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关键词： 高速永磁电机   张力缠绕   应力分析   粒子群算法  

摘要： 高速电机体积小、转速高、转子转动惯量小,可直接与负载相连,这些特点赋予了其高功率密度和快速动态响应等优点,使其表现出与传统电动机截然不同的优势。高速电机已被广泛地应用于航天、国防、日常生活等领域。然而,电机转子中的永磁体结构抗拉应力较小,在高速运转无法承受离心力时而损坏,从而对电机的整体性能和运行稳定性产生不良影响。为了解决这些问题,本文提出了一种含磁性护套的高速永磁电机转子拓扑结构,并以一台100k W、20000r/min含磁性护套的高速永磁同步电机为研究对象,分析缠绕张力对转子强度的影响。同时,为了提高转子的可靠性,尽可能减少烧结永磁体的使用,对转子结构进行优化设计。本文的主要研究内容如下: 首先,对电机的电磁性能进行校核,以保证电机的磁性能符合设计要求。采用小变形理论与弹性叠加原理对转轴、永磁体、磁性护套的应力进行理论推导。对恒定张力缠绕、恒定力矩缠绕、锥度张力缠绕和等应力缠绕进行对比分析,确定最佳的缠绕形式。分别通过等效温度场法和生死单元法来模拟缠绕张力的施加和逐层缠绕的过程,在此基础上建立了复合转子张力缠绕有限元模型。 其次,通过改变温度来改变缠绕张力的大小,以实现施加不同恒定张力和等应力。在此基础上,详细分析电机转子静止状态(缠绕完成时)、冷态额定状态(22℃、20000r/min)、热态超速状态(150℃、24000r/min)三种情况下,不同恒定张力、不同等应力和不同磁粉占比对电机转子强度的影响规律,并将不同恒定张力与不同等应力对电机转子强度的影响规律进行对比分析。 最后,由于永磁体的抗拉应力较小,为了提高电机转子结构的可靠性,尽可能减少烧结永磁体的使用,对电机转子结构进行优化。确定优化变量、优化目标和约束条件;通过拉丁超立方法进行样本点采集,构建Kriging代理模型,并结合粒子群优化算法对其进行优化。通过对比分析优化前后电机的电磁性能与力学性能来验证所提出优化算法的有效性。

关键词： 激光熔覆修复   铁基自熔性合金   数值模拟   温度场   应力场  

摘要： 激光增材制造技术具备高能量密度、可控的热输入量以及优质的成形件表面,因此在再制造修复领域有着非常广泛的应用前景。然而,在激光熔覆修复成形过程中,由于瞬时的熔化凝固过程,会产生很高的温度梯度,引发热应力,产生弯曲、翘曲等形状变形,对修复件的尺寸精度会有严重的影响。激光增材再制造修复实验的影响因素众多,仅依靠实验研究的方法耗时且成本高昂。因此,采用数值模拟的方式来研究激光增材再制造修复铁基自熔性合金具有重要的研究意义。 本研究利用ABAQUS有限元分析软件,建立了激光熔覆修复过程中温度场和应力场的数学模型。通过采用单元生死技术对激光熔覆修复铁基自熔性合金的温度场进行数值模拟,研究了激光功率、扫描速度以及热源半径对温度场的影响规律,并分析了修复件内部节点的热循环特性以及温度梯度的分布。在温度场模拟的基础上,通过热力耦合方法对应力场和残余变形进行数值模拟,研究了不同工艺参数、激光扫描方式以及修复基体预热对激光熔覆修复应力场和残余变形的影响。 通过离散元法的基本原理,生成了粉末群模型,并结合计算流体动力学来分析激光熔覆过程中产生的熔池的物理现象。在Fluent流体软件中,通过建立仿真分析的数学模型,并结合导入的金属粉末几何模型,材料参数,旋转体热源,建立了介观模型。着重研究了激光熔覆过程中粉末颗粒受高温熔化形成熔池和熔道形成过程中的物理现象,以及激光参数对熔道形貌和熔池的影响。能够更好地理解介观熔道的形貌以及其中涉及的各种物理现象,为优化激光熔覆修复技术提供重要的理论支持。

