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关键词： 域分解多尺度方法   耦合离散元-有限差分法   打入桩   砂土   应力分析   开口桩   土塞效应  

摘要： 随着我国加快对海洋资源的开发和利用,大型海上工程结构物,包括海上风力发电机组、海上石油平台、大型跨海大桥等的建设正如火如荼。而打入桩作为上述各类结构物的基础,准确预测其竖向承载力往往是保障结构物安全与稳定的关键。基于静力触探试验(CPT)的打入桩竖向承载力设计方法能够考虑沉桩效应下桩周砂土复杂的应力变化,对打入桩竖向承载力的预测更为准确和可靠。离散元法(DEM)可以从颗粒尺度模拟砂土特性,并且在分析桩贯入等岩土工程大变形问题上具有优势。然而,DEM在模拟足尺模型或现场试验时,所需颗粒数量过多,普通计算机往往难以完成计算。基于域分解多尺度思想的耦合离散元-有限差分法(DEM-FDM)将桩贯入问题的求解域分为:桩周重要区域和远离桩的一般区域。桩周重要区域采用DEM方法,从颗粒尺度模拟该域内砂土的力学行为和桩土相互作用;而一般区域则使用FDM模拟,采用相对简单的本构关系求解该域内砂土响应,从而减少所需颗粒数并提高数值收敛性。 本文基于域分解多尺度的耦合DEM-FDM方法,模拟闭口桩和开口桩砂土中贯入过程,进一步探究桩-土相互作用机理,为建立更合理的打入桩竖向承载力设计方法提供依据。本文主要工作和成果如下: 1.使用离散元PFC和有限差分FLAC程序,利用其提供的“面耦合”形式,编写命令流及fish程序,结合周期单元复制成样方法(PCRM),成功构建了耦合DEM-FDM数值模型。 2.先通过简单的双轴压缩试验确定模型参数,构建使用纯DEM和耦合DEM-FDM模拟二维闭口桩贯入过程的算例,分别对模拟结果进行对比,验证了耦合DEM-FDM方法模拟桩贯入问题的可靠性及高效性。 3.构建了三维闭口桩循环静压贯入砂土中的耦合DEM-FDM数值模型,对等尺寸的闭口桩打入模型槽试验进行模拟。模型中考虑了桩的循环静压贯入,发现循环静压对桩锥尖阻力影响不大但会显著减小桩侧摩阻力。模拟获得的锥尖阻力、桩压入过程和稳态阶段砂土的应力值与试验实测数据均吻合较好,并进一步对桩在压入和稳态阶段砂土应力分布规律及演化特性进行了研究。 4.利用DEM-FDM方法对开口桩静压贯入砂土过程进行研究。构建了二维的开口桩贯入模型,模拟了不同内径的开口桩贯入过程,发现贯入深度越深、桩径越小,土塞效应越强。对开口桩贯入过程各部分阻力的分析表明,土塞效应严重影响开口桩的承载特性。并进一步研究了开口桩贯入过程引起的应力场、主应力方向以及颗粒接触力分布的变化规律。

关键词： 工程力学   BOPPPS   混合式教学  

摘要： 当前高校本科课程建设的重要内容就是打造“金课”，淘汰“水课”。为了建设“工程力学”金课，本教学团队以BOPPPS教学模型为基础，依托多种现代化教学软件及平台，形成了线上线下混合的OBOPPS教学模型。该模型坚持以学生为中心，强调学生的参与式学习，较好地解决传统课堂教学形式单一、教学反馈滞后的问题。本文通过工程力学课程教学中的探索和实践，阐述了教学设计及教学方法的新思路。

关键词： 新工科   应用型本科院校   工程力学   课程教学改革  

摘要： 随着新工科建设的深入推进，传统的工程教育模式已难以满足现代工程技术发展所需。作为工科专业的重要基础课程，《工程力学》的教学改革势在必行。传统的《工程力学》教学往往侧重于理论知识的传授，而忽视了对学生实践能力和创新能力的培养。但是在现代工程领域中，实践能力和创新思维是至关重要的。因此，本文旨在探讨在新工科建设背景下《工程力学》课程的教学改革策略，构建高质量教学课堂，以期提高学生的实践能力和创新思维。

