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关键词： 中压蒸汽管道   设计   固定支架   推力   应力  

摘要： 以中压蒸汽管道设计为出发点,重点分析了中压蒸汽管道设计过程中补偿器的设置、固定支架设置、推力计算以及管道应力分析等技术问题,并阐述了管径及管材的选择、疏水器设置及保温材料的选择原则。

关键词： 轧件   冷却速率   应力场   铜管   冷却水套  

摘要： TP2铜管作为制造蒸发器和冷凝器等换热器的优选高效传热器管,其加工生产过程一直是相关从业者的关注重点。但是,研究人员的关注目光大都放在了铜管三辊行星轧制上,很少对轧后冷却过程进行研究,在工厂,轧件的冷却也主要靠经验丰富的操作人员进行,对冷却规律对轧件质量的影响并没有明确的认识,因此难以保证铜管轧件质量。铜管三辊行星轧后冷却过程是一个多物理场耦合的复杂过程,包含了流场、温度场和应力场等。借助有限元软件ABAQUS、FLUENT和MPCCI,对铜管三辊行星轧制和轧后冷却过程进行了模拟仿真,本文主要研究内容有:(1)根据某铜管生产企业使用的三辊行星轧机相关参数和特点,通过有限元工程模拟软件ABAQUS建立了水平连铸管坯三辊行星轧制的热力耦合模型,采用C3D8RT单元对铜管坯划分网格,然后使用软件自带的显示动力学模块Explicit对行星轧制过程进行了模拟,获得了铜管轧件的温度场和应力场分布。(2)使用流体分析软件FLUENT参照冷却设备和冷却工艺参数建立了冷却水套模型和穿水冷却的热流固耦合流体模型,再以三辊行星轧制模拟的温度场和应力场结果为预定义场,通过ABAQUS建立了穿水冷却的热流固耦合结构模型,最后使用多物理场耦合软件MPCCI实现了ABAQUS和FLUENT的数据交换,分析了冷却水套内部流场分布和冷却过程中轧件冷却速率与应力场的分布。(3)以应力分布均匀性为标准,利用基于MPCCI建立的热流固耦合模型研究了进水口位置和出水口位置改造对冷却水套内部流场和轧件应力场分布的影响,还分析了进水口尺寸、出水口尺寸和进水口压力对轧件应力分布的影响规律。(4)使用激光超声法测量了工厂所取试样的应力,并与数值模拟得到的应力进行了对比,证明了热力耦合模型与热流固耦合模型的准确性。

关键词： 结构拓扑优化   温度场   改进水平集法   反应扩散方程   柔度   应力   热弹性结构  

摘要： 各类热机设备及部件内往往都存在较大的热应力,运用拓扑优化方法使其在满足强度安全性前提下减少自身重量、减少体积,对提高其工作效率和运行经济性有明显实际价值,也对能源动力行业降耗、节能、减排具有促进作用。本文针对基于反应扩散方程的改进水平集拓扑优化方法,重点对应力最小拓扑优化问题进行了研究,并讨论了考虑温度场的结构拓扑优化,具体工作如下:首先通过柔度最小结构拓扑优化模型讨论了改进水平集法的性能与特点。数值算例表明,时间步长和扩散系数都有一定的取值范围,否则会导致优化收敛到奇异解甚至无法收敛。然后建立了以p范数应力函数为目标函数的应力最小拓扑优化模型,针对应力优化的不稳定性引入了灵敏度平滑机制,最后通过数值算例验证了方法的有效性。针对存在几何奇异点的L型梁讨论了不同参数p对优化结果的影响,发现算法在p值为2和4时可以得到完全的0-1分布优化结构,然而在p值大于4时会导致得到结构不连续的奇异解,通过使用平滑Heaviside函数解决了这个问题,但这也会导致无法得到0-1分布优化结构等缺点。接着建立了考虑温度场时的应力最小以及柔度最小拓扑优化模型,并推导了相应的灵敏度公式。通过数值算例,分别讨论了在均匀温度场和非均匀温度场作用下两种模型的优化情况。对于均匀温度场,当热机载荷比在1附近时,应力最小结构和柔度最小结构有很大差别;对于非均匀温度场,优化结果主要受温度场分布情况的影响。无论是均匀温度场还是非均匀温度场,应力最小结构和柔度最小结构都有很大差别,应力最小优化都表现了更好的数值稳定性,因此,对于热弹性结构,考虑应力的结构拓扑优化更加合适。

