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关键词： 熔盐   储热   填充床   蠕变   应力  

摘要： 高温熔盐储热技术是促进新能源开发与消纳、提高电力系统灵活性的有效途径之一,目前已广泛应用于聚光型太阳能热发电、火电机组深度调峰和工业园区供汽等领域。其中,以硝酸盐为传/储热介质（运行温度290～565℃）的单罐填充床熔盐储热器是一种高效低廉的储热形式,近年来得到了研究人员的广泛关注。此外,为进一步提高系统的发电效率,以高温氯化盐/碳酸盐为传/储热介质的储热系统（运行温度520～720℃）耦合S-CO2布雷顿循环的运行模式,已成为下一代光热发电技术的重要研究方向。然而,在长周期、多循环的储-放热运行过程中,填充床熔盐储热器在高温度与交变应力的综合作用下仍面临高温蠕变与热疲劳导致的损伤失效现象,严重影响储热系统的安全稳定运行。目前针对填充床熔盐储热器损伤失效特性的研究工作仍存在许多不足:一方面,已有研究鲜有从真实罐体结构与应力荷载角度出发探讨储-放热循环作用下填充床储热器的应力失效性能;另一方面,仍有待开展更高运行温度条件下（520～720℃）含隔热内衬材料的高温氯化熔盐填充床储热结构应力与寿命的研究工作。因此,为探究高温度、热循环作用下填充床结构的损伤失效特性,进而提升储热器运行的安全性能,有必要开展填充床熔盐储热器的高温蠕变与机械性能模拟研究。 基于此,本文分别以应用前景较为广阔的显热型与相变型填充床熔盐储热器为研究对象,在综合考虑罐体真实结构与应力载荷等结构因素的基础上,发展了可用于描述填充床储热器热与机械性能的瞬态热-力耦合数值模型,模拟研究了储-放热循环中不同时刻下罐体温度、蠕变损伤时间和应力水平的动态变化规律,对比分析了无/含隔热内衬结构对蠕变损伤时间与热疲劳寿命的影响情况。 1)以碳酸盐为储热材料,设计了储热功率为75MWh的填充床相变球储热结构,基于有限容积法（Finite Volume Method,FVM）与有限元法（Finite Element Method,FEM）,在综合考虑大角焊缝、阶梯状罐壁面、熔盐孔隙静水压力和熔盐-相变颗粒间流动换热等因素的基础上,建立了可分析储-放热循环下填充床储热器蠕变与机械性能的瞬态热-力耦合模型。 2)以国内某50MWe商用太阳能光热电站为研究背景,以二元混合硝酸盐与石英岩颗粒为传/储热介质,构建了储热功率为139MWh（储热时长6h）的显热填充床储热器结构,并基于热-力耦合模型,模拟获得了不同储热与放热时刻下填充床罐体蠕变损伤时间与机械应力的动态变化规律。结果表明:（1）在热循环过程中,熔盐与罐壁面间的粘滞效应致使罐壁面的温度梯度变化速率明显低于填充床区域,且在储热结束时刻（t=6h）壁板1-4（4.2≤H≤12.5m）均会产生高温导致的蠕变损伤现象;同时,在储热结束且再经历8h自然冷却过程后,壁板5和6（H≤4.2m）的温度水平仍高于蠕变阈值,易产生蠕变断裂;（2）高温熔盐从顶部进入、低温熔盐从底部进入的运行模式致使填充床各壁板的蠕变损伤时间相差较大;单次热循环过程中,顶部壁板的蠕变时间最长,为18.5h,是底部壁板蠕变时间的7.4倍;（3）罐壁板与底板相连的大角焊缝位置易产生应力集中导致的塑性损伤现象,且温度梯度对罐体壁面的应力水平影响显著;储热过程中壁面较高的温度梯度易产生较大的峰值应力,但大部分壁板（H≤10.4m）的应力水平均较低,仍处于弹性状态。 3)以国内某火电厂的熔盐储热调峰供热项目为研究背景,以三元氯化盐与三元碳酸盐为传/储热介质,构建了储热时长4h的相变填充床储热结构,获得了储-放热循环中无/含隔热内衬罐壁的动态温度与应力变化规律,对比分析了隔热内衬对蠕变损伤时间与热疲劳寿命的影响情况。结果表明:（1）储-放热过程中,在冷-热熔盐流体的交替作用下,罐体壁面温度与热应力呈周期性变化趋势;单个循环周期内无隔热内衬的储罐结构在大部分时间内均会产生高温引起的蠕变损伤现象,损伤时间为7.4h;（2）添加隔热材料后,罐壁面的整体温度水平显著降低,可有效避免蠕变损伤,从而降低罐体的失效风险;（3）罐底结构不连续的大角焊缝位置易产生峰值应力导致的应力集中现象,且隔热材料对填充床交变应力水平与疲劳寿命影响显著;（4）与无隔热内衬结构相比,添加隔热材料的罐体峰值应力与疲劳寿命分别是无隔热结构的0.23与10,700倍,显著延长了高温氯化盐填充床储罐的服役寿命。