关键词： 多组元钛合金   相场模拟   应力   温度   微观组织演化  

摘要： 钛合金由于其优良的物理化学特性以及卓越的力学性能,如低密度、高比强度、良好的抗腐蚀性和耐高温性,已广泛应用于航空航天、海洋船舶和生物医疗等领域。钛合金的性能依赖于其微观组织,而微观组织取决于合金成分、热机械加工和热处理制度。应力和温度是热机械加工和热处理过程中的两个关键因素。为了揭示钛合金固态相变的内在机理以及缩短钛合金产品研制周期,相场法逐渐在钛合金固态相变领域得到应用。然而目前相场法在钛合金固态相变的研究集中在常见的TC4合金和一些简单的二元合金。随着对钛合金性能要求的不断提升,钛合金多组元化的趋势越来越明显。现有的模型不能满足对多组元钛合金的模拟要求,此外对于钛合金微观组织演化中应力和温度的模拟研究也不够全面。鉴于此,本文根据钛合金发生β→α固态相变时的热力学、晶体学特点,建立了多组元钛合金β→α固态相变相场模型,以Ti60合金为例,探究了应力和温度两个关键因素对多组元钛合金微观组织演化的影响规律与机制。 首先,建立了多组元钛合金β→α固态相变相场模型。通过伪三元化的方式将多组元钛合金的成分简化为Ti-Al-Mo三元系,简化多组元钛合金的热力学计算过程。通过Thermo-Calc计算得到的Ti60合金伪三元后的β转变温度1318 K与实验测定的Ti60合金的β转变温度1322 K基本一致。研究了界面能的各向异性对α相生长形貌的影响。结果表明,界面能越小的界面生长速度越快,界面能的各向异性使α相生长为椭球状。在综合考虑界面能的各向异性和弹性应变能的基础上,研究了α相与β基体的界面状态对α相生长形貌的影响。结果表明,在各向异性界面能和弹性应变能的共同作用下α相生长为层片状;共格状态下的惯习面偏离实验观察到的Ti60合金的惯习面约11°,半共格状态下的惯习面与实验观察到的Ti60合金的惯习面仅有2°的差异。 接着,在建立的多组元钛合金β→α固态相变相场模型基础上,以伪三元化后的Ti60合金为例,探究了应力对钛合金微观组织演化的影响。研究了初生α片层的局部应力场对次生α相析出的影响。结果表明,初生α片层的局部应力场诱发了有限种类的次生α变体的析出,这些次生α变体同时具有较负的相互作用能和较负的平均弹性能密度。研究了沿[010]β和[（?）01]β施加50 MPa单轴拉伸应力和单轴压缩应力时钛合金的变体选择行为。结果表明,在外加应力的作用下发生了明显的变体选择现象,并且存在拉伸/压缩不对称性,压缩应力下的变体选择总体上比拉伸应力下更加强烈。相互作用能的计算结果能够与模拟结果实现较好地对应。还研究了沿（101）[（?）11]β和(12（?）)[（?）11]β施加50 MPa正剪切应力时的变体选择行为。结果表明,外加应力和体系的内应力共同决定了α变体的析出行为,当体系的内应力占主导地位时,那些能够更大程度弛豫掉体系内部弹性应变能的变体对会优先析出。 最后,在建立的多组元钛合金β→α固态相变相场模型的基础上,以伪三元化后的Ti60合金为例,探究了温度对钛合金微观组织演化的影响。研究了固溶温度对钛合金微观组织演化的影响。结果表明,随着固溶温度和固溶时间的增加,等轴α相的含量逐渐减少;随着固溶温度的升高,由于原子扩散系数增大且浓度转变滞后于结构转变,等轴α相和β相的Al原子平均浓度逐渐上升,Mo原子平均浓度则不断下降。同时还研究了冷却速度对钛合金微观组织演化的影响。结果表明,随着冷却速度的降低,α片层间距缩短,α相的尺寸增加,α片层的平均厚度由60 K/s时的0.0356μm逐渐增加到5K/s时的0.1125μm。