关键词： 金刚石线锯   横向超声振动   单晶硅   切削仿真   应力场   亚表面损伤  

摘要： 近年来我国芯片制造行业在快速的发展,而芯片的制造离不开晶片的制备,金刚石线锯切割技术是半导体芯片加工的第一道工序,显得尤为重要。金刚石线锯切割具有切缝小、切割效率高、表面质量高等诸多优点,但是现有的切片技术已经不能满足行业对晶片的更高质量和更高精度要求,因此有学者提出复合工艺横向超声振动辅助金刚石线锯切割技术。目前的研究表明,横向超声振动辅助线锯切割有助于减小锯切力和提高表面质量,但是对于横向超声振动辅助线锯切割亚表面损伤机理和预测模型都缺乏深入的研究。因此,本文以硬脆材料单晶硅作为研究对象,通过横向超声振动辅助金刚石线锯切割技术,从理论、仿真和试验的角度对亚表面损伤进行分析研究。本文的主要研究内容如下:首先研究横向超声振动辅助金刚石线锯切割技术的加工机理,以单颗磨粒作为研究对象,分析磨粒在超声振动下动力学特性,建立了磨粒运动方程。在超声振动一个周期内,分析了磨粒工作角度随轨迹的变化趋势,提出用来定量表征超声振动效应强弱的无量纲常数。其次基于压痕断裂力学,建立了横向超声振动辅助金刚石线锯切割单晶硅亚表面损伤深度和工艺参数之间的数学模型,该模型中综合考虑了中位裂纹、横向裂纹以及磨粒的位置角对亚表面损伤深度的影响。基于ABAQUS Brittle Cracking脆性本构,建立了单颗磨粒切削仿真模型,研究了磨粒速度、磨粒半锥角、压入深度和超声振动对亚表面损伤深度的影响。接着根据线锯实际加工情况,分析了线锯上磨粒的分布规律,建立了符合实际的线锯三维模型,完成了多颗磨粒线锯切割的仿真模型,对仿真结果的表面轮廓进行了分析。基于断裂力学和弹性力学理论,在普通磨粒的压痕应力场基础上,分析了超声振动下磨粒的应力场,考虑了法向载荷、切向载荷以及塑性核对应力场的影响。其次考虑单晶硅的空洞和裂纹缺陷,分析了由缺陷导致的应力集中效应。最后通过仿真模型验证了空洞、内部微裂纹、表面微裂、缺陷深度及缺陷之间的相互作用对亚表面裂纹扩展的影响。在往复式金刚石线锯切割机床上进行了横向超声振动辅助金刚石切割和普通金刚石线锯切割单晶硅亚表面损伤试验,通过界面粘接法检测了亚表面损伤深度。试验结果表明,超声振动辅助线锯切割有助于减小亚表面损伤深度,相对于普通线锯切割平均减小18.95%。理论和试验结果误差较小,验证了模型的有效性。施加超声振动后,硅片的表面粗糙度值相比于普通线锯切割也减小了,表面凹坑数量更少、凹坑深度更浅,改善了表面质量。

关键词： 温度场   大体积混凝土   裂缝   应力   筏板基础  

摘要： 随着现代建筑业的发展,大体积混凝土结构在工程中的应用也愈加广泛,但大体积混凝土结构在施工期间会因水泥、粉煤灰等胶凝材料水化产生热量,引起混凝土温度变化,体积膨胀,在体积较大的混凝土桥梁、基础等结构中,胶凝材料水化产生的热量更多。通常大体积混凝土结构配置受力钢筋较少或不配置受力钢筋,仅靠混凝土本身抗拉强度抵抗拉应力;同时,混凝土作为一种不良导热性材料,散热能力差,在外界环境的影响下,混凝土表里散热速度不同,容易使混凝土产生较大温差,从而产生较大的温度应力,引起混凝土开裂,影响大体积混凝土的耐久性。因此,在充分利用大体积混凝土结构的优点的同时,要预防其易开裂这一主要问题。本文以湖北省金控大厦筏板基础工程施工为依托,介绍了大体积混凝土筏板基础温度应力的主要影响因素,利用Midas FEA有限元软件水化热分析模拟筏板基础温度场变化,根据软件计算结果制定了了一系列温控方案以及裂缝防治措施,并在筏板基础浇筑后实测筏板基础的温度变化,结合最终的有限元软件计算结果,分析研究筏板基础的温度场、应力场与基础开裂情况。最后,以青岛国际院士港1#楼混凝土梁的冬季施工为依托,分析其所选取暖棚法保温施工的有效性。主要研究内容如下:(1)总结大体积混凝土筏板基础温度场及温度应力的主要影响因素,根据混凝土温度场的主要影响因素,总结出几种当下较常见的混凝土的温度控制、裂缝防控措施。系统分析水泥含量、入模温度、保温措施、施工季节因素对大体积混凝土温度场的影响,对比分析结果,为本工程选取经济有效的裂缝防控措施。(2)介绍了金控大厦筏板基础基本情况,针对混凝土组织运输、电梯井模板搭设和基础浇筑过程中的重难点,制定了实际有效的解决方案,并结合裂缝控制的重难点提出了控制温度和防治裂缝的措施。利用Midas FEA有限元软件建立了大体积混凝土筏板基础水化热分析模型,计算并分析此筏板基础的温度场,根据筏板基础温度场的分析结果,提出了一套经济合理、切实可行的筏板基础温度监测方案。(3)对比Midas FEA有限元软件水化热分析计算结果以及现场各测点的实测温度数据,验证有限元软件计算的准确性,分析筏板基础的温度场以及各测点温度变化情况,以仿真实体模型的计算结果为基础,进一步研究此筏板基础温度应力以及筏板开裂情况。(4)参考青岛国际院士港1#楼混凝土梁冬期施工所采取的暖棚法保温措施,介绍暖棚保温的施工工艺与依据。通过埋置温度测点,监测边梁和框架梁施工后的温度变化,分析其采取暖棚保温措施后,混凝土梁冬期施工的温度变化规律,控制其温度变化在合理范围内,确保其不受冻害。

