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关键词： 工程教育认证   工程力学   教学目标   教学内容   教学组织   教学评价  

摘要： 在工程教育认证的背景下，工科专业需要培养具备学习能力、实践能力、创新创业能力的人才。因此，工程力学课程应以知识目标、能力目标、育人目标为教学目标，结合专业课程、设计实验、工程项目“三融合”改革教学内容，通过“三三融合、互评互进”教学模式深化教学组织改革，按照“课程体系—课程目标达成评价—毕业要求指标—毕业要求达成评价—培养目标合理性及达成评价”这一思路开展过程评价和结果评价，以此深化工程教育认证理念内涵，创新实践模式。

关键词： 氮化铝   晶体质量   温度   光学性质   应力   高温退火  

摘要： 超宽禁带氮化铝(AlN)材料具有高击穿场强、高热导率、高声波速度、良好的化学稳定性和紫外透过率等,是紫外/深紫外发光二极管的最佳衬底材料,且在高温、高功率光电器件和声表面波器件中有着广泛的应用。然而,迄今高质量AlN晶体的制备面临巨大挑战,尚不能用于生产应用。在不同生长条件下制备的AlN材料的晶体质量和性能差异较大,材料中普遍存在着较多的缺陷和较大的残余应力。它们都严重影响后续器件的性能、可靠性和使用寿命。此外,器件在运行过程中持续大电流注入引起的发热问题,可引起材料物理性能发生变化,从而导致器件效率衰退。为此,本论文研究了AlN晶体中的结构、缺陷、应力演变、质量改进、光学特性以及它们在高温下的变化行为。准确了解光学特性随温度的变化趋势可预测器件在升温状态下的热积情况,并评估和优化器件自发热或极端环境下的性能。本论文的初步研究结果可作为后续制备更高质量AlN材料,解决器件老化、散热、性能下降、效率降低问题的某些实验依据。论文主要研究内容和结果如下:(1)利用物理气相传输法生长了非极性m面和极性c面AlN单晶,系统地研究了材料的声子温度依赖性、以及温度对应力的影响。结果显示,随着温度的升高,声子衰变为两个声子是主要的衰变机制,受晶体缺陷或杂质影响的TO声子的寿命(1.33-1.44 ps)小于LO声子的寿命(1.81 ps),这是因为前者的非谐效应更强。在高温区域,声子频移主要受到晶格膨胀的强烈影响,与温度近似呈线性关系。两个AlN晶体存在不均匀应变,且应力与温度之间存在一阶指数增长关系,随着温度的升高,晶体的双轴应力由压应力变为拉应力,m面AlN单晶的应力转变温度比c面AlN单晶的小。这项研究表明拉曼散射法可对AlN生长期间产生的应力进行实时原位检测。(2)利用反应磁控溅射技术生长了3片不同厚度AlN薄膜,并对较薄样品进行了高温退火处理,重点研究了温度对AlN薄膜的折射率、带隙能量和Urbach能量的影响。研究表明外延层厚度的增加、AlN中间层的引入以及高温退火都可以有效提高晶体质量。通过增加薄膜厚度和高温退火都可以增大薄膜的晶粒尺寸,减少位错密度,提高结晶度,相应地减少Urbach能量,增加带隙能量。使用Sellmeier方程和Bose-Einstein方程分别对高温下样品的折射率和带隙的温度依赖性进行建模。发现相比于增加生长厚度,高温退火处理更能提高样品外延层的稳定性。这项研究能够预测AlN基相关光电器件在高达700 K的环境温度或自热温度下的热光效应,并优化其光学性能。

关键词： 深埋隧道   复合式衬砌   数值模拟   应力   变形  

摘要： 随着国内城市化和交通发展的推进,深埋隧道建设需求日益增长。复合式衬砌是一种常用的深埋隧道结构,隧道衬砌在深埋条件下的力学响应是设计和施工考虑的关键问题。本文首先基于弹性力学给出了轴对称荷载作用下双层圆筒结构的力学解析解,并基于荷载结构法和地层结构法使用有限元软件ANSYS对圆形隧道衬砌断面进行数值模拟,以验证数值模拟方法的准确性。其次,通过有限元软件ANSYS,基于荷载结构法对双线复合式衬砌隧道的内力和变形进行了数值模拟,可以看出二次衬砌的轴力和弯矩最大值都在拱脚处取得,变形主要集中在拱底。最后,通过有限元软件ANSYS,考虑衬砌间光滑接触和完全接触两种情况,基于地层结构法对单双线隧道复合式衬砌的应力和位移进行了数值模拟,并讨论了光滑接触的情况下,侧压系数、衬砌厚度和均布内水压力对衬砌应力和位移的影响。结果表明,双线隧道二次衬砌的Mises应力最大值随着侧压系数和二次衬砌厚度的增大而增大,随着初期支护厚度的增大而减小。单线隧道二次衬砌的Mises应力最大值随着侧压系数的增大先减小后增大,随着衬砌厚度的增大而减小。均随着均布内水压力的增大先减小后增大。除了均布内水压力较大时,同样情况下双线隧道二次衬砌的Mises应力最大值均大于单线隧道的。单、双线隧道二次衬砌的拱顶沉降随着侧压系数和衬砌厚度的增大而减小,随着均布内水压力的增大,单、双线隧道二次衬砌的拱顶沉降分别增大和减小。同样情况下双线隧道二次衬砌的拱顶沉降均大于单线隧道的。