关键词： 应力   双层套管   横向各向同性地层   多极声场   激发强度   频散  

摘要： 在油田生产中常有超深井和使用年限较长的老套管井等情况,为了防止超深井内地层深处的套管壁垮塌、延长老井的使用寿命,以及出于减少经济成本的目的,常常需要依照实际情况对原有套管井内放置各种技术套管、回接套管等其它套管,也就是形成双层套管。研究表明双层套管内的声波场相较于单层套管而言,复杂程度有所增大,而随着科学技术的发展,地下资源的探测深度越来越深,超深井情况也随之增多。在声波测井作业时,上覆层应力也会影响井孔声场特征,深度越深应力越复杂,上覆层应力可能越大,从而影响到固井质量的评价。因此,上覆层应力的影响也变得愈发不容忽视。在此背景下,本文假设存在上覆层应力(铅直应力),即与竖直的双套管井轴平行,依据声弹性理论,对上覆层应力诱导的横向各向同性地层中双层套管井多极声场进行分析。 根据声弹性理论,单轴应力作用下的各向同性地层可近似等效为横向各向同性介质。本文施加应力与井轴一致,因此地层可视作对称轴和井轴平行的横向各向同性(VTI)介质,基于这一前提,从而可解析求解。运用势函数可分别求出各个层和横向各向同性地层的方程及其势函数的通解,并给出应力应变分量的表达式。在五个界面上依据应力位移连续的边界条件,可求得频散方程。采用牛顿迭代求根,计算分析了双层套管井导波的频散和激发特征,进一步采用实轴积分法计算分析不同应力下单极源、偶极源、四极源激发的井孔全波。并与单层套管情况的声场进行了比较。研究结果表明斯通利波、弯曲波与螺旋波的相速度、激发强度随单轴应力的变大而变大。在慢速地层内,频散与激发强度对其大小的改变反应更加灵敏,其频散曲线随应力变大明显前移。对比单、双层套管井的频散与激发曲线得知,在相同应力下快速地层的频散和激发幅度响应差别大。除极低频率外,双层套管井的相速度、群速度在低频区增加,在中间频率区域减小。双套管井孔全波的研究结果表明随铅直应力的增大,其到时提前,振幅变大。慢速地层中,由于激发强度差别更大,因而其随应力的改变十分明显,说明慢速地层内双层套管对应力的变化比快速地层反应更灵敏,更易于观察。 本文的研究可以为利用声波测井技术对超深双层套管固井质量评价研究提供参考,为进一步开展更复杂应力情况的双套管井问题提供研究基础。

关键词： 高压调节阀   流场特性   多物理场   应力   振动特性  

摘要： 作为流体控制领域中的重要组成部分,高压调节阀被广泛应用于石油、化工、水电等行业。其耐高温、耐高压、耐腐蚀等特点使其成为工业生产过程中不可或缺的关键设备。但是,由于工艺条件的日益复杂性和技术进步带来的持续提升,使用高压调节阀的环境条件越来越严酷,高频次的高压高温操作状况使设备故障频率大幅度上升,从而对其调节性能产生了负面影响。此外在这种恶劣的工作条件下,阀内的流动呈现出极度的波动性,伴随着强烈的振动现象,这可能会触发管道系统中的振动问题,并有可能造成如阀杆断裂等严重的结果。这对工厂的安全运行构成了潜在的风险。所以,深度探讨高压调节阀的多物理场交互及其振动特性的重要性很有必要,本文采用了结合ANSYS数值模拟方法来研究高压调节阀的多物理场作用和振动特性,开展以下工作: (1)阐述了高压调节阀的结构和工作原理,并对阀门多物理场耦合及振动问题的国内外研究进行了深入探讨。 (2)利用计算流体力学(CFD)方法,对高压调节阀的稳态流场展开模拟计算,揭示了其不同开度下的压力和速度分布规律,并深入探讨了调节阀不同开度以及进出口压差对阀内流场特性的影响。进一步使用稳定的流动模型来预测不同开度下的压力脉动现象,通过压力脉动的频域和时域分析方法,探究了不同开度下压力脉动的分布规律以及在特定范围内的压力脉动幅值,为接下来的热-流-结构三者相互作用下的振动特性提供基础数据。 (3)利用ANSYS数值模拟的热流固耦合技术,运用流场动力学模块、静力场模块和模态分析模块对高压调节阀进行了热流固耦合与共振特性的分析。在此过程中,确定了不同开度状态下阀芯和阀杆所承受的压力情况、模态振型及其固有频率。然后通过谐响应分析,揭示出阀芯和阀杆的振动规律。 (4)为了解决高压调节阀在小开度时可能出现的应力过高或者共振的问题,对阀笼设计做了研究与比较。通过观察改进前后阀芯和阀杆应力和振动的变化情况,来研究能否有效防止共振现象发生,进而确保高压调节阀的安全操作。