关键词： 缸体铸件   铸造缺陷   模拟   补焊   工艺优化   温度场   应力场  

摘要： 汽轮机缸体在铸造凝固过程中因形状复杂和产品尺寸大极容易产生各类铸造缺陷。这些缺陷若不通过补焊技术有效修复,将严重影响铸件的力学性能和使用寿命。采用Simufact Welding焊接模拟软件,对ZG20Cr Mo V材料的汽轮机缸体铸造缺陷补焊工艺进行了深入研究和优化。旨在减少补焊过程中因温度场分布不均匀导致的残余应力,避免产生二次缺陷。 根据实际铸件缺陷尺寸,建立基体缺陷模型。首先对设定的两种补焊方案进行工艺选优。通过补焊过程中各个阶段的温度场分布情况,分析了补焊熔池的热影响区范围随补焊进程变化的特点,根据补焊结束时的瞬态温度场分布分析补焊结束时的热分布,进而确定出较优方案。后根据选出的较优方案的补焊温度梯度变化以及插入特征点的补焊温度曲线变化,分析原方案工艺参数的不足之处。然后,根据模拟补焊过程中的应力场分布图,分析补焊过程中可能会发生的应力集中和应力变形。最后根据分析结果,优化了较优方案的具体工艺参数。在研究过程中,本文深入探讨了补焊过程中温度场的变化规律、熔池的形成特点以及热影响范围,同时也对补焊后的应力分布进行了细致分析。研究结果表明,补焊过程中,堆积层之间存在明显的热处理效应,并且对这种多层多道的补焊工艺来说,具体工艺参数的选择非常重要,若不进行工艺优化极大概率会造成焊接裂纹缺陷。期间针对未优化及优化后的工艺进行实际补焊操作,验证上述模拟结果分析。经验证得知,未优化的工艺的确会产生补焊缺陷。优化后工艺补焊区域经X射线检测并未发现缺陷,满足工艺要求。再次证明,补焊时的工艺参数会严重影响补焊质量。 本文的研究成果为所在企业汽轮机缸体铸件的铸造缺陷补焊工艺提供了理论支持和实践指导。显著提高了铸件修复的效率和质量,保障了铸件在严苛的工作条件下的稳定运行。

关键词： 煤岩钻孔   外平钻杆   应力分析   疲劳寿命   有限元分析  

摘要： 本文旨在深入研究煤岩钻孔外平钻杆的应力分布及疲劳寿命问题,为提升煤炭开采的效率和安全性提供理论支撑和实践指导。通过准确分析钻杆在各种工作条件下的应力状态,能够预测并预防钻杆疲劳失效,进而延长钻杆的使用寿命,减少井下事故,提升经济效益。 研究动机源自于当前煤炭开采中对钻杆性能要求的不断提高,而现有研究在钻杆应力分析和疲劳寿命预测方面上考虑的因素不全面。本文将理论分析和实验相互验证,基于弹性力学、疲劳力学等理论,通过ANSYS有限元软件对钻杆在不同工作条件下的应力分布进行模拟,并结合实验台对模拟结果进行验证。通过研究解决传统分析方法中难以准确预测钻杆应力分布和疲劳寿命的问题,取得显著的成果。 本文的主要工作和成果包括: 1)提出基于有限元分析的钻杆应力计算方法,有效测验不同杆长、转速、扭矩和轴向力下的钻杆应力分布; 2)通过ANSYS验证钻杆有限元分析结果的准确性,为钻杆疲劳寿命研究提供可靠的数据支持,并对钻杆的接头处的结构进行了优化,提高了钻杆的疲劳寿命。 3)建立钻杆疲劳寿命预测模型,分析影响钻杆疲劳寿命的主要因素,为钻杆的优化设计和合理使用提供理论依据。 4)优化了钻杆接头的结构,与普通钻杆接头相比,高抗双台阶钻杆接头的疲劳寿命提高了1.26倍。 本文的研究不仅深化对煤岩钻孔外平钻杆应力分布和疲劳寿命的认识,也为提升煤炭开采的安全性和效率提供有力的技术支撑。未来可进一步拓展研究范围,考虑更多实际工况因素,优化钻杆设计,以实现更高效的煤炭开采。

关键词： γ-Fe   腐蚀介质   S   Cl   合金化   应力   电子功函数   第一性原理  

摘要： 采用第一性原理计算方法研究了S、Cl在γ-FeM(111)(M=Cr、Ni、Mn、Mo、Cu、Ce)表面的吸附及其引起的腐蚀，以及拉、压应力对体系表面结构稳定性的影响。计算结果表明：S、Cl在γ-Fe(111)表面最容易吸附于hcp位和fcc位，S和Cl吸附表面的电子功函数降低，耐蚀性能减弱。合金元素Cr、Ni、Mn、Mo、Cu、Ce与γ-Fe(111)构成的表面耐Cl腐蚀；Mo、Cu和Ce可以同步提高γ-Fe(111)表面的抗S、Cl腐蚀能力。压应力作用下，S、Cl吸附的γ-FeM(111)(M=Cr、Ni、Mn、Mo、Cu、Ce)表面的电子功函数增大，而拉应力下使得表面电子功函数减小，S、Cl吸附与拉应力共同作用将大大降低体系的耐蚀性。