关键词： 真空干泵   混合磁极   损耗计算   温度场   应力场  

摘要： 本文针对真空干泵用驱动电机在真空环境中转子散热难问题,设计了一台11k W,6000r/min的真空干泵用永磁-磁阻复合式同步电机,该电机转子永磁体励磁结构由钕铁硼与铁氧体两种磁体组成,旨在通过改变永磁体的排布方式降低电机损耗。研究的主要内容如下: 首先,介绍混合磁极式永磁-磁阻复合式同步电机原理,并建立混合磁极电机数学建模,分析了电磁转矩产生来源。根据电机设计要求,确定了电机定转子结构以及主要参数尺寸,接着确定了电机各部件材料,利用某有限元商业软件进行建模,并对真空干泵驱动电机的工作特性进行初步分析,验证电机设计合理性。 其次,通过改变永磁体排布方式以及优化转子参数,探究电机性能与磁极之间关系,达到降低损耗、提高电机效率的目的。本文采用了Box-behnken响应面法,以损耗为优化目标,建立与磁极参数之间的目标函数,根据仿真结果得到各参数优化数据。再利用某有限元商业软件计算出不同方案优化前后电机定子铁心损耗、铜损耗、转子涡流损耗以及机械损耗。将不同方案优化后的总损耗进行对比,选择一种低损耗方案作为研究对象。 最后,建立混合磁极真空干泵驱动电机的温度场有限元模型。基于传热基本理论,确定电机边界条件,设定驱动电机在真空环境下的传热条件,对电机进行温度场仿真,分别得到了电机整体温度、定转子、绕组、环氧树脂以及转轴温度分布结果,根据仿真结果判断电机各部分温度分布是否合理。最后将转子温度场仿真结果导入有限元软件进行应力场分析,对转子铁心以及永磁体所受应力求解与分析,确保电机能够长时间安全、稳定运行,为高效、节能的真空泵发展提供了重要参考价值。