关键词： 口腔种植体   植入扭矩   皮质骨   松质骨   应力分析  

摘要： 目的：本研究应用三维有限元，分析口腔直壁双线螺纹设计的种植体以不同扭矩植入颌骨（Ⅱ类骨，Ⅲ类骨）的过程，对皮质骨与松质骨进行应力分析。通过对种植体植入过程中骨内动态应力分布，从而探讨植入扭矩与von mises应力与应变值在植入过程中的关系。　　方法：本研究首先使用Siemens NX12.0软件对由皮质骨和松质骨构成的颌骨骨块进行建模。在对骨块进行建模后，我们根据Nobel Parallel CC种植系统推荐的最终扩孔植入钻尺寸设计了一个种植窝，测量冠方直径为4.3mm，根方直径为3.2mm，长度为12mm，用于在骨块中放置种植体。另外我们使用3D扫描仪对种植体进行扫描，将扫描结果传输到Abaqus软件进行参考，然后使用Siemens NX12.0软件对Nobel Parallel CC规格为4.3×11.5mm的种植体进行建模。最终通过有限元软件Abaqus装配种植体及颌骨模型，分别以三种不同植入扭矩模拟种植体的动态植入过程，记录颌骨周围骨组织的应力与应变值。最终将颌骨模型平分成冠部，中部，尖端三部分，每部分选取十个标志点进行记录植入过程中的应力与应变值，采用SPSS24.0软件对相同颌骨模型组间不同扭矩下颌骨所受应力，以及所产生的应变进行单因素方差分析，对相同扭矩下两种骨块模型皮质骨所受应力以及相同扭矩下两种骨块模型松质骨上段所受应力通过t检验进行两两比较，以分析在不同植入扭矩下种植体对周围皮质骨与松质骨的应力分布以及最大von mises应力，应变的变化。　　结果：1.从整体植入过程皮质骨所受应力数据来分析，在Ⅱ类骨模型中I3组出现最大应力值（12.11±0.47）Mpa。2.在同一颌骨模型中，应力水平随着植入扭矩的增大而增大，在Ⅱ类骨与Ⅲ类骨模型中，比较I1、I2、I3组应力值差异均具有统计学意义（P＜0.05）。3.在同一植入扭矩情况下，Ⅱ类骨模型皮质骨所受应力均大于Ⅲ类骨模型，Ⅱ类骨模型-I1组与Ⅲ类骨模型I1组、Ⅱ类骨模型-I2组与Ⅲ类骨模型I2组、Ⅱ类骨模型-I3组与Ⅲ类骨模型I3组比较应力差异均具有统计学意义（P＜0.05）。4.从云图来分析，根据植入过程中应力数据动态变化显示植入到种植窝中段部分时，皮质骨出现应力集中区。在植入过程中，Ⅱ类骨中皮质骨的所受应力高于Ⅲ类骨。5.从植入过程中松质骨所受应力数据方面分析，应力最大值出现在I3组Ⅲ类骨中为5.97±0.29Mpa。6.在同种颌骨模型内松质骨应力随着扭矩增大而增大，在Ⅱ类骨与Ⅲ类骨模型中，分别比较I1、I2、I3组应力值差异均具有统计学意义（P＜0.05）。7.分别在同一扭矩情况下，Ⅱ类骨模型松质骨上段所受应力均大于Ⅲ类骨模型，Ⅱ类骨模型-I1组与Ⅲ类骨模型I1组、Ⅱ类骨模型-I2组与Ⅲ类骨模型I2组、Ⅱ类骨模型-I3组与Ⅲ类骨模型I3组比较应力差异均具有统计学意义（P＜0.05）。8.从云图分析，根据植入过程中应力数据动态变化显示种植窝上段部分松质骨出现应力集中区，下段出现反升的趋势。9.从应变水平变化趋势来分析，应变最大值出现在I3组Ⅲ类骨中为695.70±29.49，两种颌骨模型应变随着扭矩增大而增大，在Ⅱ类骨与Ⅲ类骨模型中，分别比较I1、I2、I3组应变值差异均具有统计学意义（P＜0.05）。应变趋势随着种植体的深入，应变逐渐下降，而在深入到下段时，应变水平逐渐上升，并且相同扭矩下Ⅱ类骨中皮质骨的应变水平变化更加缓和。　　结论：1.通过分析得出，随着扭矩的增加，皮质骨与松质骨内的应力均增加，而峰值均出现在皮质骨中，并且Ⅱ类骨中皮质骨所受应力显著高于Ⅲ类骨。但是对于较厚的皮质骨传递应力的能力相对较差，本研究实验中发现，随植入扭矩的增大虽然皮质骨应力Ⅱ类骨比Ⅲ类骨更大，而与皮质骨邻接的松质骨所受应力Ⅲ类骨却较于Ⅱ类骨更高。因此在临床手术中我们针对较厚皮质骨的骨条件，在保证初期稳定性的前提下应将皮质骨的应力适当松解。2.本研究在比较了高中低三种扭矩下种植体周围颌骨的应力与应变，在相同扭矩下Ⅱ类骨中皮质骨的应变水平比Ⅲ类骨相对较小，并且均未超过颌骨的合理应变范围，但对于远期效果，常用的35N·cm植入扭矩的种植体在植入过程中对骨组织的应力更为适中，有利于骨的边缘骨保存。

