煤活动会导致地下水资源漏失,破坏生态环境,诱发地质环境问题。本文以小保当一号井112201工作面为地质背景,采用相似材料模拟和数值模拟的方法,研究单采及复采情况下覆岩的变形规律。在此基础上,对小保当一号井全井田进行开采影响分区预测。本文以实现保护水资源和煤炭安全开采为目标,从小保当一号井水文地质和工程地质资料入手,运用关键层理论、变形分析方法等方法,确定出主采煤层覆岩中有1个主关键层及5个亚关键层。运用相似材料模拟实验及3DEC数值模拟实验,得到单采及复采下覆岩中结构关键层的破断顺序和破坏特征。破坏顺序为亚关键层相继破断,随后主关键层破断;覆岩整体的破坏特征从下到上可分为破坏压实稳定区-破坏不稳定区-稳定区,并确定出复采情况下导水裂隙带发育高度为233.5m。将实验得到的地表下沉值与实测值进行对比分析,预测出重复开采下,地表最大下沉值为4.1m。用FLAC3D数值模拟软件建立流固耦合模型,分析单采及复采下覆岩最大、最小主应力的变化,得到覆岩变形应力特征,在采空区的覆岩应力呈挤压状态,在开切眼及停采线处的覆岩呈张拉状态。通过对隔水层的孔隙水压力进行监测,得到孔隙水压力在单采及复采情况下的变化规律,孔隙水压力下降,但降幅不大。根据裂采比,对小保当一号井全井田进行开采影响分区,结果显示复采较单采裂采比有所增加,单采条件下全井田均为未失水区,复采条件下,将全井田划分为一个一般失水区和一个未失水区。本文所得结论具有一定的可靠性,为陕北实现水资源保护与煤炭安全高效开采的“双赢”提供了理论基础。

关键词： 核工业精神   工科教学   工程力学  

摘要： 文章首先阐述了核工业精神与工科教学途径探索的契合点,然后以《工程力学》课程为例,阐述了核工业精神与工科教学的融合途径,事业高于一切,责任重于一切,严细融入一切,进取成就一切的核工业精神融入工科教学,提高学生职业素养。

关键词： 带式输送机   外转子永磁电机   极槽配合   应力分析  

摘要： 带式输送机作为重要的输送设备,其驱动部分的结构随着永磁电机的发展发生了改变,从传统的异步机+减速器+联轴器+耦合器+机械滚筒到现在的外转子永磁直驱辊,两者相比之下,外转子永磁直驱辊缩短了传动链,抛弃了减速器,减少了所带来的油液泄露等一系列问题,提高了系统运行效率。带式输送机在驱动结构发生变化的同时,输送距离也逐渐加长,一方面是提高永磁直驱电机的单机功率,另一方面选择由多台永磁直驱电机共同驱动皮带。本文就以上问题展开研究,主要研究内容如下:针对长距离带式输送机多点驱动问题,结合带式输送机所受的运行阻力,给出了多点驱动时电机的功率分配;确定多点驱动中间位置时,根据等圆周力或等围包角的的原理,结合实际工况,给出了等距离或者等张力的布置方式以及具体的计算方式,为后续多点驱动模型设计提供了理论支持。结合带式输送机驱动电机的设计要求,设计了一台表贴式永磁直驱辊,理论分析了转矩脉动的产生,齿槽转矩和纹波转矩作为主要因素,极槽配合对转矩脉动的影响重要,通过三种不同极槽配合的比较,选择了其中转矩脉动最小的进行样机生产,设计了分数槽集中绕组来降低谐波含量;通过对平底永磁体和同心圆永磁体两种不同形状的永磁体进行比较,平底永磁体气隙磁密波形的正弦度更好,谐波含量更少;针对外转子永磁电机的散热困难,样机冷却选择水冷,设计了永磁直驱辊的冷却水道,搭建实验平台,进行样机空载、负载和温升实验,将设计和样机实验进行对比验证。针对优化筒壁厚度,减小电机体积的问题,对筒壁进行模型简化和受力分析,并对永磁直驱辊筒壁进行建模,将筒壁受力作为载荷施加,对比分析了5种不同厚度下的筒壁的形变量,在满足机械强度的前提下,输出转矩不变,电机的体积和材料的用量相比原来有所减小。针对带式输送机长距离输送以及输送过程中负载不均匀的问题,结合实际工况,采用i=0的矢量控制模型,设计了负载自适应的三驱控制系统,能根据负载量选择投入驱动电机的数量,当电机在轻载的时候,减小投入电机的数量增大单台电机的负载量,提高系统效率,当多驱系统投入两台及以上的电机时,在依载调节电机数量的基础上,实现多驱系统间的功率平衡,保证带式输送机安全节能运行。最后,搭建控制模块,建立仿真模型,通过仿真得出多驱系统的输出电流和输出转矩波形验证控制系统的正确性。