关键词： 应力   钙钛矿   温度   光致发光   激子-声子相互作用  

摘要： 全无机卤化物钙钛矿材料因其独特的半导体性能,如长的自由电子和空穴扩散长度、直接带隙以及强大的光学吸收系数,受到人们广泛研究,本论文研究了具有应力条纹的CsPbBr3单晶微片光致发光（PL）光谱、寿命光谱以及发光复合类型的影响,本文主要开展了以下工作: （1）利用化学气相沉积法精细调控了石英管式炉内部的压强、温度、气体流速等参数,制备了几何形状规整、光学性能优异的CsPbBr3单晶微片,并通过双折射应力表征装置挑选了有应力条纹和无应力条纹的单晶样品。 （2）利用CsPbBr3单晶微片积分光致发光强度与激发光功率密度的幂函数关系,并通过幂指数的数值,确定了无应力条纹的样品由83 K升高至363 K的发光类型为激子复合,有应力条纹的样品在83 K-363 K之间发光形式经历了激子复合-自由结合重组或者供体-受体对重组-激子复合三个阶段。 （3）利用PL光谱,得出了有应力条纹和无应力条纹的样品在升温过程中光致发光光谱的变化,两种样品的荧光峰峰位在83 K-163 K的升温中均出现蓝移,而当温度由163 K升温至183 K时,两种样品的峰位均出现红移,然后随着温度继续升高,有应力条纹的样品其峰位继续红移,无应力条纹的样品缓慢蓝移。 （4）利用寿命光谱,对有应力条纹和无应力条纹的样品其荧光寿命随着温度变化的情况做了分析,对于无应力条纹的样品,其荧光寿命处于持续增长状态,而有应力条纹的样品其荧光寿命先增加,后减弱,最后变长。有应力条纹的样品其寿命变长原因为升温过程使得单晶内拉伸应力的释放,同时引入压缩应力,增加了卤化物的形成能,导致非辐射复合的减弱,使得寿命变长。 我们使用了显微共聚焦光谱测试系统来研究有应力条纹和无应力条纹的CsPbBr3单晶微片的光学性质,探讨了应力如何影响CsPbBr3微片的光学性质,这将为实现应力应变调控卤化物钙钛矿光电器件性能提供理论支持。

关键词： 准垂直   肖特基势垒二极管   TCAD   退火   应力  

摘要： 氮化镓（GaN）材料作为第三代半导体,与传统硅基材料相比,有着禁带宽度大,工作频率高,击穿场强大等诸多优势。采用GaN材料制作的肖特基二极管凭借优秀的器件性能成为了研究热点。目前,AlGaN/GaN异质结器件得益于廉价的衬底和高电子迁移率,发展较为成熟,已成功大规模产业化。但异质结器件因其平面结构限制,在高压大功率领域会消耗过多面积。故同时兼顾器件成本和性能的准垂直结构应运而生,本文针对这一结构,从器件仿真,结构材料设计,关键工艺研发和器件制备测试与分析四方面入手,研制了一种大电流,低电阻,高耐压的蓝宝石基GaN准垂直二极管。 在仿真和结构材料设计部分,首先,利用TCAD-Silvaco软件分别模拟了全垂直结构和准垂直结构SBD漂移层厚度和掺杂浓度对器件Ⅰ-Ⅴ特性的影响,结果发现随器件漂移层厚度的增加,正向导通电阻下降但是反向击穿电压提高,而提高掺杂浓度带来的影响与此刚好相反,但增加漂移层掺杂浓度对于减小器件导通电阻更为有效。接着,研究了阴极与台面间距(LCM)和阳极与台面间距(LAM)对器件Ⅰ-Ⅴ特性的影响。发现LCM变化时,器件正反向特性几乎没有变化,器件正向导通时,载流子的输运受阴极和台面间距影响不大。当施加反向偏压时,电场主要集中在器件阳极附近,与LCM无关。而LAM增加时,电流略有增加,导通电阻减小,因为此时漂移区截面积增加。另外,还模拟了阴极搭在台面上和PiN复合结构的准垂直SBD,前者可以提高电流密度,后者可以显著优化击穿特性。故在模拟结果指导下先确定了外延材料为:N-漂移层厚度2.5μm,掺杂浓度2×1016cm-3,N+外延层厚度1.6μm,掺杂浓度1×1019cm-3。其次,为了验证工艺条件并确认器件的结构参数,设计了流片实验,测得欧姆接触特性良好,电阻率仅为1.38×10-5Ω·cm2。考虑到成本因素,设计了不同LCM,LAM和场板长度(LFP)的小器件,测试结果与仿真结果吻合较好,LCM和LAM对器件正反向特性影响不大,而当LFP达到10μm时,击穿电压达到了52V,最终得到了Baliga优值最大为1.37GW/cm2的SBD器件。最后,根据实验也确定了LAM和LCM均为5μm。 在关键工艺研发方面,首先设计了两种阳极制作步骤,先钝化再开孔制作阳极和先制作阳极再进行钝化,前者相当于给器件在未蒸镀阳极之前进行了一次2分钟250℃退火,测试结果表明制作阳极前钝化器件可以大幅优化器件直流特性,有利于消除器件内部缺陷,使器件物理击穿电压接近-200V。接着,研究了阳极金属沉积后退火工艺的温度对器件特性的影响,通过设置四种温度在N2气氛下2分钟退火后发现,两种器件退火后导通电阻减小,电流密度增大。尤其对于阳极前钝化器件来说,电流密度均增大了约35%,300℃下,器件的理想因子最接近1,350℃时漏电流最低,在-50V的偏压下比未退火器件低了约2个数量级,物理击穿电压均高于-200V。最后验证了阳极后退火确实可以减少器件界面态的影响。 在器件测试与分析方面,基于优化后的阳极制作工序和退火工艺制备了GaN准垂直二极管叉指型器件。首先,进行了C-V测试提取了实际器件的掺杂浓度和内建电场。接着进行直流Ⅰ-Ⅴ特性测试,结果表明叉指型器件导通电阻在1.5 mΩ·cm2左右,击穿电压保持在-200V以上,最大电流可以达到8.88A。器件各指标与国际先进水平相比具有优势。在应力退化实验中,阳极持续施加-200V电压1000秒后,器件正向电流最低衰减仅为3.82%。在变温特性测试中,所有器件在125℃以内施加-200V电压均未发生物理击穿,表现出器件良好的温度可靠性。最后,通过结合数值计算和模型拟合,研究了叉指型SBD的反向漏电机制,对漏电机理进行了理论解释。