关键词： 真空泵   反凸极永磁同步电机   转子结构   温度场   应力场  

摘要： 由于工作环境的限制,真空泵驱动电机在运行过程中常常面临着转子温度高、散热难的工程问题,较高的转子温度将导致电机效率下降甚至更危险的情况发生。永磁同步电机在具有良好性能的同时,没有转子绕组铜耗,转子温升远远小于异步电机。反凸极永磁同步电机作为一种新型的永磁同步电机,通过在转子设置磁障,进一步提升了电机性能,降低了转子损耗,改善了温升问题。本文根据实际真空泵驱动电机工况要求,对永磁同步电机转子结构进行重新设计,设计了一台真空泵驱动用反凸极永磁同步电机。 首先,对反凸极永磁同步电机的工作原理进行解释说明,基于磁路法计算了电机的磁路模型,构建了d-q轴数学模型,分析了反凸极永磁同步电动机运行时的基本方程,以此为基础给出电机的设计方案;利用有限元软件,分析了反凸极永磁同步电机转子磁障尺寸对电机转矩性能的影响,得出合适的取值范围并选取了最优值。 其次,为了更好地验证所设计的反凸极永磁同步电机的性能,同时设计具有相同技术要求的常规永磁同步电机与之进行性能对比。利用有限元法对比分析两台电机的各项电磁性能,验证了电机的合理性和优势;针对电机综合性能的优化,分析定子斜槽对电机性能的影响;为了抑制电机损耗,降低温升,研究了磁性槽楔对转子损耗的抑制作用,对磁性槽楔不同相对磁导率下的气隙磁密进行了计算,对比转子损耗随磁性槽楔相对磁导率的变化情况,确定了磁性槽楔最佳磁导率。 最后,针对真空泵驱动电机的特殊工作环境和反凸极永磁同步电机转子的特殊结构,分析了两台电机的温度场和稳态温度下反凸极永磁同步电机转子的应力场,验证了电机设计方案的合理性。