关键词： 电工钢   单片测量法   有限元法   温度   应力   自适应遗传算法  

摘要： 电工钢作为电力行业当中最常用的软磁材料之一,主要用于制作变压器和电机的铁心。铁心在设计、制造以及运行期间存在磁、热、结构力场相互耦合的问题,这使得标准磁特性测量所得数据与实际不符,而电工装备中磁材料完备的磁特性数据又是电工装备产品研发、设计与优化的基础,也是有效建模和仿真的根本保证,为此本文在标准单片测量装置基础上改进了励磁结构,设计出温度和应力耦合的单片磁特性测量装置,并验证了该装置准确性与可行性。 首先,在标准单片测量装置基础上改进了磁路结构,同时为防止在施加应力时样片发生弯曲形变而导致受力不均匀的情况,添加了聚醚醚酮材质制成的防弯曲夹件,设计出多物理场下单片磁特性测量装置的基本结构。 其次,构建多物理场下单片磁特性测量装置的有限元模型并结合COMSOL和MATLAB联合仿真,利用所提出的自适应遗传算法对励磁结构中的磁轭、线圈尺寸参数进行优化,最终选出合理的尺寸参数,完成对励磁结构的优化设计。 最后,依据优化结果,搭建实际运行工况下温度和应力耦合的单片磁特性测量平台。并通过结合仿真与具体实验,分别对单片磁特性测量装置在不同环境温度下与不同应力下的损耗测量结果进行了研究,证明该装置具有可行性与准确性的同时,并归纳出多物理场下电工钢片复杂磁特性的变化规律。

关键词： 蒸汽发生器传热管   支撑板   应力   RPI壁面沸腾模型  

摘要： 蒸汽发生器是压水堆中用于连接一二回路的枢纽设备,既能导出一回路堆芯产热,又能作为实体屏障防止一回路放射性物质外泄,同时还是一回路的承压边界,工作环境极为恶劣,使得蒸汽发生器极易发生事故。因此对蒸汽发生器的流场与传热管结构的研究极其重要。 鉴于蒸汽发生器工作环境的特殊性,难以通过实际测量与实验的方式获得流场的流动参数与传热管的应力分布特征。本文以堆芯寿期初的CPR1000压水堆蒸汽发生器为研究对象,建立自然循环。通过耦合一二次侧流体域与固体传热管间的换热得到温度、压力、含汽率等关键流场参数分布规律,并将流场参数作为载荷导入结构分析模块,计算传热管所受应力的分布规律。通过CFD软件计算流体与固体间的耦合换热,得到一二次侧的流场条件,并将流场结果作为初值通过结构分析模块得到应力分布规律。 首先本文基于欧拉-欧拉两流体模型建立二次侧循环过程,采用热相变模型描述两相流体间的质量传输,通过对比使用RPI沸腾模型与不使用RPI壁面沸腾所得一次侧的温度与实际运行温度进行可靠性验证,结果表明采用RPI壁面沸腾模型的温度分布与实际误差极小,最大相对误差小于0.5%,验证了壁面沸腾模型对于立式U型蒸汽发生器的适用性,并分别计算了75%、50%运行工况,验证了计算模型适合各工况下的数值计算。后续建立了含有支撑板的蒸汽发生器模型,采用同样的数值计算方法,将所得结果与不含支撑板的蒸汽发生器热工参数作对比,得出如下结论:支撑板的存在使二次侧流场发生突缩突扩的周期性变化,流体流经支撑板时,会产生回流、射流和涡流,对于局部换热起到了强化作用,但也加强了流场扰动在支撑板附近会产生较大的横流速度,对支撑板的稳定性产生较大影响;同时由于流道的突缩使流速变大,流体迅速掠过传热管表面,对流换热强度增大,壁面沸腾的强度减小,使支撑板位置的含汽率下降,同时流通面积的改变使该位置会产生较大的阻力损失,流体流经支撑板区域时产生阶跃性压降。 本文所得的流场结果与实际的运行试验结果吻合度高,以流场计算结果作为初值导入结构分析模块,对传热管的热应力和机械应力进行分析,结果表明:在传热管与支撑板的间隙位置有较大的热应力和耦合应力集中而机械应力相对较小,因此高温条件是使该位置极易发生应力腐蚀进而造成传热管的磨损破裂的关键因素。