关键词： 镀金光栅(ACG)   温度场   应力场   光栅参数   多脉冲激光  

摘要： 飞秒激光烧蚀镀金光栅（ACG）表现为热熔融、热应力等损伤,由于烧蚀机制涉及到光场调制、热效应、场效应、薄膜损伤等,至今仍旧是该领域的研究重点。本文基于优化的双温模型,研究了飞秒激光辐照镀金光栅的动态过程,分析了镀金光栅的损伤机理,对进一步提高其损伤阈值（LIDT）并提升短脉冲高功率激光系统的性能具有一定的理论参考价值。具体的内容和结论如下:（1）定义与光场调制相关的吸收率,采用动态热物性参数和力学参数,引入光栅槽型相关的深度,并将Fower-Du Bridge（FD）电子发射理论作为边界条件,对经典的双温模型（TTM）进行优化,采用实验中的光栅元件和激光参数,计算了金膜上下表面的温度及应力分布和演化。结果显示,金膜上表面热熔融损伤阈值为0.54 J/cm2,与实验结果较吻合。而不考虑电子发射带来的能量损失时,热熔融损伤阈值将被低估31.5%。在辐照过程中,金膜下表面应力最大可达到0.3GPa,接近金膜的粘附强度,残余应力最大值位于山脊顶部。对于粘附强度较小的镀金光栅（约0.321 GPa）,初始损伤表现为气泡剥落等热应力机械损伤,与实验结果一致。此外,电子发射对于金膜下表面应力基本没有影响。（2）定义与槽型结构相关的吸收率调节系数,研究镀金光栅参数（金膜厚度、沟槽深度、占空比）对于温度场和应力场的影响。结果显示,金膜厚度对于热熔融损伤阈值基本没有影响。在一定范围内,金膜下表面热应力随金膜厚度的增加而增加,当薄膜增加到一定厚度时,应力基本恒定,说明在相同粘附强度下,厚度越大的镀金光栅更容易造成气泡剥落等力学损伤;沟槽深度对于温度和应力分布影响显著,随深度的增加,热熔融损伤阈值降低,下表面应力减小,说明在相同粘附强度下,沟槽深度越大的更容易造成热熔融初始损伤,越小的更容易造成热机械应力初始损伤;占空比对于热熔融损伤阈值影响很大,对于应力影响很小。（3）固定光栅元件参数,研究多脉冲激光（脉冲个数、间隔时间）对温度场和应力场的影响。结果显示,脉冲个数对电子和晶格温度造成了热量的累积现象,增加脉冲个数,热熔融损伤阈值减小,而应力基本不变;随着间隔时间的增加,对于晶格温度的累积效应减弱,间隔时间对于下表面应力基本没有影响。多脉冲激光束增大了初始损伤为热熔融损伤的可能性。