关键词： 渗透率   应力   温度   力热耦合   气水相渗  

摘要： 我国具有十分丰富的褐煤煤层气资源,然而对褐煤煤层气渗流影响因素认识不足制约了煤层气开发。煤层气渗流能力常用渗透率表示,渗透率主要受温度、应力等因素影响,因此研究应力、温度等因素对褐煤渗透率影响特性具有重要意义。本文利用TCXS-Ⅱ型气水相渗实验设备对褐煤进行了应力与温度作用下渗透率特性变化实验,此外还考虑了氦气、氮气两种不同吸附性气体力热耦合下渗透率实验以及应力与温度作用下气水相渗实验,研究结果表明:有效应力作用下褐煤渗透率与温度不呈单调变化关系,在低有效应力作用下,褐煤渗透率随温度升高呈现上升后下降趋势,在较高有效应力作用下,褐煤渗透率随温度升高呈波动趋势变化,在高有效应力作用下,褐煤渗透率呈先下降后缓慢上升趋势;在较低温度作用下通入氦气时褐煤渗透率大于通入氮气时褐煤渗透率,随有效应力与温度上升,氦气作用下褐煤渗透率下降幅度大于氮气作用下褐煤渗透率下降幅度;在应力与温度作用下,随体积应力增大,褐煤束缚水饱和度增加,气相相相对渗透率增大,水相相对渗透率减小,体积应力对水相渗流抑制作用更强;随孔隙压力增大,残余水饱和度呈降低趋势,水相相对渗透率增大,气相相对渗透率减小;随温度上升残余水饱和度呈下降趋势,气相相对渗透率上升速率变快,气相饱和度升高;从饱和水到残余水过程中随温度升高,气相渗流量也呈增大趋势。图[41]表[23]参[71]