关键词： 偏置非正交面齿轮   数控插齿仿真加工   接触分析   修形   应力分析  

摘要： 面齿轮传动副由于具备准确的扭矩分解、尺寸小、重量轻、对安装误差不敏感等优越性能,而被广泛应用于武装直升机的主减速器中。为了进一步降低武装直升机主减速器的尺寸和重量,以及探索偏置非正交面齿轮传动副在民用高速、重载传动装置中应用。本文基于齿轮几何学、插齿加工原理、局部接触理论、加载接触分析理论、赫兹点接触理论、有限元应力分析理论,对偏置非正交面齿轮传动副的精确设计、数控插齿仿真加工、接触特性和传动误差分析、修形、赫兹点接触应力分析以及有限元接触和弯曲应力分析进行了综合研究。 精确设计了齿顶不带圆弧的插齿刀展成和齿顶带圆弧的插齿刀展成的偏置非正交面齿轮传动副。利用MATLAB验证了其在大功率传动装置中完全满足弯曲应力要求。通过UG进行接触仿真分析,发现只齿数差修形的偏置非正交面齿轮传动副同样存在边缘接触;在VERICUT中,对比精确设计方法和传统方法所得插齿刀仿真加工偏置非正交面齿轮,得出用精确设计方法所得插齿刀的加工精度更高,而且无任何过切和残留;对只齿数差修形的偏置非正交面齿轮传动副进行轮齿接触分析(TCA),得出偏置非正交面齿轮传动副与其它面齿轮传动副一样具有不受安装误差影响的优点;面齿轮工作齿面上接触迹线的倾斜程度随偏置距离的增大而增大,偏置非正交面齿轮传动副对相错角误差特别敏感,当偏置距离增大时,安装误差对接触迹线的影响也会随之增大。相错角误差对接触迹线的影响比偏置安装误差的要大;通过对四种算例的修形偏置非正交面齿轮传动副进行TCA研究得出只小齿轮齿向修形无法避免边缘接触;最后利用MATLAB和ABAQUS对算例偏置非正交面齿轮传动副进行了加载齿接触分析(Loaded Tooth Contact Analysis,LTCA)和有限元应力和赫兹点接触应力分析,得出在相同的弹性变形量下,从应力分析的角度出发,在高速、重载工况下,应该优先选择只小齿轮双冠修形的偏置非正交面齿轮传动副。

关键词： 上承式钢管混凝土拱桥   拱脚   应力分析   第一主应力  

摘要： 上承式钢管混凝土拱桥拱脚处结构复杂，导致受力情况从理论层次求解异常困难，因此采用拱脚局部模型和拱桥整体模型结合进行分析计算。首先利用Midas civil建立的整体模型提取各施工阶段内力得到最不利荷载工况，然后利用Midas FEA建立的拱脚局部模型计算最不利工况下的应力，得到拱座和封脚混凝土的第一主应力值，即最大拉应力未超过《公路钢结构桥梁设计规范：JTG D64-2015》[1]，钢管结构的组合应力值均未超过钢材的屈服应力，拱脚受力合理。