关键词： 相场法   氦泡组织演化   辐照剂量   晶界   温度   应力  

摘要： 奥氏体钢因其良好的耐腐蚀性、塑韧性、焊接性和优异的抗辐照性能,广泛应用于核反应堆结构材料。奥氏体钢承受长时间高能粒子辐照,产生大量的空位、气体原子等辐照缺陷,在服役工况高温和应力环境下点缺陷簇聚诱发氦泡等辐照损伤组织,引起辐照肿胀和辐照脆性及硬化效应,导致高温氦脆。调控氦泡组织及其辐照效应是反应堆结构材料安全稳定运行的关键。本文针对奥氏体钢氦泡组织及其肿胀效应,采用介观尺度的相场方法研究氦泡组织演化,揭示辐照剂量、合金成分、晶界、温度场以及应力场等要素对氦泡的影响规律。本文取得的主要结果如下: 本文研究了辐照剂量、辐照温度、晶界等对氦泡生长的影响。结果表明:辐照剂量、辐照温度分别为1dpa和900K时,氦泡形核孕育时间为7500t0和14000t0,而辐照剂量、辐照温度分别为5dpa和1000K时,氦泡形核孕育时间为6000t0和9000t0,所以辐照剂量、辐照温度的升高均会促进氦泡形核,但在形核结束后,辐照温度为1000K时氦泡尺寸较小,长大过程较慢,而辐照剂量为5dpa时氦泡尺寸较大,长大过程较快。此外,晶粒数量P=25时氦泡尺寸较大,晶间粗化严重;晶粒数量P=45时氦泡尺寸较小,晶间粗化轻微,因此随晶粒数量的增加,晶间氦泡粗化程度降低。 本文研究了温度场下氦泡与晶界的协同演化过程。结果表明:温度梯度下不同氦泡迁移率以及氦泡分布对晶粒长大过程的影响存在差异,低迁移率的氦泡对晶界迁移产生了阻力,阻碍了晶界的迁移,延缓了晶粒的生长过程,而高迁移率的氦泡容易被迁移晶界拖拽,对晶界迁移的阻力较小,晶粒生长过程加快。此外,氦泡分布分数与氦泡尺寸分别为3%和9nm时,晶粒面积分数较小,晶粒长大过程较慢;而氦泡分布分数与氦泡尺寸分别为7%和7nm时,晶粒面积分数较大,晶粒长大过程较快,因此氦泡分布分数的增大以及氦泡尺寸的减小将加速晶粒的生长过程。 本文研究了应力场下氦泡形貌变化及合金成分对氦泡生长的影响。结果表明:应力梯度下氦泡向高应力方向去迁移,并且沿应力梯度方向发生形貌变化,但是由于形貌变化程度较小,氦泡生长过程较慢。而在外加应力下,由于气体原子与空位沿外加应力方向分布,氦泡沿施加应力方向发生形貌变化,并且随应力的不断增大,氦泡形貌变化程度较大,生长过程较快。此外,Cr、Ni成分的增加均会延缓氦泡的生长过程,但是Fe-5Cr-1Ni的合金体系比Fe-1Cr-5Ni的合金体系更有利于抑制氦泡的生长过程,因此合金体系中Cr含量越高,对氦泡的生长抑制效果也越明显。