关键词： 轧辊平衡杆   修复焊接工艺   预热处理   焊接工装   应力  

摘要： 轧辊作为轧铝机的重要功能性结构，在工作过程中需要频繁地运动，由于轧辊自重较大，因而对应的平衡杆构件在工作中处于高负荷状态。为了修复焊接较厚、较重铸钢件，避免因轧辊平衡杆损坏造成轧铝机长时间停机继而影响生产，本文对其焊接可行性进行了分析，分析了预热工艺控制，设计了焊接工装，以实践验证了在施焊过程中严格按照工艺要求施焊可顺利完成大型铸钢件的修复焊接，从而延长轧铝机轧辊的使用寿命，提高轧铝机的综合利用率。

关键词： 化工行业   塔器设备   应力分析   剪切校核   优化设计  

摘要： 对于化工行业塔器设备由于受到应力不均，进而容易产生失稳的现象，在应对塔体失稳的情况，我们采取了塔壳应力分布分析校核、地脚螺栓锚固设计、裙座与FRP设备之间的剪切力校核，通过以上数据进行优化设计，从而有效控制塔器的应力失稳。

关键词： 基夫赛特炉   铜水套   仿真模拟   温度场   应力场   正交试验  

摘要： 基夫赛特炉生产时,反应塔内发生剧烈的氧化反应,容积热强度极高。铜水套作为基夫赛特炉重要的冷却设备,其安全稳定运行对基夫赛特炉的正常生产和延长炉体寿命具有重要意义。本文以基夫赛特炉反应塔铜水套为研究对象,对铜水套进行仿真模拟,研究不同工艺参数对铜水套换热及应力的影响。首先,进行单因素分析;其次,在单因素分析的基础上进行正交试验,寻求铜水套工作的最优参数;最后,分析极端工况下铜水套的换热及应力特性,并对铜水套进行结构优化。本文主要研究内容和结论归纳如下:(1)典型工况下,铜水套基体的温度处于安全工作范围,基体最高温度出现在中部铜肋热面,渣皮热面呈波浪状分布;铜水套基体的最大等效应力出现在螺栓孔处,热面的最大等效应力出现在楔形槽倒角处;铜水套基体受热变形时,中心部分向热面方向凸起,两端向冷面方向弯曲,整体近似抛物线形;铜水套和冷却水管管根在z轴方向上的变形和位移量最大,冷却水管管根出现扩张变大的情况。(2)选取烟气温度、冷却水进口温度、冷却水流速和挂渣相变温度为影响因素,对铜水套换热及应力特性进行单因素分析。结果表明:随着烟气温度的升高,铜水套基体最高温度、进出口温差、热负荷、热流强度、最大等效应力和变形量随之增加,渣皮平均厚度减小,渣皮分布的不均匀性增加;挂渣相变温度的升高有利于降低铜水套基体最高温度、进出口温差、热负荷、热流强度、最大等效应力和变形量,并且增加渣皮平均厚度,渣皮分布更加均匀;增加冷却水流速或降低冷却水进口温度有利于降低铜水套基体最高温度和变形量,但对其他换热指标及渣皮平均厚度影响微弱。(3)基于单因素分析进行正交试验,在模拟参数范围内,铜水套的最优工艺参数为:烟气温度1370℃,挂渣相变温度1230℃,冷却水流速2.5 m/s,冷却水温度20℃。(4)对极端工况下的铜水套换热及应力情况进行分析,结果表明:在模拟参数范围内,相比于正常工况,极端工况下的铜水套基体最高温度、热负荷和变形量大幅度增加,并且铜水套热面及冷却水管管根内壁皆出现塑性应变。随着烟气温度的升高,塑性应变的区域逐渐扩大,塑性变形程度逐渐加重。采用零阶优化法,以铜水套质量、热面最大等效应力和最大变形量为优化目标对铜水套进行结构优化,得到相应结构参数,优化后的铜水套质量、热面最大等效应力和最大变形量分别减小8.39%、3.48%和3.39%。图73幅,表20个,参考文献79篇