关键词： 有限元   无牙颌   种植   应力分析   All-On-6  

摘要： 目的: 建立无牙下颌骨、种植体、上部结构的三维有限元模型,按照模型分组建立不同种植位点、不同远中种植体倾斜角度的All-on-6种植固定修复三维有限元模型,分析三种不同加载方式下种植体周围骨组织应力分布的情况,为临床种植修复设计和全口咬合恢复提供一定的力学参考。 方法: 1.建模前的准备:通过阅读参考文献,获得无牙下颌骨建模相关的数据。 2.建模:使用COMSOL Multiphysics5.6软件进行无牙下颌骨三维有限元模型的建模,同时按照模型分组进行不同位点(46-43-41-31-33-36、46-44-41-31-34-36、46-43-42-32-33-36、46-44-42-32-34-36、46-44-43-33-34-36)种植体、不同远中种植体倾斜角度(0°、15°、30°)的建模,得到15组不同的有限元模型。其中A-P距是指最前端种植体和最后端种植体之间的垂直距离,是种植位点设计的要点。 3.载荷加载:以150N轴向力按照前牙加载、右侧尖牙加载、右侧后牙加载三种不同加载方式进行加载。 4.有限元分析:通过COMSOL Multiphysics5.6软件求解,进行有限元分析,得到各种植体周围骨组织Von mises应力及各模型应力分布云图。 5.对所得结果进行分析整理,得出结论。 结果: 1.从加力方式上来看,右侧后牙受力时的皮质骨应力峰值普遍高于另两种加力方式,右侧尖牙受力时的应力峰值均低于另外两种。 2.从种植体倾斜角度来说,右侧后牙加力时,随着种植体倾斜角度的增大,有较明显的应力峰值的增大。另外两种加力方式中,并未发现种植体倾斜角度对应力值改变的影响。 3.从种植位点选择上来看,前伸运动及尖牙引导的侧方运动时,模型V的应力值明显高于其他模型,可能与前牙区跨度较大有关,应力不容易分散,相比较来说不利于前牙骨组织的保存。模型Ⅰ和Ⅱ前伸运动时的应力峰值较低,模型Ⅱ后牙受力和尖牙受力时应力值均较低。 4.皮质骨的应力峰值位于种植体颈部周围的骨组织,松质骨应力峰值位于相应的种植体底部。 结论: 1.本研究使用COMSOL Multiphysics5.6建立的All-on-6无牙颌下颌骨三维有限元模型,具有较高的临床相似性,能够较好的模拟实际情况。为进行无牙颌种植修复三维有限元应力分析的实验研究提供了良好的模型基础。 2.与组牙功能牙合相比,尖牙保护牙合时应力峰值更小,为临床全口种植固定修复术后恢复咬合提供了一定的力学参考。 3.前伸运动时有更高的骨质吸收破坏的风险,在临床工作中要注意前伸运动牙合创伤的咬合检查和调整。 4.在本研究范围内,无悬臂梁设计的短牙弓修复设计,在0°、15°、30°的远中种植体倾斜角度的应力分析中发现,远中种植体倾斜角度的增加不会造成应力的显著增加。临床操作中,后牙区针对骨质差或骨量不足的病人,可以在合理的倾斜角度范围内,倾斜植入远中种植体。 5.选择种植体位点应遵循均匀分布的原则,A-P距有助于All-on-6种植全口固定修复的应力分布,在骨量合适的情况下,应尽量加大A-P距。

关键词： 薄板   压力容器   对接焊   应力分析   ANSYS  

摘要： 压力容器在生产生活中应用广泛,但容易因压力产生泄漏,造成安全事故,所以安全是压力容器生产的第一要素。目前对于薄板(0.4-4mm厚度)压力容器研究较少,而壁厚的减少,导致强度降低,对薄板压力容器关键结构的安全性有较大的影响,因此对薄板压力容器制造过程中应力分布、变化情况进行分析十分必要。本文主要以某特种设备制造企业生产的薄板压力容器储液罐为研究对象,针对圆筒焊缝,利用ANSYS有限元软件研究薄板对接焊焊接过程中热-应力变化情况,用于指导生产,确保安全。主要研究内容有:1、以薄板对接焊为对象,研究热输入和焊接速度对焊接温度和应力的影响。通过模拟热输入和焊接速度进行焊接温度场仿真,对比不同参数下的焊接温度场数据,得到最佳的模拟焊接热输入参数及此参数影响下焊接温度场、应力场分布情况。对焊接温度场、应力场分析,得到瞬时应力场变化情况和冷却后残余应力分布情况及变化趋势。2、以同样工艺参数下的实际焊接应力测试结果作为对比,验证分析模拟方法的可行性,确定本文所使用的高斯面热源方程合理,能用于薄板对接焊焊接接头的模拟研究。焊热输入参数、边界条件设置正确,为薄板压力容器焊缝分析奠定分析基础。3、基于薄板对接焊研究分析的基础上,对薄板压力容器圆筒横向焊缝对接焊进行数值模拟分析。研究结果表明:随着焊接热源的移动,温度场经历不稳定-稳定-不稳定的过程,焊接接头首、尾端由于瞬时热源移动及热传递效应原因,各存在一个温度缓慢上升区域,影响金属熔化效果,在进行分析比较的时候,尽量避免焊接接头首、尾两端区域。在对接焊焊接过程中,对接焊应力主要集中在沿焊缝方向,熔池中的应力最低,冷却后,由于晶体间运动,使得残余应力出现上升趋势,最后呈现焊缝首尾两头应力场梯度增大,中间应力场梯度范围基本不变情况;筒体横向焊缝的焊接残应力主要集中在焊缝区和焊接热影响区,在近焊缝区域内最大值为320Mpa,距离焊缝越远,残余应力越低,残余应力最大值远远小于材料许用应力,证明该焊接参数是安全有效的。与试验结果对比,基本符合,证明本文分析方法能适用于薄板压力容器对接焊分析。