关键词： 太阳能光热发电   熔盐   储罐   温度梯度   应力  

摘要： 熔盐储热技术是一种可实现大容量与长时间蓄能的能量存储方式,其通过绿电、谷电、蒸汽等加热熔盐以存储可再生能源或低谷电能,从而促进新能源消纳、提升电网灵活性,目前已广泛应用于光热电站、风光热互补基地、火电机组灵活性改造、园区供汽与供热等领域。熔盐储热罐(高/低温双罐系统)是储能系统的核心部件,冷-热流体的独立存储方式可有效避免斜温层,储热效率更高,应用前景最为广阔。值得注意的是,熔盐储罐在储-放热过程中存在高温度(400～565℃)、波动静水压力与应力集中等因素导致的损伤失效、熔盐泄漏现象,给储热系统的安全运行带来极大挑战。然而,目前针对高温熔盐储罐热-力性能的研究仍存在许多不足:一方面,已有研究多在给定罐体壁面温度条件下开展应力分析,并未考虑罐体内复杂导热-对流耦合换热过程,研究结果无法准确反映罐体真实的温度与应力分布情况;另一方面,已有研究多聚焦于储罐正常储-放热过程,缺乏在特殊进盐工况或自然冷却条件下对储罐开展热-力性能分析。 为此,本文以某50MWe塔式光热电站中的高温熔盐储罐为研究对象,建立了适用于分析储罐热-力耦合特性的数值模型,并开展了高温储罐在首次进盐、低温进盐等特殊工况及自然冷却条件下热-力性能的模拟研究。具体的研究内容与结论如下: (1)综合考虑变厚度壁板、底板、角焊缝以及罐体自重、熔盐静水压力、拱顶载荷等罐体真实结构及应力荷载,基于有限容积法和有限元法,构建了复杂耦合换热过程及液位波动变化等因素协同作用的热-力耦合瞬态数值模型,并分别对模型进行了时间步长、网格独立性考核及可靠性验证,为接下来开展储罐热-力性能的研究提供方法支撑。 (2)数值分析了首次进盐与低温进盐两种特殊工况下高温熔盐储罐热-力性能的动态变化规律。结果显示:1)两种进盐工况下罐体壁面温度分布极不均匀,壁面沿罐体高度方向的温度梯度均呈现先增大后趋于稳定的变化趋势,远高于设计规范中罐壁温差的最大允许值;可通过提高预热温度、降低进盐温度(首次进盐工况)或设置辅助电极熔盐加热炉(低温进盐工况)以有效降低壁面温度梯度;2)首次进盐过程中,罐壁底部将产生5.7h的蠕变现象,壁板蠕变损伤范围逐渐扩大,在进盐结束时刻,0≤H≤1.6m处壁板处于蠕变状态;低温进盐过程中,罐壁顶部将持续产生8.5h的蠕变现象,壁板蠕变损伤范围逐渐缩小,在进盐结束时刻,11.2m≤H≤12m处壁板处于蠕变状态;3)罐体峰值应力受壁面与底板间温差影响显著,进盐过程中应力值逐渐降低,但角焊缝位置仍存在应力集中导致的塑性损伤现象(3.6～4.5h);为降低壁面温差与峰值应力水平,建议将抗腐蚀、耐高温型隔热材料添加至壁板与底板连接区域,以提高熔盐储罐服役寿命。 (3)针对储罐首次进盐工况,进一步开展了进盐方法的优化研究,分别通过提高储罐预热温度或降低进盐温度探究其对罐体动态热-力性能的影响情况。结果显示:1)两种优化策略均可改善壁面整体的温度均匀性,当预热温度升高至540℃、进盐温度下降至355℃时,进盐结束时刻下壁面的温度梯度可分别降低至26.1℃与23.4℃;2)两种优化策略均可降低罐体峰值应力,缩短罐体角焊缝区域塑性损伤的持续时间,且与提高预热温度相比,降低进盐温度对罐体应力特性的改善效果更好,峰值应力可降低3～10%,塑性损伤时间可缩短1.6～14.3%;3)降低进盐温度可有效避免蠕变损伤现象的产生,而提高预热温度会显著增加罐体壁板的蠕变损伤时间和范围,因此在实际工程中建议优先采用降低进盐温度策略以进一步提升罐体的安全性能。 (4)基于已建立的热-力耦合数值模型,在综合考虑了储罐地基与散热通风管道的基础上,进一步发展了适用于分析自然冷却条件下高温熔盐储罐热-力耦合特性的数值方法,模拟获得了熔盐温度、液位高度以及通风管道直径等运行与结构参数对罐体热-力性能的影响情况。结果显示:1)提高熔盐储热温度会增大壁面与底板间温差,进而导致应力水平升高。当熔盐温度由400℃增加至565℃时,壁面温差增加43%,罐体峰值应力与平均应力分别增加39.8%与9%;2)升高熔盐液位高度对罐体温度影响较小,但罐体应力水平在波动静水压力的作用下呈增大趋势。当熔盐液位由1m上升至11.7m时,罐体峰值应力增加14%,平均应力扩大2.3倍;3)增大地基内通风管道直径对地基温度与罐体应力的影响较为显著。当通风管道直径由DN100增大至DN250时,地基下方1.5m深度的土壤温度降低6.9倍,可有效防止地基产生超温导致的沉降现象;然而,增大通风管道直径也会使得罐壁面与底板间温差增大,致使罐体应力水平升高,当管道直径由DN100增大至DN250时,壁面温差增加19.2%,罐体峰值应力增大13%,对储罐的安全运行造成不利影响。因此,在工程设计过程中,应综合考虑地基内通风管道结构参数对储热系统温降效果与安全性