关键词： DF11G机车车轮   紧急制动   温度场   应力场   轮轨冲击载荷  

摘要： 随着DF11G机车运行速度的提升,机车在运行中要承受更大的轮轨载荷,且在机车制动时车轮踏面所承受的热载荷大大增加,车轮的损伤问题愈发突出。作为DF11G机车重要的走行部件,车轮的安全关系到整个列车的行车安全。本文以DF11G机车车轮为研究对象,仿真分析了DF11G机车车轮热载荷与机械载荷下的温度场与应力场。论文的主要研究内容如下: (1)仿真分析了DF11G机车在制动原方案和制动优化方案下紧急制动时车轮的温度场和热应力场。计算结果表明:在机车紧急制动过程中车轮上的最高温度和最大应力始终处于与闸瓦相接触的踏面上,且随着距踏面深度的增加,各点的最高温度和最大应力逐渐降低,其出现的时刻也向后推移。DF11G机车制动方案优化后车轮紧急制动时的最高温度较原方案下降了19.8%～24.3%,最大应力较原方案下降了16.4%～25.2%,机车制动方案的优化对于降低紧急制动时车轮的温度和应力具有明显的作用。 (2)基于SIMPACK动力学仿真软件,建立了含有柔性轮对的机车刚柔耦合动力学模型,仿真计算了车轮多边形磨耗和轨道不平顺下的轮轨冲击载荷,并且仿真计算了车轮踏面的应力状态。计算结果表明:轨道不平顺和车轮多边形磨耗的存在会导致轮轨接触应力增大。相比于较平顺的京津轨道激扰下的轮轨接触应力,美国五级谱激扰下的轮轨接触应力更大,当运行速度超出90 km/h时会有轮轨接触应力超过安定极限的情况发生。相较于无车轮多边形时,存在车轮多边形会导致轮轨接触正应力增大,且车轮多边形阶次越高和磨耗幅值越大,轮轨接触正应力越大。当车轮多边形阶次为15阶、幅值为0.06 mm机车运行速度超过100 km/h时,会有轮轨接触应力超过安定极限的情况发生,这将会造成车轮踏面的损伤。 (3)在车轮温度场和轮轨冲击载荷计算的基础上,仿真计算了机车紧急制动热载荷和机械载荷共同作用下车轮的总应力场。计算结果表明:机车紧急制动是造成车轮踏面损伤的重要原因。相比于机车匀速运行时的轮轨接触应力,紧急制动会导致轮轨接触应力明显增大,且由于车轮温度较高,屈服极限和安定极限下降,致使车轮踏面更容易产生损伤。

关键词： 绕管式换热器   管板   应力分析   轻量化设计   ANSYS   有限元  

摘要： 利用ANSYS有限元分析软件，采用当量实心圆平板计算模型，开展插入式结构管板伸入壳体内部的高度对绕管式换热器管板应力分布影响的研究，得到不同伸入高度下管板应力的变化规律。通过控制插入式结构管板伸入壳体的高度，间接控制管板布管区的最大应力，并考虑不同结构型式的制造加工成本，从而得到最优的结构设计组合。该结论可为绕管式换热器管板的结构设计，特别是壳程压力较高时分体式管板的轻量化设计及制造提供参考。

关键词： 水平井分段压裂   应力场   同步压裂   拉链压裂  

摘要： 水平井分段多簇压裂是页岩油开发的核心技术,压裂参数及压裂方式的选择对应力场分布及裂缝形态会产生显著影响,同时应力场分布又会进一步控制裂缝的扩展形态。因此,探究压裂过程中的应力场变化规律,并以此为依据进行压裂设计,对提高裂缝复杂度有重要意义。本文针对页岩油储层压裂改造过程中的应力分布问题,结合页岩油储层现场数据建立水力压裂数值模型,探究页岩油储层压裂不同工况下的应力场动态变化过程。首先,利用三维数值模型验证单缝压裂过程中应力场分布规律,揭示了水力裂缝诱导应力对地应力场的影响规律。随后深入研究了初始地应力差、裂缝间距、压裂排量及压裂次序对双缝、多缝压裂时对应力场分布的影响。最后模拟分析了页岩油水平井组同步压裂及拉链压裂对于应力场分布的影响,并基于对裂缝形态的分析研究,评价了不同压裂方式的压裂效果。 根据研究成果可知: （1）人工裂缝是产生诱导应力场的原因,最小水平主应力方向产生的诱导应力大于最大水平主应力方向。多缝压裂时,裂缝内侧相同距离的应力值高于裂缝外侧;裂缝会对应力的传递产生阻隔作用。 （2）地应力差从2MPa增大到10MPa时,裂缝长度和宽度分别减小19%和15.8%。裂缝间距影响裂缝之间的应力干扰,裂缝间距设置为1-1.5缝高之间时,可以有效利用应力干扰减小原地应力场差异,同时减弱对裂缝扩展的抑制作用。相同注液量的条件下,压裂排量从10m3/min增大到20m3/min时,裂缝长度和宽度分别增大12.4%和6.7%;增大幅度随排量的增加逐渐减小。压裂段内射孔簇同时注液可以有效提高裂缝周围的诱导应力,并促进裂缝的均匀扩展。 （3）对页岩油水平井组同步压裂的研究发现:同步压裂布缝方式可以有效影响井间地应力的变化,交错布缝方式在井间相同位置产生的诱导应力比正对布缝方式增大了24%。交错布缝方式相较于正对布缝可以有效增大裂缝长度和裂缝宽度,裂缝总表面积和总体积分别增大4.7%和21.1%。 （4）对页岩油水平井组拉链压裂的研究发现:拉链压裂相较于同步压裂可以有效提高后压裂缝周围诱导应力,有利于使裂缝转向或产生分支裂缝。拉链压裂相较于同步压裂可以进一步增大裂缝长度和裂缝宽度,裂缝总表面积和总体积分别增大1.3%和0.1%。拉链压裂在较大压裂段间距时可以取得更优的压裂效果。