关键词： 吊弦   应力   疲劳寿命   移动载荷   脉动风载  

摘要： 在高速铁路运营中,受电弓与接触网通过滑动接触完成电力传输。由于接触网在铁路沿线露天设置,并且没有备用设施,所以,一旦接触网发生故障影响到电流的接收,那么列车必然就会停止运行。而吊弦作为接触网的关键零部件,一旦发生断裂,就会导致弓网故障,严重影响列车的安全行驶。吊弦断裂最本质的原因是长期受到交变应力的影响,因此,对吊弦应力及其疲劳寿命的研究十分重要。为此,本文研究移动载荷和脉动风载对吊弦应力及其疲劳寿命的影响。研究的主要内容如下: 一、基于正弦力建立简单链型悬挂接触网模型,研究移动载荷作用下的吊弦应力及其疲劳寿命情况。然后在移动载荷的基础上对接触线施加脉动风载,研究脉动风载对吊弦应力及其疲劳寿命的影响。分析了不同风速、不同初始风攻角、不同幅值工况下吊弦最大拉应力以及疲劳寿命值的变化情况,并与对接触线仅施加移动载荷的情况进行对比分析。结果表明:在移动载荷的基础上对接触线施加脉动风载,当风攻角一定时,风速越大,脉动风对吊弦的疲劳损伤越严重。当风速一定时,不同风攻角对吊弦应力及其疲劳寿命的影响不同,风攻角越小也就是来流风向越接近于水平,脉动风对吊弦的不利影响越小。在脉动风下,固定风攻角和风速,正弦力的幅值越大,吊弦越容易断裂,并且吊弦Ⅳ对于幅值的增加更为敏感。在不同风速、不同风攻角、不同幅值的工况下,吊弦Ⅳ相较于其它吊弦更容易发生断裂。 二、基于吊弦抬升量建立接触网模型。我们课题组使用一些软件和硬件设备获取了受电弓通过时吊弦与接触线连接处的位移,即吊弦抬升量,在本文我们将该位移代替移动载荷施加到接触线上,研究该载荷作用下吊弦应力及其疲劳寿命的情况。然后,在上述研究的基础上将脉动风载施加到接触线上,研究脉动风载对吊弦应力及其疲劳寿命的影响。分析不同风速以及不同初始风攻角工况下吊弦最大拉应力以及疲劳寿命值的变化情况,并与未施加脉动风的情况进行对比分析。结果表明:无风情况下,列车以250km/h的速度向前行驶时,吊弦的应力变化过程都经历即刻回弹、衰减振动、弯曲压缩三个阶段。在接触网中,不同位置的吊弦其最大拉应力值不同,并且达到最大拉应力值的时间也不同。对接触线施加脉动风载,高风速时的脉动风会对吊弦产生不利的影响,当风攻角一定时,风速越大,脉动风对吊弦造成的疲劳损伤越严重。当风速一定时,风攻角越大,脉动风对吊弦Ⅰ～Ⅳ的影响越不利,但风攻角的变化对吊弦Ⅴ的影响不明显。同一跨中,相比于吊弦Ⅰ、Ⅴ,吊弦Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ对不同风速的风载荷的施加更为敏感。并且,吊弦Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ比吊弦Ⅰ、Ⅴ更容易发生疲劳断裂。因此,在实际运营中,应采取适当的防风措施来减少吊弦的损伤,并且应重点注意对吊弦Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的维护。