关键词： 重复采动   回采巷道   应力   塑性区   叠加破坏  

摘要： 现代化大型矿井为满足高效生产的需求以及缓解采掘紧张的问题,各矿区通常采用同时掘出双巷的回采巷道掘进方式,而其中需要保留的回采巷道围岩因受到重复采动影响破坏严重,直接影响井下工作安全进行。因此,研究重复采动巷道围岩塑性区叠加扩展形态特征,对保证受重复采动影响的巷道围岩稳定控制具有一定理论指导意义。本文以某煤矿22205回风巷道为研究背景,在现场调查和观测基础上采用理论研究和数值模拟的方法,获取双巷布置形式下重复采动巷道围岩应力场以及塑性区分布情况,以此得到双巷布置形式下重复采动巷道围岩破坏分布规律。同时通过数值模拟实验,进一步分析研究巷道围岩塑性区叠加扩展机理,并对其进行工程验证,进而提出对应巷道围岩稳定控制方法,保证矿井安全高效生产。主要研究成果如下:（1）获得了重复采动巷道破坏阶段性分布规律:一次采动和二次采动共分为六个阶段,其中一次采动影响阶段和二次采动影响阶段塑性区扩展最为明显。同时得出重复采动巷道塑性区叠加扩展特征为在二次采动影响下,以一次采动塑性区形态范围为基础的再次扩展。（2）获得了巷道围岩塑性区叠加扩展演化特征,明确了叠加扩展各形式判定范围。①巷道围岩塑性区叠加扩展演化特征:巷道围岩塑性区叠加扩展可看作在一次已破坏形式基础上的二次叠加破坏,塑性区扩展范围大小由主应力大小决定,而塑性区扩展的方位由主应力偏转角决定。②巷道围岩叠加扩展各形式判定范围:以二次破坏围压比η2与一次破坏围岩比η1的比值为判定标准,得出当0.5<η2/η1<0.9时,叠加扩展形式Ⅰ,一次塑性区加二次塑性区等于叠加塑性区;当0.9<η2/η1<1.3时,叠加扩展形式Ⅱ,一次塑性区加二次塑性区小于叠加塑性区;当η2/η1>1.3时,叠加扩展形式Ⅲ,一次塑性区加二次塑性区大于叠加塑性区。③获得主应力角度对巷道围岩叠加扩展影响规律:在已破坏条件下旋转主应力角度后,叠加扩展塑性区位置随主应力角度旋转并不同的位置继续破坏,且叠加扩展后塑性区叠加扩展判定范围依然适用。（3）获得了重复采动巷道围岩塑性区叠加扩展形态特征机理以及重复采动巷道阶段性叠加扩展机理,明确了重复采动巷道围岩稳定性控制的关键阶段,提出相应控制方法。①重复采动巷道围岩塑性区叠加扩展形态特征机理:在重复采动影响下巷道围岩先后形成两个应力场,随主应力大小和位置的改变,塑性区在已破坏基础上依照叠加扩展规律扩展。②重复采动巷道阶段性围岩塑性区叠加扩展机理及围岩稳定性控制关键阶段:二次采动以一次采动围岩破坏形式为基础,在其之上按叠加扩展规律扩展;其中一次采动影响滞后稳定阶段是重复采动巷道围岩稳定的关键控制阶段。③基于重复采动巷道围岩阶段性塑性区叠加扩展特征对巷道围岩稳定性控制提出分次支护的方法,在现场施工中取得良好效果。