关键词： 大体积混凝土   有限单元法   温度场   应力场   控制措施  

摘要： 当下我国经济发展越来越迅速,大体积混凝土建筑结构在我国得到广泛应用。而大体积混凝土结构在浇筑过程中,因尺寸较大,混凝土由于水化作用大量放热导致的温度应力过大是大体积混凝土开裂的主要因素,因此,开展大体积混凝土水化热分析,研究混凝土温度场及温度应力场的时程变化规律意义十分必要,受到各界广泛重视。本文依托茅洲河上下村蓄水池温控防裂工程项目,通过理论研究和工程实际相结合,开展了茅洲河上下村蓄水池全过程温控防裂仿真分析研究。论文借助蓄水池项目基本概况、气温资料及混凝土热力学参数等条件和信息,运用ANSYS有限元软件建立了茅洲河上下村蓄水池三维仿真模型,模拟了蓄水池施工期相关计算工况,给出了蓄水池结构相应的温度场及应力场分析结果以及时程变化曲线,结合底板施工特点,采取三种不同底板浇筑尺寸进行温控优化仿真模拟,提出了相应的温控措施,对蓄水池运行期进行了三种不同蓄水方案下的应力变形仿真分析。研究结果如下:(1)阐述了大体积混凝土、混凝土裂缝的一些基本理论和概念,对本工程大体积混凝土结构进行了抗裂计算,结果符合抗裂要求。(2)采用ANSYS有限元软件对茅洲河上下村蓄水池大体积混凝土施工期浇筑过程进行仿真分析,得出结果后,再结合理论计算与实测值进行归纳总结,模拟结果表明利用ANSYS有限元软件分析大体积混凝土温度场是可行的。(3)以茅洲河上下村蓄水池工程为研究对象,本工程施工过程中大体积混凝土初期放热阶段的温度峰值处于浇筑后的第三天,裂缝开裂由外向内;施工后期由于内部温降产生裂缝,开裂是由内向外。在应力场中,应力峰值也发生在混凝土浇筑后三天左右,且拉应力较大的值主要发生在表面角点处。(4)以本工程蓄水池底板为研究对象,对底板进行施工期温控模拟优化,在底板施工期温度场中引入三种工况,将底板分成三种不同尺寸大小的仓块,结果表明在混凝土容易开裂的第3天至第8天期间,采用较小的仓块尺寸施工时,温度梯度平均减小1.5-2℃,温度梯度得到控制,降低开裂的风险,因此建议采取较小仓块进行施工。(5)在蓄水池运行期的三种工况中,蓄水池底板与侧墙交界处出现应力最大值,侧墙上沿中部出现最大位移值。不论是正常水位还是满载,应力和应变在构件结合处的数值较大。针对仿真结果提出了相应的控制措施,保温时使用合适的材料进行保温、控制混凝土的入仓温度等。