关键词： 力学计量   工程力学   不确定度   分析   应用  

摘要： 高速公路、桥梁、隧道等基础建设迅猛发展，材料试验机等仪器设备都是在高速公路，桥梁和隧道建设中必不可少的工程计量器具，其中的评定检测数据直接影响到工程质量的评定，文章针对其测量不确定度分析进行研究，产生测量不确定度的概念，分析测量不确定度在力学计量中的应用意义，并且重点探讨了分析测量不确定度的具体方法。

关键词： 结构强度   耐久性   化工储罐   有限元分析   应力分析  

摘要： 本文深入探讨了化工储罐的结构强度和耐久性，强调这两个因素在保障储罐安全、延长储罐使用寿命方面的重要性。采用先进的计算技术和分析方法，对储罐的结构进行了详细的强度评估和耐久性分析。通过对材料特性、设计标准、环境因素的考量，提出了提高储罐结构性能的策略。研究结果显示，通过优化设计和材料选择，可以显著提高储罐的结构安全性和耐久性，从而有效防止泄漏等事故，确保化工产业的安全运行。

关键词： 超临界直流锅炉   水冷壁   应力   外加角钢   蠕变寿命  

摘要： “双碳”目标背景下,能源结构正发生着根本性变化,新型电力系统中,新能源占比例越来越高,大容量、高参数常规燃煤发电机组的服务性功能逐渐显现,近年来电力企业运行数据表明,以往承担基本负荷的大容量超(超)临界参数发电机组参与调峰愈发频繁,且调峰深度日益提高。运行条件的频繁改变增加了锅炉主要受热面水冷壁管失效的概率,进而导致机组非计划停机的次数增加,严重影响了电力生产的经济性和安全性。针对水冷壁运行中出现的拉裂问题,本文以某电厂在运行660 MW超临界参数燃煤发电机组W火焰直流锅炉为研究对象,基于多物理场耦合理论,通过Workbench平台研究了炉膛标高50 m处水冷壁在深度调峰背景下二维水冷壁管温度、变形量以及应力的分布情况;考虑到水冷壁管在运行过程中会出现管内结垢的情况,针对BMCR工况,模拟分析了不同垢层下水冷壁管温度、变形量以及应力的分布情况;为降低水冷壁管应力造成的拉裂故障率,设计了一种外加角钢结构,对比分析了外加角钢前后水冷壁管温度、应力等的变化,论证了外加角钢结构的可行性;建立了超临界直流锅炉水冷壁管蠕变寿命预测模型,将模拟得到的最大应力点处应力和温度带入拟合得到的方程,进而求出相应工况下的蠕变寿命损耗率。研究结果表明: (1)水冷壁在热负荷从30%BMCR到BMCR工况变化过程中,水冷壁壁面最高温度、壁面平均温度、最大变形量和最大应力值都会逐渐变大,在BMCR时最大。 (2)针对BMCR工况,水冷壁管内结垢时,随着水冷壁管内垢层厚度的增加,壁面的最高温度和最低温度均呈现上升趋势,且壁面最低温度与最高温度之间的差值随垢层厚度的增加而扩大,当垢层厚度达到1.5 mm时,壁面的最高温度已经接近12Cr1MoVG的许用温度上限;通过对比水冷壁向火侧、背火侧、水冷壁管与鳍片连接处、鳍片中心四个位置内外温差可知,管内结垢对水冷壁管与鳍片连接处两侧温差影响最大。 (3)通过对比30%BMCR到BMCR 6个工况下水冷壁壁面平均温度发现,外加角钢后壁面平均温度分别降低了7.56℃、7.8℃、7.96℃、8.02℃、7.64℃、6.98℃,降低了水冷壁管壁面上的温度梯度,该效果呈现先升高后降低的趋势,在60%BMCR左右时这种效果达到最佳;外加角钢后最大变形量对应减小了0.022 mm、0.026 mm、0.027 mm、0.032 mm、0.029 mm、0.024 mm,壁面最大等效应力分别减小5.72 MPa、6.19 MPa、6.51 MPa、7.03 MPa、6.34 MPa、6.07MPa。 (4)外加角钢后,不同垢层厚度下水冷管截面平均温度较未加角钢前,壁面平均温度分别减小5.52℃、3.93℃、3.58℃、2.99℃、2.51℃;较未加角钢时壁面最大应力分别减小了4.5 MPa、2.79 MPa、2.56 MPa、1.77 MPa、1.25MPa,外加角钢能有效降低水冷壁在高负荷工况下的最大等效应力,但这种效果随着垢层厚度的增加有所减小。 (5)水冷壁最大剪切应力位于水冷壁管与鳍片的连接处,温度偏差会导致水冷壁温度分布不均匀,进而增大剪切应力,增加了因剪切应力导致水冷壁拉裂的风险,外加角钢可以有效缓解最大剪切应力,能对水冷壁起到保护作用。 (6)管内结垢会造成水冷壁管与鳍片连接处温度升高,热应力随之升高,由此会造成该处蠕变寿命降低,严重影响水冷壁的正常运行,在实际运行中应加强对水冷壁管内结垢情况的监测并及时清理。外加角钢后相同工况下水冷壁蠕变寿命值变大,对水冷壁能起到保护效果。