关键词： 双高计划   活页式教材   水利水电建筑工程专业群   工程力学  

摘要： 在“双高”建设背景下，以“水利水电建筑工程”专业群中《工程力学》活页式教材的开发为例，研究了活页式教材的开发思路和开发路径，总结了教材开发的特色，可为其他活页式教材的编写提供参考借鉴。

关键词： 钢围堰   船坞   挠度   应力   三维有限元模型  

摘要： 船舶造修行业是中国国民经济中一个重要的行业,也是我国经济建设和发展的重要组成部分。船坞是修、造船舶的工作平台,船舶的建造和大修是在船坞中进行的。而坞门则是船坞的出入口,坞门的开合控制着船只的进出,是船坞结构中最重要的部分之一。 本文中研究的是山海关船厂2号坞门钢围堰,该坞门是气动卧倒式坞门。由于船坞坞门铰支座安装误差,导致坞门底部两个对称布置的支铰频繁损坏,影响了坞门的正常启闭。由于水下维修质量难以保证,所以此次维修采用修建钢围堰将船坞进口进行封堵,进行干作业施工。 依据建成的现有坞口结构形式确定钢围堰外形。由于船坞位于港池内,考虑钢围堰仅承受静水荷载。依据在钢围堰受荷情况在其后方布置了斜支撑和水平支撑以保证围堰稳定,并初步选定了各构件尺寸。 为了分析钢围堰结构的可靠性,首先将格构式的钢围堰转化为平面结构进行简化计算。面板参考后方肋板布置简化为四面支撑板核算,面板临近纵向腹板的一部分、腹板以及腹板的后翼缘板组成工字形截面的纵梁,与后方斜支撑和水平支撑组成结构体系,共同承受海水的静水压力。依据计算得到的内力结果,对选定的构件截面进行验算,最终应力比、腹板高厚比、翼缘宽厚比、长细比等参数均满足相应规范要求,竖向构件的位移最大值位于纵梁顶端和底端,分别为5.5mm和5.3mm。位于底端的面板承受最大静水压力,核算后挠度为6.93mm。 采用ANSYS软件建立三维有限元模型进行仿真模拟,最终得到的变形和应力计算结果与平面简化计算结果基本一致,水平钢支撑处挠度最小为1.53mm,斜钢管支撑处挠度为5mm,面板最上部挠度位移为6mm。板挠度最大位置与平面计算中选定位置相同,为19.61mm,比将该区格面板简化为四边固定支撑板计算得到的结果大了3倍多,说明三维计算时,区格四周垂直面板的纵向腹板和水平肋板并没能为面板提供四边固定支撑的效果,按四边固定支撑板的计算是偏不安全的。 依据选定截面进行了钢围堰的制作和安装。在钢围堰安装,以及船坞坞口维修的整个过程中对围堰变形进行持续监测,经验证钢围堰结构变形比计算值略小,可能是由于施工是在枯水期进行,实际海水压力与计算选用的高潮位相比偏小导致的。 通过对于单因素变量对钢围堰结构内力及变形的影响分析可知,纵向腹板高度、厚度、面板厚度、斜支撑钢管和水平支撑钢管的壁厚,对围堰顶部挠度的影响自大到小为纵向腹板高度>纵向腹板厚度>面板厚度>水平支撑钢管的壁厚>斜支撑钢管壁厚,在优化设计时,应尽量避免优化纵向腹板高度和厚度。对面板厚度可适当优化,若面板挠度偏大可采用减小横梁间距的方法处理。斜支撑和水平支撑在应力及长细比不超限值的情况下可减小壁厚进而减小其刚度,避免引起应力集中。 利用ANSYS三维模型分别讨论了面板厚度、纵向腹板厚度、纵向腹板高度、斜支撑钢管和水平支撑钢管的壁厚作用下钢围堰的应力及变形的变化规律,发现对围堰顶部挠度的影响自大到小为:纵向腹板高度、纵向腹板厚度、面板厚度、水平支撑钢管的壁厚、斜支撑钢管壁厚,确定了今后类似工程优化的方向。