关键词： 极地锚绞机   关键部件失效   有限元分析   应力场   温度场  

摘要： 近年来,随着我国极地活动日益增加,我国的极地船舶建造市场蓬勃发展;但是我国船配产业满足不了快速发展的极地船舶建造市场的需求,被国外企业垄断。锚绞机是系泊、锚泊系统中最复杂的设备,作为甲板设备的主要组成之一,其安全性和可靠性对极地船舶的运营起着至关重要的作用。目前锚绞机设计过程中对于其工作过程中的实际负荷不能准确的预估,造成设计负荷与实际负荷不相符的现象,使得锚绞机部件发生失效,威胁船舶的运营安全。为了促进我国锚绞机设计制造技术升级,增强我国自产锚绞机产品在船舶配套行业的竞争力。本文结合“极地船舶甲板机械关键设备及系统选型研究”项目,以锚绞机滚筒和带式制动器为研究对象,进行了如下研究:1)梳理极地船舶甲板机械防寒设计方面的技术规范,明确船舶在极地航区航行过程中,遭受低温、积冰、积雪等影响后可能存在的风险;理清甲板机械防寒设计过程中需要考虑的各类对象,对防寒措施进行分类,明确其使用范围;以锚绞机为研究对象,从关键部件防寒设计、机械材料的选型、极地环境下传动系统设计三方面为极地船舶锚绞机的设计和建造提供参考。2)通过理论分析、有限元计算相结合的研究方法,以42000DWT极地加强型散货船为研究对象,利用有限元计算软件ANSYS AQWA计算其在系泊过程中受到风浪流等环境载荷以后系泊缆绳张力在时域内的变化,为后续的滚筒应力场计算以及薄弱环节分析提供计算依据;为了简化系泊船舶缆绳张力计算过程,提高计算效率,利用AutoCAD二次开发技术、文本文件读写操作、数据库技术,应用***编写程序,实现船舶系泊过程中缆绳张力计算的自动化。3)利用SolidWorks建立滚筒的实体模型,根据计算得到的缆绳张力设计不同工况,采用ANSYS Workbench分析滚筒在不同工况下的机械应力场;分析滚筒可能出现的失效形式避免设计过程中的盲目性,为设计人员提供一种可行的设计思路;同时,利用有限元分析代替部分实验,降低实验成本,节省研发时间,提高设计效率。4)根据传热学基本理论和挠性摩擦理论分析锚绞机带式制动器制动过程中热量产生机理;使用SolidWorks对带式制动器进行建模,利用ANSYS Workbench对带式制动器在紧急制动工况的瞬态温度场进行分析,揭示了紧急制动时摩擦片和制动带的温度分布规律,在不改变制动器结构的基础上提供可行的措施避免制动过程中带式制动器瞬时温度过高引起的“热失效”问题。

关键词： 堆石混凝土   仿真分析   温度场   应力场   温控措施  

摘要： 堆石混凝土作为一种十多年前出现的新的筑坝材料,因其使用大骨料,耐久性好,水化热温升低,施工速度快等优势,在水利、铁路等领域得到广泛的应用。截至2020年底,全国已建、在建堆石混凝土重力坝104座。但目前堆石混凝土坝温控措施方面的研究成果还很少,研究堆石混凝土重力坝温度应力和温控措施有着较大的现实意义。本文运用有限元软件ANSYS为平台,用参数化语言编制了一套堆石混凝土重力坝温度场、应力场的分析程序。以五龙冲堆石混凝土重力坝非溢流坝段为研究对象;模拟了无温控措施和五种温控措施情况下的温度场和应力场,将有温控措施计算结果与无温控措施进行了对比分析。主要的研究结论如下:(1)堆石混凝土坝的温度场由混凝土绝热温升、浇筑温度、外界气温和混凝土表面散热系数等因素决定。施工期堆石混凝土的最高温度位于坝体内部,最高温度与浇筑季节密切相关;夏季浇筑块的温度可超过37℃,超过了最高温度的容许值,应采用相应的温控措施。(2)大坝施工结束后3年左右达到稳定温度;运行期温度场呈层状分布,坝前水温对坝体表层影响较大;温度场稳定后,1月最高气温位于坝体内部,7月最高气温位于坝体表面。(3)温度对坝体的第一主应力有一定影响,高温期浇筑的仓面在浇筑完成之后会出现一定的拉应力;第三主应力的主要因素是重力;运行期坝踵和坝趾的拉应力和压应力较大,施工时应避免坝踵处、坝趾处出现几何突变,并布置应力监测仪。(4)实施温控措施能使坝体的最高温度降至低于容许最高温度;夏季采用表面流水的温控措施比控制浇筑温度的效果更好,实际施工过程中建议两种温控措施同时使用;在工期允许的条件下,应避开高温时段施工;冬季应采取保温措施。

关键词： IMU   弯曲应变   解析计算   应力   影响因素  

摘要： 随着内检测技术日益完善,惯性测绘单元(IMU)数据可以描绘出管道的三维走向以及变形形状。以某管道IMU数据为基础,采用理论研究和有限元仿真计算的方式,对该管道展开力学分析,为该管道的安全评价提供依据。采用插值和拟合两种数据处理方法,提出了两种基于IMU数据的管道弯曲应变解析计算方法,分别为三次B样条解析计算法和五点光滑解析计算法,应用实例对比分析表明,两种计算方法均能得到管道弯曲应变分布;针对直管段发生位移的情况,构建了基于IMU数据的直管段管土相互作用的有限元模型,对直管的应力状态进行分析研究,并讨论了不同土壤位移规模对直管应力状态的影响规律;针对IMU检测识别的弯管组合段,构建弯管组合段管土相互作用的有限元模型,考虑土壤位移方向、土壤位移量、土壤位移宽度、土壤性质以及土壤位移位置等影响因素,进行了弯管应力影响因素分析,归纳总结了不同影响因素对弯管应力状态的影响规律。