关键词： 光学薄膜   激光辐照   温度场   应力场   损伤阈值   损伤形貌  

摘要： 光学薄膜元件在激光系统中起着十分重要的作用,同时它也极易发生损伤。高能激光的广泛应用对薄膜元件的性能提出了更高的要求。激光辐照时,膜层内温度升高,导致薄膜发生熔化、气化等现象;膜层内温度分布不均匀会导致薄膜发生形变,引起薄膜的断裂、脱落等。通过理论分析和仿真计算研究光学薄膜损伤的影响因素,对于优化镀膜工艺,提高光学薄膜的性能和抗激光损伤能力十分重要。本文基于热传导理论、热弹性力学理论建立起激光诱导多层薄膜的温度场和应力场模型,根据数学物理知识进行求解,得到激光诱导多层薄膜温度场和应力场的解析表达式。使用Matlab软件进行仿真计算,并借助激光损伤测试系统对多层薄膜的抗激光损伤能力进行实验研究。主要结论如下:（1）从激光与薄膜相互作用机理出发,分析得出薄膜损伤主要受激光参数和薄膜性质影响,激光能量、波长、光斑半径以及薄膜材料的比热容、吸收系数、热膨胀系数等均会对其产生影响。（2）建立了激光诱导多层薄膜温度场、应力场模型,推导了多层薄膜的温度场、应力场的解析表达式。分别选取Ta2O5、Zn S和HfO2为高折射率材料,SiO2和Mg F2为低折射率材料,以G|HL|A和G|HLHL|A作为初始膜系,得到Ta2O5/SiO2、Zn S/Mg F2和HfO2/SiO2多层增透膜。分析可得,多层膜温度、应力场分布与双层膜类似。激光辐照时,薄膜厚度方向温度变化不明显。膜层中心点温度最高,沿薄膜半径方向温度降低。（3）薄膜的损伤情况受材料性质和激光参数的影响,不同膜层内的温度值、应力值不同。激光能量为10m J,光斑半径为4mm时,Ta2O5/SiO2多层膜中,SiO2和Ta2O5膜层的最高温度分别为695℃和95℃,均未超过材料熔点,未发生热损伤。最大拉伸应力分别为5MPa和19MPa,最大压缩应力分别为54MPa和118MPa,均未超过材料断裂、压缩强度,未发生热致应力损伤。在此条件下,Zn S/Mg F2和HfO2/SiO2多层薄膜也不会发生损伤。分析多层薄膜的温度、应力场可得:相邻膜层交界处的温度值和应力值会发生跃变,即薄膜-薄膜交界处易发生损伤。设计膜系制备薄膜时应当选择热物性参数相差较小的材料,将薄膜的损伤降到最低,避免膜层之间发生脱落、分离。（4）通过损伤测试系统对多层薄膜的抗激光损伤能力进行测试。实验结果表明:波长越小,光子能量越高,多层薄膜的损伤阈值降低。分析不同激光能量下多层薄膜损伤形貌可得:激光能量越高,薄膜损伤情况越严重,膜层极易发生炸裂、剥落现象。实验所得结果均与理论部分相符,证明了理论模型的合理性。本文通过对多层薄膜受激光辐照后温度场、应力场进行分析,讨论薄膜损伤的影响因素。研究结果对于优化镀膜工艺、提高薄膜的抗激光损伤能力和保障激光系统的正常运转有着十分重要的指导作用。