关键词： 拓扑优化   多材料   应力   P范数   浮动映射  

摘要： 拓扑优化具有灵活的设计自由度,对提高结构性能、降低材料消耗以及推动结构创新设计具有重要意义。多材料拓扑优化可根据不同材料的物理特性,将合适的材料布置在合适的位置,可进一步提高结构性能并降低结构质量。但由于多材料应力拓扑优化涉及应力奇异性、局部性以及材料强度不一致性等问题,目前的研究还很有限。针对此问题,本文基于拓扑优化方法,开展多材料结构的应力最小化设计研究。主要研究工作如下: 基于浮动映射拓扑优化(Floating Projection Topology Optimization,FPTO)方法,在线性材料插值方案下,构建体积约束下柔度最小化的单材料拓扑优化模型和总质量约束下柔度最小化的多材料拓扑优化模型。分析推导相应的拓扑变量灵敏度,并建立多材料设计变量更新策略。数值算例表明,该方法可实现多材料的自动选择及自动分配,显著提高结构性能。 采用P-norm聚合函数近似最大应力,是解决拓扑优化应力局部性问题的常用手段,但随着凝聚程度的增加,应力非线性增强,优化的收敛性明显变差。为解决此问题,通过引入结构平均应力这一全局性评价指标,构建应力P范数和平均应力同时最小化的拓扑优化模型,对应力拓扑优化问题进行改进。数值算例表明,改进的应力拓扑优化方法可以有效消除应力集中现象,实现结构应力近似均匀分布,同时大大提高应力拓扑优化的收敛性和稳定性。 将改进应力拓扑优化方法推广到多材料结构设计,针对应力奇异问题,提出多材料应力反向惩罚策略,以结构应力比P范数和平均应力比同时最小化为目标,以结构总质量为约束,构建多材料应力拓扑优化模型。数值算例表明,该多材料拓扑优化方法,可对不同材料进行自动选择和分配,实现多材料结构应力比近似均匀分布,最大化各材料利用效率。