关键词： 激光熔覆   颗粒增强复合涂层   数值模拟   温度场   应力场  

摘要： 氧化铝陶瓷由于优良的耐热性、硬度、耐腐蚀性等性质,在航空航天材料热防护涂层领域有广泛的应用前景,但是脆性、低韧性及热应力敏感等缺点使其应用受到限制。使用激光熔覆原位制造技术制造颗粒增强型氧化铝陶瓷可以有效改善其脆性和韧性问题,为制造出优良的颗粒增强型氧化铝涂层,本文对使用四氧化三铁和铝的混合粉末在钛合金基板上激光熔覆原位制造Al2O3-Fe颗粒增强型复合涂层的过程进行热-力分析研究,为实际工程制造提供技术参考。主要研究内容如下:针对混合粉末在激光作用下发生诱导铝热反应对涂层成型造成的未知影响,本文基于激光熔覆过程温度场和应力场分析理论,建立了适用于Al2O3-Fe激光熔覆原位制造过程的热力耦合数值模拟模型,揭示了复合涂层制造过程中的温度场演变规律。结合涂层的微观结构建立代表体积元模型得到其热力学参数用于计算。针对涂层制造过程中发生的激光诱导反应,将内部生热热源模型和“生死单元”技术结合,建立了与半球状高斯热源同时作用的组合热源,温度场模型准确性通过仿真和实验的节点温度曲线得到了验证。在Al2O3-Fe激光熔覆原位制造过程的温度场研究中,获得了反应热对温度场分布和演变造成的影响以及不同激光加工参数对熔池最高温度和熔池形态的影响。为获得不同激光加工参数作用下制造同等规格复合涂层热应力的分布规律,本文在热力耦合仿真的基础上进一步进行了Al2O3-Fe激光熔覆原位制造实验研究。通过数值模拟预测了不同激光加工参数对涂层熔覆结束后等效应力分布以及各个方向上的应力大小与类型。对实验制备得到的涂层宏观形貌进行分析,验证了应力场仿真结果,得到了不同激光加工参数与涂层应力之间的关系。为了能制备出涂层形貌规整且基板热变形小的Al2O3-Fe涂层,提出使用激光扫描点云方法获取涂层形貌及基板热变形数据,揭示了其与激光加工参数之间的关系。对涂层两侧基板的点云进行线性拟合,实现了对不同参数组合下基板热变形定量分析。提出将涂层与基板数据分割获取涂层的熔高熔宽的方法,得到了不同激光加工参数下涂层几何形貌变化规律。总结分析并进行参数优选,为实际生产提供参考。

关键词： 航空发动机高压涡轮盘   盘腔温度场   篦齿封严   多场耦合   二次空气系统   应力  

摘要： 航空发动机高压涡轮盘腔系统的篦齿封严结构有调节各腔室冷却空气流量、防止燃气进入盘腔而对涡轮盘结构寿命造成影响等多个作用。篦齿封严结构在发动机工作过程中,会由于热应力和结构应力的共同作用而发生较大变形,其封严间隙也会随之改变,封严间隙发生改变时又会反过来对盘腔内部的流场以及温度场造成影响。本文以某航空发动机的高压涡轮盘腔系统的简化模型为例,采用以ANSYS Workbench为平台的单、双向热流固耦合仿真分析方法,探究篦齿间隙变化规律以及间隙变化对盘腔系统温度场的影响规律。结合CFX模块和Static Structural模块建立高压涡轮转子盘腔系统单向热流固耦合分析模型进行典型工况下盘腔系统热流固多场耦合研究。单向热流固耦合分析并不能反应发动机完整运行工况下篦齿间隙的变化规律且不能反应间隙变化对盘腔温度场的影响规律,所以结合CFX模块和Transient Structural模块建立发动机双向热流固耦合分析模型。利用双向热流固耦合分析得到了发动机瞬态完整历程下篦齿间隙的变化规律,同时得到了篦齿间隙变化对盘腔系统流场温度场的影响规律以及对涡轮盘固体结构温度场、应力应变场的影响规律。通过单、双向热流固耦合仿真分析方法,分别得到了篦齿间隙在不同转速及瞬态完整历程下的间隙变化规律。分析发现,当发动机转速增加时,间隙变化减小,其变化量最大可达原间隙值的5倍。在发动机瞬态完整历程下,篦齿间隙先减小后增加,且不同时期其变化速度不同。同时,在发动机典型工况下,单向耦合分析结果可以用来快速预测盘腔篦齿结构间隙变化。同时针对篦齿间隙变化对盘腔流场、温度场以及涡轮盘温度场、应力变形场的影响规律采取两种多场耦合分析方法进行了研究。研究发现,当篦齿间隙不断减小时对盘腔流场、温度场影响较大。当篦齿结构发生变形干涉后,对盘腔流场、温度场几乎无影响。除此之外,结果表明,两种耦合方法在涡轮盘温度场、应力场分析中由于固体瞬态导热影响差别较大,但在涡轮盘整体变形以及变形分布上相差结果较小。